2.3. Измерительные усилите­ли

Для большинства параметрических дат­чиков характерно объединение ЧЭ с помощью суммирую­щих схем, в качестве которых, чаще всего, используются измерительные мосты, обладающие высокой линейностью и помехозащищенно­стью. Преобразование дифференциального выход­ного сигнала мостовой схемы в стандарт­ный уни­фицированный сигнал осуществляется с помощью измерительных усилителей (ИУ), содержа­щих дифференциальные первичные кас­кады.

Первые ИУ появились в сере­дине 60-х годов ХХ века, но по своим показателям они существенно уступали тран­зис­торным усилителям. Самой удачной разработкой явилась микросхема mA 709 фир­мы Fairchild, США, с которой началось первое поколение операционных уси­лителей (ОУ). В 1968 году появилась микросхема LM 101 фир­мы National Semi­conductor, ознаменовавшая появление ОУ второго поколения. Дальнейшее развитие шло по пути увеличения быстродействия и ста­биль­ности параметров. Первыми ОУ с про­грамми­руе­мы­ми свой­ствами были микросхемы LM 4250.

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

• постоянство коэффициента усиления K_u и его независимость от частоты и фазы входного сигнала;

• бесконечный коэффициент ослабления син­фаз­ного сигнала K_ос.сф;

• нулевые входное и выходное напряже­ния смещения;

• нулевой выходной импеданс.

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. 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 производится генератором тока (рис. 2.35). Входным сигналом  U_вх является разность напряжений на входах Вх₁ и Вх₂ схемы, выходным  U_вых - разность напряжений на выходах Вых₁ и Вых₂.

Напряжения с первого каскада поступают на второй, состо­ящий из инвертора и эмиттерного повторителя (рис. 2.36). Назначение это­го каскада заключается в преобразовании двух­фаз­ного сигнала с дифференциального усилителя в од­нофазный. Сигнал с Вых₂ инвертируется и вычитается из сигнала с Вых₁. Третий каскад ОУ используется для усиления сигнала и содержит эмиттерный повторитель, снижающий выходное сопротивление уси­лителя. Для увеличения K_u в схеме ОУ могут содержаться дополнительные каскады усиления.

ИУ является достаточно сложным прибором и его функционирование описывается большим количеством параметров. Отметим важнейшие из этих параметров и укажем диапазон их численных значений:

• коэффициент усиления  (K_u ~10³ ... 10⁸);

• коэффициент ослабления синфазных напряжений (K_ос.сф ~ 60 ... 120 дБ);

• напряжение смещения U_см, харак­те­ри­зующее несимметричность входного кас­када и равное напряжению, ко­торое надо подать на усилитель, что­бы сигнал на его выходе обратил­ся в нуль. (U_см ~ 10 ^-2 ... 10² мВ);

• входное (дифференциальное) сопротивление  R_вх, равное отношению изменения дифференциального напря­жения на входах ИУ к изменению входного тока.  (R_вх ~ 10⁴ ... 10⁹ Ом);

• частота единичного усиления f₁, опре­де­ляющая полосу пропускания ИУ, когда коэффициент  K_u = 1, т.е. усиление составляет 0 дБ. (f₁ достигает значения ~ 10⁵ ... 10⁸ Гц);

• выходное сопротивление R_вых (для схем с внутренней коррекцией не приводится).

В настоящее время промышленно выпускаются усилители самого разного назначения. Все их условно можно разделить на четыре группы. К первой относятся усилители общего применения, используемые в бытовой аппаратуре, звукозаписывающих устройствах и др. Вторую группу составляют прецизионные усилители (U_см < 0,1 мВ;  K_u > 10⁶). Их обычно включают в измерительные цепи датчиков. Быстродействующие (V_u > 100 В/мкс), применяемые в видеоустройствах входят в третью группу. Наконец к четвертой относятся усилители с особыми режимами мощности. Различают: микромощные, с током потребления менее 10 мкА и мощные, с током, передаваемым в нагрузку до 1А. Первые, как правило, используются в бортовых приборах, вторые в усилителях мощности.

При расчете схем на ИУ применяют модель иде­аль­ного ОУ. Для него характерны следующие свойства:

K_u = ¥, спад K_u  на высоких частотах с ростом частоты не круче 20 дБ (рис. 2.37а), R_вх  = ¥; и R_вых = 0.

На практике эти условия, естественно, недостижимы. Тем не менее, что для большинства режимов работы указанные допущения выполняются с приемлемой точностью, во всяком случае, погрешности, вносимые ИУ по крайней мере на два порядка ниже погрешностей ЧЭ и измерительной схемы [ ].

На рис. 2.37б представлена схема подключения обратной связи к ОУ. Для получения заданных параметров усилителя необходимо обеспечить требуемый K_u и сформировать соответствующую коррекцию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Эти требования определяются параметрами обратной связи ОУ. При использовании отрицательной обратной связи на вход ОУ поступает напряжение U_вх* равное:

U_вх* = U_вх - bU_вых,

причем  U_вых = K_u U_вх* = K_u (U_вх - b U_вых),

здесь b - коэффициент передачи напря­жения усилителя с цепью обратной связи.

Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью будет равен:

При K_u >> 1 (глубокая обратная связь) полу­чим K_{u ос} » 1/b,  т.е. коэффициент усиления 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  K_u.

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 фазо-частот­ные харак­те­­ристики усилителя по­добны характеристикам  датчиков 1 по­рядка:

и

где  - частота среза.

Напомним, что на этой частоте коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ, т.е. становится равным 0,707 своего низкочастотного значения, а от­ставание по фазе составляет 45^о (рис. 2.38).

