Инструментальный усилитель на ОУ. Принцип работы

Есть изобретения, которые гениальны в своей простоте. Инструментальный усилитель является одним из них. Он работает также как и дифференциальный усилитель, но свободен от его недостатков, сохраняя при этом простоту схемы.

Название инструментальный усилитель происходит от английского Instrumentation Amplifier. В отечественной литературе его также именуют измерительный усилитель.

Инструментальный усилитель широко используются в различных измерительных устройствах из-за нескольких очень полезных свойств, которых другие усилители не имеют.

Самым большим плюсом является возможность регулировки усиления при помощи всего одного резистора! Просто используя один обычный потенциометр (желательно с логарифмической характеристикой), можно быстро изменять коэффициент усиления в зависимости от потребности.

Кроме того, инструментальные усилители легко «скрещиваются» с цифровыми системами, давая поразительные возможности. Примером такого симбиоза аналоговой и цифровой техники являются усилители с программно регулируемым коэффициентом усиления.  Существуют интегрированные инструментальные усилители с интерфейсом I2C или SPI, которые можно легко комбинировать с любым микроконтроллером.

Идя дальше по этому пути, мы можем построить инструментальный прибор, который будет автоматически изменять усиление и диапазоны, чтобы всегда иметь наилучшее разрешение при измерении.

Еще одним преимуществом инструментального усилителя является его высокое входное сопротивление, так как сигналы мы подаем прямо на входы микросхем, не обременяя их дополнительными резисторами. Данный вид усилителя также имеет очень хороший коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR), то есть хорошо подавляет общий сигнал, усиливая только разницу между входными сигналами.

Давайте посмотрим схему инструментального усилителя. Состоит она из трех операционных усилителей и семи резисторов.

Инструментальный усилитель на ОУ

Потенциометр RP регулирует усиление. Чем больше его сопротивление, тем усиление меньше. Если из схемы убрать этот резистор, оставив разрыв в цепи, то усиление составит 1 (тогда входные усилители станут обычными повторителями напряжения), а работа системы будет ограничиваться только вычитанием входных сигналов.

Как это работает? Обратите внимание, что резисторы R1-RP-R1 образуют делитель напряжения. Что мы можем сказать об этом и что мы можем считать само собой разумеющимся?

Начнем с напоминания себе первого фундаментального правила, которое уже неоднократно цитировалось при обсуждении других схем на операционных усилителях:

 Правило №1 - операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Таким образом, если напряжения на входах равны, то напряжение на одной ножке RP равно напряжению U1, а на второй равно U2. Посчитав разницу напряжений U1 и U2 мы узнаем, какое падение напряжения происходит на резисторе RP.

Далее, из закона Ома вычислим, какой ток течет через него.

Теперь вспомним еще одно правило:

Правило №2 - входы усилителя не потребляют ток

Таким образом, ток, протекающий через RP течет также через оба резистора R1, в результате чего очевидно возникновение напряжения на их ножках, в соответствии с законом Ома.

Выполнив несколько простых вычислений, мы можем узнать выходные напряжения верхнего и нижнего операционного усилителя. А что с правой стороной схемы? Это обычный дифференциальный усилитель.

Мы можем добавить дополнительную регулировку усиления, как и в дифференциальном усилителе, незначительно изменив схему и добавив резисторы R2 и R3. Таким образом, мы получаем дополнительный множитель или делитель, в зависимости от того, что нам нужно.

instrumentalnyj-usilitel-na-ou-princip-raboty-2

Хотя на схеме видно три операционных усилителя, на практике инструментальный усилитель не строят из традиционных операционных усилителей и резисторов. Существуют готовые микросхемы, у которых все это уже есть внутри, кроме, конечно, переменного резистора RP. Интеграция всех элементов в одном корпусе имеет дополнительное преимущество – монолитный чип является, безусловно, более стабильным в температурном плане. Кроме того, сопротивления резисторов в чипе гораздо точнее обычных резисторов.

И в заключении приведем некоторые модели микросхем инструментального усилителя:

  • AD8221 - хорошие параметры за низкую цену
  • AD8222 - две инструментальных усилителя в одном корпусе
  • AD8226 - с малым потреблением тока
  • AD8220 - вход JFET
  • AD8228 - хорошая регулировка усиления
  • AD8295 - два дополнительных прецизионных операционных усилителя
  • AD8429 - низкий уровень шума

редактор

1 комментарий

  • 12.07.2017 в 19:03

    Хорошая статья, спасибо! Хорошо пишете :)

    Ответить

Добавить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.

*