Усилители напряжения постоянного тока.

В устройствах автоматического управления, регулирования и контроля часто регистрируются величины, изменение которых во времени происходит чрезвычайно медленно, т.е. их частота составляет всего лишь единицы или даже доли герца. Для усиления таких медленно изменяющихся напряжений или токов необходимы усилители, полоса пропускания которых имеет нижнюю границу f_н = 0. Усилители, обладающие этим свойством, носят название усилителей постоянного тока (УПТ) независимо от того, какая из величин – ток или напряжение – подлежит усилению, а также независимо от значения верхней частоты рабочего диапазона частот. При этом необходимо подчеркнуть, что обычно основная информация заключается не в исходном постоянном напряжении, а в его последующих изменениях, не важно в каких, медленных или быстрых (с частотами до f_в).

Типичная АЧХ таких усилителей приведено на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1. Амплитудно-частотная характеристика УПТ.

При усилении слабых электрических сигналов одного каскада обычно оказывается недостаточно, поэтому приходится применять, как и в случае усилителя переменных сигналов, усилитель, состоящий из нескольких каскадов. Соединение каскадов между собой, не представляющее сложности в усилителях переменного напряжения, при усилении постоянного тока или напряжения сопряжено с преодолением больших сложностей. Это, прежде всего, обусловлено тем, что в усилителях постоянного тока для связи выхода предшествующего каскада с входом последующего не могут быть применены ни трансформаторы, ни разделительные конденсаторы. Поэтому единственной схемой межкаскадной связи, пригодной для усилителей постоянного тока прямого усиления, является схема гальванической связи. Т Такая связь вносит в усилитель постоянного тока ряд специфических особенностей, затрудняющих как построение усилителя, так и его эксплуатацию.

Усиление постоянных напряжений и токов можно осуществляется двумя принципиально различными методами: непосредственно по постоянному току и с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный. В соответствии с этим усилители постоянного тока делятся на два основных типа: усилители прямого усиления и усилители с преобразованием.

Проектирование принципиальной схемы измерительных усилителей.

Усилители обычно строятся по схеме - многокаскадного усиления с применением разнообразных видов местной и общей отрицатель­ной обратной связи для обеспечения стабильности коэффициента передачи и частотной характеристики.

Рисунок 1.2– Структурная схема измери­тельного усилителя.

Основой современных инструментальных усилителей обычно являются прецизионные ОУ, включенные по схеме инвертирующего (рисунок 1.2, а) или неинвертирующего усилителя (рисунок 1.2, б).

Рисунок 1.3 – Инвертирующий(а) и неинвертирующий(б) масштабный усилитель на ОУ.

Стабилизация коэффициента усиления в приведенных схемах осуществ­ляется отрицательной обратной связью. Допуская, что ОУ является идеальным выходное напряжение масштабных усилителей можно определить следующими выражениями:

–инвертирующего

(1.2)

–неинвертирующего

(1.3)

Представив выходное напряжение ДУ как сумму двух независимых вход­ных напряжений U1 и U2, с учетом формул (1.2) и (1.3), получаем:

+ (1.4)

Инструментальные усилители часто выполняются с дифференциальным входом и предназначены для усиления разности двух входных напряжений. В состав этих усилителей входит дифференциальный каскад, на прецизионном ОУ включенном по дифференциальной схеме (рисунок 1.4, а) — дифференци­альный усилитель (ДУ).

Рисунок 1.4 – Дифференциальный усилитель на ОУ(а); измерительный усилитель дифференциальным входом(б).

Если для схемы (рисунок 1.4, а) выполняется условие

(1.5)

усилитель становится дифференциальным и усиливает разность напряжений поступающих на входы:

(1.6)

Управление КУ может быть организовано следующими способами:

1) Каскад с ручной регулировкой усиления. Такое исполнение требует непосредственного вмешательства для изменения КУ.

2) Использование логарифмического входного усилителя может охватывать весь амплитудный диапазон сигналов. При этом вмешательство для изменения КУ не требуется, но динамический диапазон измерительной системы будет ограничен.

