4. Измерительные усилите­ли

_{Для большинства параметрических дат­чиков характерно объединение ЧЭ с помощью суммирую­щих схем, в качестве которых чаще всего используют измерительные мосты, обладающие высокой линейностью и помехозащищенно­стью. Преобразование дифференциального выход­ного сигнала мостовой схемы в стандарт­ный уни­фицированный сигнал осуществляется с помощьюизмерительных усилителей (ИУ), содержа­щих дифференциальные первичные кас­кады}^[1]_{. ИУ может располагаться непосредственно рядом с измерительной схемой (в одном корпусе), а может быть удален от нее на значительное расстояние. Тем не менее, всегда надо стремиться располагать ИУ и интерфейсные схемы как можно ближе к датчику. Если же избежать длинных линий не удается, следует применять хорошо изолированные коаксиальные кабели. Некоторые схемы передачи сигналов по длинной линии рассмотрены в следующем параграфе.}

_{В настоящее время операционные усилители (ОУ) в информационных системах вытесняют дискретные транзисторные усилители и практически по всем показателям, кроме мощности, превосходят их. Обычно подобные устройства используют в качестве первого каскада усиления в измерительных цепях датчиков. Задачей ИУ является нормализация сигнала, т. е. приведение его к стандартному уровню. Исходя из этого, основным требованием к ИУ является точность. Для ее обеспечения необхо­димо выполнение следующих условий:}

_{коэффициент усиления по напряжению должен иметь постоянное значение  не зависящее от частоты и фазы входного сигнала;}

_{бесконечно большой коэффициент ослабления син­фаз­ного сигнала} 

_{равенство нулю входного и выходного напряже­ний смещения, а также выходного импеданса.}

_{Указанные условия требуют применения комплексных схемотехнических решений. Как правило, ИУ строится на базе пре­цизи­онного ОУ и содержит не менее трех каскадов усиления, каждый из которых решает собственную задачу (рис. 2.15). ОУ имеет два входа –– инвертирующий и неинвертирующий –– и один выход, напряжение на котором синфазно с напряжением на неинвертирующем входе.}

_{Первый каскад всегда представляет собой дифференциальный усилитель. Простейший дифференциальный усилитель включает активную схему с двумя симметричными плечами, питание которой осуществляется генератором тока ГТ (см. рис. 2.16). Входным сигналом Uвх является разность напряжений на входах Вх1 и Вх2 схемы, выходным Uвых –– разность напряжений на выходах Вых1 и Вых2. Напряжения с Вых1 и Вых2 поступают на второй каскад, состо­ящий из инвертора и эмиттерного повторителя. Назначение это­го каскада –– преобразование двух­фаз­ного сигнала с дифференциального усилителя в од­нофазный. Сигнал с Вых2 инвертируется и вычитается из сигнала с Вых1. Третий каскад используется для усиления сигнала и содержит эмиттерный повторитель, снижающий выходное сопротивление уси­лителя. Для повышения KU в схеме ОУ могут быть дополнительные каскады усиления.}

_{ИУ является достаточно сложным прибором, его функционирование описывается большим числом параметров. Приведем важнейшие из них и в скобках укажем диапазоны изменения их числовых значений:}

_{1.       коэффициент усиления   (от 10}³ _{до 10}⁸_);

_{2.       коэффициент ослабления синфазных напряжений} 

_{3.       напряжение смещения Uсм, харак­те­ри­зующее несимметричность входного кас­када и равное напряжению, ко­торое надо подать на усилитель, что­бы сигнал на его выходе обратил­ся в нуль (от  до  мВ);}

_{4.       входное (дифференциальное) сопротивление  равное отношению изменения дифференциального напря­жения на входах ИУ к изменению входного тока (от 10}⁴ _{до 10}⁹ _Ом);

_{5.       частота единичного усиления  определяющая полосу пропускания ИУ, когда коэффициент =1 (от 10}⁵ _{до 10}⁸ _Гц);

