Тема №2 Прецизни усилватели. Интегрални прецизни усилватели. Измервателни (инструментални) усилватели. Изолиращи усилватели с трансформаторно и оптронно развързване

Поради тази причина прецизните ОУ се използват при изграждането на измервателни (инструментални) усилвателни схеми. Прецизните усилватели са представени в широка гама интегрални схеми. Те се различават по стойността на специфични параметри, характерни за определена област на приложение.

Инструменталните усилватели потискат входните синфазни напрежения, поради което са много подходящи за усилване на слаби сигнали от сензори на фона на силни синфазни смущения. За разлика от тях, ако към входа на инвертиращ или неинвертиращ усилвател се подаде синфазен сигнал, той се появява на изхода без затихване.

На фигура 1 е показан диференциален усилвател с един ОУ. Тази схема осигурява функцията на инструментален усилвател, като усилва разликата U_in=V₂ - V₁ и потиска синфазните смущения.

фигура 1 - Диференциален усилвател с един ОУ

При условие, че ОУ е идеален, напреженията на двата входа на ОУ са равни (v^- = v⁺). Тогава за входните напрежения получаваме съответно:

След приравняване на последните две уравнения, за изходното напрежение получаваме:

Ако е изпълнено отношението (условие за баланс на резисторите):

Формулата за изходното напрежение се опростява до:

Тогава за коефициента на усилване се получава:

R_g||R₂=R_F||R₁

В голяма част от практическите схеми, резисторите се подбират така че да изпълняват и двете условия едновременно (R_g=R_F; R₁=R₂).

Входното съпротивление на схемата за инвертиращия и неинвертиращия вход е съответно:

R_i⁺ =R_g+R₂;

R_i^- =R₁;

1. 
   Подтиска се влиянието на входния сигнал
   
2. 
   Прилага се тестово напрежение в изхода на усилвателя
   
3. 
   Стойността на изходното съпротивление на ОУ се взима в предвид.
   

На фигура 2 е показана еквивалентната схема за изчисляване на изходното съпротивление на инвертиращ усилвател с ОУ.

фигура 2 - Еквивалентна схема за изходно съпротивление

Съгласно първи закон на Кирхоф: i_test = i_Ro + i_RG .

От тук следва извеждането на стойностите за двете компоненти на тестовия ток съгласно закона на Ом:

1. 
   i_RG = u_test / (R_F + R_G)
   
2. 
   i_Ro = (u_test - A(v⁺ - v^-)) / R_O; v⁺ = 0 => i_Ro = (u_test + Av^-) / R_O
   
3. 
   v^- = i_RGR_G
   

От където получаваме израза за изходното съпротивление на схемата:

Тъй като R_O е значително по-малко от R_F + R_G, то отношението R_O / (R_F + R_G) има много малка стойност и за опростяване на израза бихме могли да го пренебрегнем. Така получаваме израза за изходното съпротивление на схемата във следния вид:

Отношението АR_G / (R_F + R_G) >>1, поради което изразът може да се опрости още малко:

При подаване на синфазен сигнал (V₁=V₂=V_iCM), ако е изпълнено точно условие за баланс на резисторите, то съгласно уравнението за изходното напрежение на схемата в изхода на усилвателя напрежението ще е нула (V_oCM=0). Тогава за да се осигури голямо подтискане на синфазните сигнали е необходимо резисторите в схемата да се изберат с минимален производствен толеранс. Стойността на коефициента на подтискане на синфазните сигнали на схемата CMRR_d, зависи едновременно от подбора на резисторите (коефициента на подтискане на синфазните сигнали поради несъгласуваност CMRR_Δ) и от коефициента на подтискане на синфазните сигнали на самия ОУ (CMRR_OA):

CMRR_d = (CMRR_Δ x CMRR_OA) / (CMRR_Δ + CMRR_OA)

Както се вижда с тази схема трудно може да се постигне голям коефициент на подтискане на синфазните сигнали. Коефициентът на усилване също се променя трудно поради ограниченията от условията за баланс на резисторите.

Въпреки тези ограничения диференциалните усилватели намира широко приложение в изграждането на не много прецизни устройства, главно заради простотата на изпълнението си.
Значително по-добри параметри могат да се постигнат от схемите на същинските инструментални усилватели. На фигура 3 е показан основната схема на инструментален усилвател с три ОУ.

фигура 3 - Инструментален усилвател с 3 ОУ

По същество схемата е изградена от входно и изходно стъпало. Изходното стъпало представлява диференциален усилвател като разгледаният по-горе. Входното стъпало е изградено от два симетрични неинвертиращи усилвателя.

Ако приемем усилвателите във входното стъпало за идеални, то тогава U_in=U_Rgain;

Тогава I = U_in /R_gain; Oт където следва че изходното напрежение за входното стъпало е U_o1=(2R₁+R_gain)I

Коефициента на усилване на входното стъпало е:

A_u1= U_o1 / U_in = 2R₁+R_gain / R_gain =1+2R₁/ R_gain;

Тъй като входното и изходното стъпало в схемата са свързани верижно, то общият коефициент на усилване се получава като произведение от коефициентите на усилване на двете стъпала:

А_u=A_u1A_u2=(1+2R₁/ R_gain) R₃ / R₂;

При необходимост усилването може да се изменя само с промяната на R_gain, без това да повлияе на симетрията на схемата.

Тъй като всяко рамо от входното стъпало е на практика неинвертиращ усилвател, то входното съпротивление за всеки от входовете е същият като при неинвертиращ усилвател:

Изходното съпротивление се определя както при диференциалният усилвател:

Ако към входовете на схемата се приложи синфазен сигнал, то U_in=U_Rgain = 0; => I=0; От тук следва, че напреженията върху R₁ резисторите също ще бъде нула, поради което в изхода на всеки един от входните ОУ ще се появи U_iCM. Следователно входното стъпало действа като повторител за синфазните сигнали (A_uCM=1).

Следователно CMRR₁=А_u1 / A_uCM ; т.е. CMRR ще е толкова голям колкото е усилването на входното стъпало.

Коефициентът на подтискане на синфазните сигнали за цялата схема е:

CMRR_in-amp =А_u1А_u2 / A_CM1A_CM2 = A_u1CMRR_d = A_u1 (CMRR_Δ x CMRR_OA) / (CMRR_Δ + CMRR_OA)

Където CMRR_d е коефициента на подтискане на синфазните сигнали на диференциалния усилвател.

Предаването на информацията от входното към изходното стъпало на усилвателя обикновено се използват два метода - модулация и демодулация (приложим и за двата вид връзка) и линеаризираща обратна връзка (използван в усилвателите с оптична връзка).

фигура 4 - Структура на изолиращ усилвател с трансформаторна връзка

Захранващия блок осигурява необходимата мощност за работа на двете стъпала, като запазва галваничното разделяне на схемата посредством двата трансформатора Т2 и Т3.

Основните предимства на изолиращите усилватели с трансформаторна връзка са добрата линейност на изходния сигнал високата точност на коефициента на усилване. Недостатък е сравнително тясната честотна лента на работа и по-големите размери на ИС спрямо тези без галванично развързване.
Изолиращи усилватели с оптронно развързване.
За получаване на по-широка честотна лента и висока скорост на предаване в практиката се използват изолиращи усилватели с оптронно развързване. Опростената принципна схема на такъв тип усилвател с диференциален оптрон е показана на фигура 5.

фигура 5 - Изолиращ усилвател с оптронно развързване