АЧХ трехкаскадного ОУ имеет три излома на раз­ных частотах спада (рис. 2.37а). После первого на низшей частоте среза f_c АЧХ спадает на 20 дБ/дек, после второго - на 40 дБ/дек, после тре­тьего излома АЧХ имеет наклон 60 дБ/дек. Соответственно и фаза выходного сигнала после первого каскада отстает от фазы входного на 90⁰, после второго на 180⁰, после третьего на 270^о. Условием устойчивости ОУ с отрицательной обратной связью является отставание по фазе не более, чем на 120⁰. Поскольку АЧХ имеет три излома, то для обеспечения устойчивости работы ОУ требуется два корректирующих  RC-звена. В современных ОУ используется внутренняя частотная коррекция, а также внутренняя защита от перегрузок по выходу.

Чаще всего в качестве ИУ используются прецизионные ОУ. Наиболее распространены три схемы ИУ: простая дифференциальная, дифференциальная с буферными каскадами и прецизионная.

Самой известной схемой ИУ является простая дифференциальная схема (рис. 2.39). Она является базовой для мостовых измерительных схем. Для обеспечения одинакового усиления по прямому и инверсному входам схема содержит делитель напряжения R₃, R₄ на входе (+), выбираемый из условия R₁/R₂ = R₃/R₄ . Коэффициент усиления равен:

Здесь K_u - коэффициент усиления без ОС (K_u ® ¥).

Функция преобразования в этом случае апроксимируется зависимостью вида:

U_вых = (U_вх2 -U_вх1) R₂/R₁

Важнейшим свойством дифференциальной схемы является значительно уменьшения уровня наводок, действующих на все плечи моста. Эти наводки получили название синфазных помех.. Степень ослабления такого сигнала определяется коэффициен­том K_{ос сф}. В качестве примера рассмотрим уси­литель среднего класса К140 УД7 в дифференциальном включе­нии. Пусть величина сетевой наводки U* равна уровню полезного сигнала, U = U^* = 10 мВ. Определим величину выходного напряжения от измеряемого сигнала U_вых и помехи U_{вых сф}. Получим, при K_{u ос} = 10 (например, при R₁ = 1 кОм, R₂ = 10 кОм) и паспортном значении K_{ос сф} = 80 дБ (10000): U_вых = UR₂/R₁ = 100 мВ, U_{вых сф} = U^*R₂/R₁K_{ос сф} = 10 мкВ. Таким об­разом, вы­ходной сигнал от помехи ослаблен в 1000 раз.

Недостатком простой дифференциальной схемы является низкое вхо­­дное сопротивление:

R_{вх диф} = R₁+R₃ ,

R_{вх сф} = (R₁+R₂)÷÷ (R₃+R₄)

Для получения высокого входного напряжения, а также увеличения коэффициента усиления используется схема усилителя с буферными каскадами. Данная схема (рис. 2.40) представляет собой двухкас­кадный ИУ. Высокое R_{вх диф} обеспечивается использованием одноименных (+) входов усилителей. При этом, вход­ное сопротивление не зависит от коэффици­ента усиления. Первый каскад усиливает дифференциальный сиг­нал в (R₁+R₂+R₃)/R₁ раз, при единичном усилении син­фазной составляю­щей. Второй каскад усиливает сигнал в R₅/R₄ раз.

Суммарный . Обычно, он задается одним резистором R₁. Величина K_{u ос} достигает значений до l0000. Для обеспечения максимального K_{ос сф} выбирают R₄ R₇ = R₅ R₆ (в расчетах полагают R₂ = R₃, R₄ = R₆, R₅ = R₇).

В качестве примера выберем все резисторы, кроме одного равных номиналов: R_i = 25 кОм (где i = 2, 3, ... 7), R₁ = kR_i = 50 Ом. Тогда k = 1/500. Напряжение U_вых будет равно:

и K_{u ос} = 1001.

Если резистор R₁ отсутствует (k = ¥), K_{u ос} = 1.

Прецизионные ИУ, как правило, используются с конкретными измерительными схемами. Такой подход обеспечивает очень низкий уровень дрейфа и шума. Примером ИУ для мостовых схем является однокристальный программируемый уси­литель фирмы Ana­log De­vices (AD 624), представленный на рис. 2.41. Схема обладает следующими характеристиками: диапазон рабочих температур -40 ... +40 ^оС, максимальный входной сигнал 10 мВ, максимальное выходное напряжение 1 В, полоса частот сигнала 10 Гц. Мост изначально сбалансирован и смещение усилителя при Т = 20 ^оС равно нулю.

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

Основные технические характеристики промышленных ИУ приведены в табл. 2.8. Под ТК U_см обозначен тем­пературный коэффициент напряжения смещения.

Таблица 2.8.Примеры промышленных ИУ

Модель	Ku ос	Uсм, мкВ	ТК Uсм, мкВ/оС	Iвх, нА	Кос сф., дБ	Uип, В
К140 УД17	500	75	3	3,8	106	+ 15
К 140 УД24	1000	5	0,05	0,01	120	+ 5
AD 624С	1... 1000	2	0,25		110	+ 15

Примечание. Модель AD 624С разработана фир­мой Analog Devices, США.

Итак, мы рассмотрели основные элементы и принципы построения информационных устройств для робототехнических и мехатронных систем. Использование соответствующих ЧЭ, измерительных схем и усилителей позволяет строить эффективные датчики, которые широко используются в устройствах автоматики, станках, а также, в средствах измерения и неразрушающего контроля.