3) Перестраиваемый по цифровому интерфейсу входной каскад позволяет осуществить автоматизированную удалённую регулировку усиления, но требует для управления внедрения в линию передачи цифрового сигнала, что в целом может понизить точность измерения.

Наиболее часто используемая схема измерительного усилителя показана на рисунке 1.5.Измерительный усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель. Первый каскад — дифференциальный усилитель на двух взаимосвязанных неинвертирующих усилителях. Для повышения входного сопротивления входной каскад строят на двух отдельных (невзаимосвязанных) неинвертирующих усилителях. Второй каскад — дифференциальный инвертирующий усилитель. Буферные взаимосвязанные неинвертирующие усилители увеличивают входное сопротивление (импеданс) низкоимпедансного дифференциального инвертирующего усилителя. Резистор  — общий для обоих неинвертирующих усилителей.

Рисунок 1.5 – Схема усовершенствованного измерительного дифференциального усилителя.

.

Дифференциальный коэффициент усиления:

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов):

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения КОСС усилителя А3):

Общий КОСС измерительного усилителя в наихудшем случае (при сложении КСФ1 и КСФ1):

Выходное напряжение смещенияUсм.вых1,обусловленное напряжениями смещения ОУ (наихудший случай):

где

— входное напряжение смещения ОУ А1,

—входное напряжение смещения ОУ А2,

— входное напряжение смещения ОУ А3.

Выходное смещение , обусловленное входными токами смесмещения ОУ при

R4 = R6, и R5 = R7 (наихудший случай):

где ,,, — входные токи смещения А1 и А2 по

инвертирующему и неинвертирующему входам соответственно,

— разность входных токов смещения ОУ А3,

—выходное сопротивление источника,

—выходное сопротивление источника.

Общее выходное смещение (наихудший случай):

=

Очень важно обеспечить отвод входных токов со входов измерительного усилителя, так как в противном случае он входит в насыщение. Если источники сигналов не обеспечивают такого пути, например, когда входы развязаны по постоянному току, то необходимо подключить входы усилителя к земле через резисторы (рис. 4.8.2). Сопротивление R выбирается порядка 1 МОм или более; отметим, что элементы R и С образуют фильтр верхних частот, который должен пропускать самую низкую из частот входного сигнала.

Рисунок 1.6 – Отвод входных токов

Выходное смещение и дрейф выходного смещения в этой схеме обычно больше, чем в предыдущих, из-за большего числа ОУ. Для борьбы с этими нежелательными последствиями входные ОУ следует подбирать так, чтобы их дрейфы смещения были одинаковы. Номиналы резисторов обратной связи следует выбирать небольшими, чтобы уменьшить влияние колебаний входных токов смещения ОУ. Кроме того, в качестве усилителей А1 и A2 лучше использовать усилители с полевым входом, имеющие чрезвычайно малые входные токи. Влиянием входных токов смещения А1 и A2 при этом можно пренебречь. Изменять коэффициент усиления схемы можно, изменяя сопротивление резистора Я1 , это не сказывается на входном импедансе и КОСС схемы; однако, пропорционального управления усилением таким способом добиться нельзя. При выборе значений резисторов целесообразно сосредоточить все усиление в первом каскаде усилителя (ОУ А1 и A2), поскольку именно он обеспечивает максимальное

усиление дифференциального входного сигнала по отношению к синфазному сигналу. Коэффициент передачи каскада на А3, можно установить равным единице, выбирая R4 = R5 = R6 = R7. При этом лучше использовать резисторы в одном корпусе, чтобы обеспечить точное согласование сопротивлений и их равный дрейф при изменениях внешних условий. Однако при установке слишком большого коэффициента усиления первого каскада усилители А1 и A2 могут войти в насыщение, что ограничит диапазон синфазного входного напряжения усилителя.

Примечание: схеме Современная технология позволяет разместить (упаковать) все элементы схемы, в одной интегральной. При этом все резисторы, кроме резистора , выполнены в интегральном исполнении и находятся внутри интегральной схемы. Резистор (в английском варианте ) подключается к специальным выводам корпуса микросхемы , обозначенным как .

Рисунок 2.1 – Современные усовершенствованные интегральные микросхемы инструментальных усилителей.