_{6.       выходное сопротивление} 

_{В настоящее время промышленно выпускают усилители самого разного назначения. Все их условно можно подразделить на четыре группы. К первой относятся усилители общего применения, используемые в бытовой аппаратуре, звукозаписывающих устройствах и др. Вторую группу составляют прецизионные усилители (Uсм < 0,1 мВ; KU > 10}⁶_{); как правило, их включают в измерительные цепи датчиков. Третью группу образуют быстродействующие усилители, у которых скорость нарастания напряжения > 100 В/мкс; обычно их применяют в видеоустройствах. Наконец, к четвертой группе относятся усилители с особыми режимами мощности: микромощные, с током потребления менее 10 мкА, и мощные, с током нагрузки до 1А. Первые, как правило, используют в бортовых приборах, вторые –– в усилителях мощности.}

_{При расчете схем ИУ применяют модель иде­аль­ного ОУ, для которого характерны следующие допущения: имеет бесконечно большое значение на низких частотах, причем с ростом частоты уменьшение КU не должно превышать 20 дБ/дек (рис. 2.17, а); На практике эти значения недостижимы, однако для большинства режимов работы усилителей указанные допущения выполняются с приемлемой точностью. Так, вносимые ИУ погрешности, по крайней мере, на два порядка ниже погрешностей ЧЭ и измерительной схемы.}

_{На рис. 2.17, б представлена схема подключения обратной связи к ОУ. Для получения заданных параметров необходимо обеспечить требуемый  и сформировать соответствующую коррекцию АЧХ. Эти требования определяются параметрами обратной связи ОУ. При использовании отрицательной обратной связи на вход ОУ поступает напряжение}

_{причем  Здесь b –– коэффициент передачи напря­жения ОУ с цепью обратной связи. Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью,}

_{При (глубокая обратная связь) получим  т. е. коэффициент усиления KU ОУ определяется только свойствами цепи обратной связи и не зависит от свойств самого усилителя. Достаточная глубина обратной связи ОУ достигается его высоким собственным коэффициентом усиления.}

_{В любом ОУ с ростом частоты амплитуда выходного напряжения уменьшается и отстает по фазе от входного сигнала. Следовательно, коэффици­ент усиления частотно зависим. Это определяется емкостными свойствами последующих ка­с­­кадов и нагрузки. АЧХ и ФЧХ каскада усилителя по­добны характеристикам датчиков первого по­рядка:}

_{где  –– частота среза (граничная частота).}

_{АЧХ трехкаскадного ОУ имеет три излома на раз­ных частотах среза (см. рис. 2.17, а). После первого на низшей частоте среза  АЧХ имеет наклон 20 дБ/дек, после второго –– 40 дБ/дек, после тре­тьего –– 60 дБ/дек. Соответственно фаза выходного сигнала после первого каскада отстает от фазы входного сигнала на 90}^o_{, после второго –– на 180}^o_{, после третьего –– на 270}^о_{. Условием устойчивости ОУ с отрицательной обратной связью является отставание по фазе не более чем на 120}^o_{. Поскольку АЧХ имеет три излома, то для обеспечения устойчивости ОУ требуется два корректирующих RC-звена. В современных ОУ используется внутренняя частотная коррекция, а также внутренняя защита от перегрузок по выходу.}

_{В зависимости от того, на какой из входов ОУ подается сигнал, различают неинвертирующую (рис. 2.18, а) и инвертирующую (рис. 2.18, б) схемы включения. В первом случае фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного, во втором – фазы противоположны. Коэффициент усиления неинвертирующего ОУ равен}

  

_{Входное сопротивление неинвертирующего ОУ . Частным случаем ОУ этого типа при  является повторитель напряжения, для которого  и . В инвертирующем ОУ сопротивление обратной связи  образует цепь параллельной обратной связи по напряжению.  Для коэффициента усиления инвертирующего ОУ справедливо выражение}

_{Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется величиной R1:  и, как правило, невелико.}

_{Для ИУ наиболее распространены три схемы ИУ: простая дифференциальная, дифференциальная с буферными каскадами и прецизионная. Самой известной является простая дифференциальная схема (рис. 2.18, в). Она является базовой для мостовых измерительных схем. Для обеспечения одинакового усиления по прямому и инверсному входам схема содержит делитель напряжения на прямом входе, выбираемый из условия . Коэффициент усиления}

_{Функция преобразования в этом случае аппроксимируется зависимостью вида}

 

