Электроника:Полупроводники/Операционные усилители/Инструментальный (измерительный) усилитель

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Инструментальный (измерительный) усилитель

Что такое инструментальный усилитель?

Инструментальный (измерительный) усилитель позволяет инженеру-электронщику регулировать коэффициент усиления схемы усилителя, не изменяя номинал только одного из резисторов. Сравните это с дифференциальным усилителем, который мы рассмотрели ранее, который обычно предполагает настройку номиналов нескольких резисторов. Так называемый инструментальный усилитель разработан на основе последних версий дифференциального усилителя, чтобы дать нам такую возможность:

Рис. 1. Схема инструментального (измерительного) усилителя.

Анализ схемы инструментального усилителя

Эта внушающая трепет схема построена из каскада дифференциального усилителя с буферизацией с тремя резисторами, соединяющими две буферные схемы вместе. Будем рассматривать все резисторы (кроме R_{Усилит.}), как имеющие одинаковые номиналы R.

Отрицательная обратная связь от верхнего левого ОУ вызывает напряжение в точке 1 (сверху от R_{Усилит.}), равное V₁. Аналогичным образом, напряжение в точке 2 (снизу от R_{Усилит.}) поддерживается на уровне, равном V₂. Это устанавливает падение напряжения на R_{Усилит.}, равное разнице напряжений между V₁ и V₂. Это падение напряжения вызывает ток через R_{Усилит.}, и поскольку контуры обратной связи двух входных операционных усилителей не потребляют ток, то же самое количество тока через R_{Усилит.} должно проходить через два резистора «R» над и под ним.

Это вызывает падение напряжения между точками 3 и 4:

Рис. 2. Падение напряжения на участке, содержащем 3 буферных резистора.

Обычный дифференциальный усилитель на правой стороне схемы принимает это падение напряжения между точками 3 и 4 и усиливает его с коэффициентом усиления, равным 1 (снова предполагаем, что все резисторы «R» имеют одинаковый номинал).

Преимущества инструментального усилителя

Хотя это выглядит громоздким способом создания дифференциального усилителя, он имеет явные плюсы в виде чрезвычайно высоких входных сопротивлений на входах V₁ и V₂ (поскольку подключаются прямо к неинвертирующим входам соответствующих операционных усилителей) и регулируемое усиление, которое может быть установлено всего одним резистором.

Слегка видоизменив приведённую выше формулу, получим общее выражение для общего коэффициента усиления по напряжению в инструментальном усилителе:

Рис. 3. Общий коэффициент усиления по напряжению в инструментальном усилителе.

Хотя это и не очевидно, но если взглянуть повнимательнее на схему, то станет заметно, что возможно изменить дифференциальный коэффициент усиления инструментального усилителя просто путём изменения значения одного резистора: R_{Усилит.}.

Да, мы всё ещё можем изменить общий коэффициент усиления, изменив значения некоторых других резисторов, но это потребует изменения сбалансированного значения резистора, чтобы схема оставалась симметричной. Обратите внимание, что наименьшее возможное усиление в приведённой выше схеме достигается при полностью разомкнутом R_{Усилит.} (бесконечное сопротивление), и это значение усиления равно 1.

Итог

• Инструментальный усилитель является дифференциальной схемой ОУ, сочетающий высокий входной импеданс с лёгкостью регулировки усиления посредством изменения номинала всего одного резистора.