_{Важнейшим свойством дифференциальной схемы является значительное уменьшение уровня наводок, действующих на все плечи моста и поступающих затем на оба входа усилителя в одной фазе. Эти наводки получили название синфазные помехи. Степень ослабления такого сигнала определяется коэффициен­том  Пусть уси­литель среднего класса К140 УД7 имеет дифференциальную схему включе­ния, а напряжение сетевой наводки U}^* _{равно уровню полезного сигнала: U = U}^* _{= 10 мВ. Тогда выходное напряжение от измеряемого сигнала Uвых и помехи  при  (например, при R1 = 1 кОм, R2 = 10 кОм) и паспортном значении  = 80 дБ составят Uвых = UR2/R1 = 100 мВ;  = 10 мкВ. Таким образом, выходной сигнал от помехи ослаблен в 1000 раз. Недостатком простой дифференциальной схемы является низкое входное сопротивление при дифференциальном и синфазном сигналах:}

_{Для получения высокого входного напряжения, а также увеличения коэффициента усиления используют схему усилителя с буферными каскадами, которая представляет собой двухкас­кадный ИУ (рис. 2.18, г). Высокое обеспечивается использованием одноименных (прямых) входов усилителей. При этом входное сопротивление не зависит от коэффициента усиления. Первый каскад усиливает дифференциальный сигнал в  раз при единичном усилении син­фазной составляю­щей, второй ––  в  раз. Суммарный . Обычно он задается одним резистором R1 и достигает  Для обеспечения максимального  выбирают  (в расчетах полагают .}

_{Пусть все резисторы, кроме первого, одного номинала:  для i = 2, 3, ..., 7), а R1 = KRi = 50 Ом, где K — коэффициент. Тогда K = 1/500. Напряжение  и, следовательно,  = 1001. Если резистор R1 отсутствует,  = 1.}

_{Прецизионные ИУ, как правило, используют с конкретными измерительными схемами. Такой подход обеспечивает очень низкий уровень температурного дрейфа и шума. Примером ИУ для мостовых схем является однокристальный программируемый уси­литель AD 624 фирмы Ana­log De­vices (США), представленный на рис. 2.18, д. Схема имеет следующие характеристики: диапазон рабочих температур – 40 ... + 40} ^о_{С; максимальный входной сигнал 10 мВ, максимальное выходное напряжение 1 В, полоса частот сигнала  Гц. Мост предварительно сбалансирован, и напряжение смещения усилителя при 20} ^о_{С равно нулю.}

_{Выпускают четыре модели усилителя AD 624, отлича­ющиеся допустимым уровнем погрешностей. Так, самая точная модель AD 624D обладает суммарной погрешностью (включающей нелинейность, температурный дрейф и шум) в рабочем диапазоне не выше 0,0015 %.}

_{Примеры промышленных ИУ приведены в табл. 2.8.}

  

_{Таблица 2.8.   Технические характеристики промышленных ИУ}

Модель	KU ос	Uсм, мкВ	мкВ	Iвх, нА	Kос.сф, дБ	Uип, В
К140 УД17 (Россия)	500	75	3	3,8	106	 15
К140 УД24 (Россия)	1000	5	0,05	0,01	120	 5
AD 624D (США)	1...1000	2	0,25	0,001	110	 15

_{* Температурный коэффициент напряжения смещения.}

_{Отдельной группой ИУ являются усилители заряда, используемые для преобразования сигналов от емкостных, пьезоэлектрических и других ЧЭ, выходной сигнал которых представляет собой очень малые заряды или токи (порядка пКл и пА соответственно). По своей сути такие ИУ являются усилителями заряда. На рис. 2.19, а показана схема ИУ, преобразующего заряд ЧЭ в сигнал напряжения, а на рис. 2.19, б – ток ЧЭ в напряжение. В цепи обратной связи необходимо применять только пленочные конденсаторы, сопротивление утечки  которых должно быть очень высоким. Функция преобразования имеет вид:}

_{Датчик с токовым выходом представляет собой генератор тока с бесконечно большим внутренним сопротивлением, параллельно которому подсоединено сопротивление утечки . Разность потенциалов на входах ИУ практически равна нулю, и при получим выражение для функции преобразования:}

_{Достоинством схемы, представленной на рис. 2.19, б является независимость выходного сигнала от емкости ЧЭ. Поскольку для сопротивления обратной связи  должно выполняться требование  > 10 ГОм, вместо резистора часто используют специальные схемы (ОУ с положительной обратной связью и др).}