Основные сведения об инструментальных усилителях.

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель, электрометрический вычитатель) — это тип дифференциального усилителя с характеристиками, подходящими для использования в измерениях и тестирующем оборудовании. Такие усилители применяются в качестве предварительных усилителей слабых сигналов постоянного и переменного токов. Основная задача – это точность передачи входного сигнала от источника к последующей схеме преобразования.

В инженерной практике реальные устройства, как правило, заменяют­ся некоторыми идеализированными моделями, что дает возможность более наглядно представить себе пути решения поставленной задачи. Мо­дель может не отражать всех свойств реального объекта, но, во всяком случае, даст возможность определить, какие ее параметры нуждаются в уточнении.

Итак, идеальный измерительный усилитель обладает следую­щими характеристиками: постоянный коэффициент усиления, не завися­щий от времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки, температуры и влажности; бесконечный коэффициент подавле­ния синфазного напряжения и изменений напряжения питания; нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфы этих смещений, а также нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, от­даваемого усилителем в нагрузку. Обычно инструментальный усилитель служит первым каскадом измерительной или преобразовательной схемы, где основным требованием является точность. Во многих случаях входной сигнал подается на измерительный усилитель с мостовой схемы или дат­чика, преобразующих неэлектрическую величину в аналоговый электри­ческий сигнал. Основные проблемы, которые приходится решать разра­ботчику при усилении этого сигнала для обработки последующими кас­кадами, связаны с подавлением шумов и нестабильностью коэффициента усиления при воздействии внешних факторов.

Основные характеристики усилителя.

Основой современных инструментальных усилителей обычно являются прецизионные ОУ, включенные по схеме инвертирующего или неинвертирующего усилителя.

Операционных усилителей.

Современный операционный усилитель (ОУ) представляет собой микросхему, которая включает в себя несколько каскадов усиления сигнала, при этом между каскадами отсутствуют разделительные конденсаторы, т.е. существует непосредственная гальваническая связь между последовательной цепочкой каскадов усиления. Такие усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами называют усилителями постоянного тока (с таким же основанием можно было бы также назвать их усилителями постоянного напряжения, однако это не является общепринятым). В таких усилителях приращение постоянного напряжения на входе вызывает приращение постоянного напряжения на выходе , усиленное в некоторое количество раз, которое равно коэффициенту усиления , т.е.

Операционный усилитель имеет очень большой коэффициент усиления порядка (). Такая величина усиления, как правило, слишком велика для обычного усилительного каскада. Для того чтобы построить схему усилителя с заданным коэффициентом усиления, к операционному усилителю подключают цепь отрицательной обратной связи. Сигнал по цепи отрицательной обратной связи поступает с выхода ОУ на его вход в противофазе с входным сигналом (со знаком минус) и, следовательно, вычитается из него. Отрицательная обратная связь (ООС) уменьшает коэффициент усиления схемы до необходимой заданной величины. Кроме того, как будет показано ниже, ООС стабилизирует коэффициент усиления, а также снижает нелинейные искажения сигнала, порожденные усилительными каскадами.

Упрощенная блок-схема внутреннего строения О.У. приведена на рис. 1.1. Входной каскад О.У. - это всегда дифференциальный усилитель, который как известно, имеет два входа. Соответственно и операционный усилитель имеет два входа, которые получили названия: «инвертирующий вход» и «неинвертирующий вход». Входной сигнал можно подавать на любой из этих двух входов. Различие состоит в том, что при подаче положительного приращения напряжения на неинвертирующий вход мы получим на выходе положительное (неинвертированное) приращение напряжения, а при подаче положительного приращения напряжения на инвертирующий вход мы получим на выходе отрицательное (инвертированное) приращение напряжения.

Рис.1.1. Блок- схема внутренней структуры операционного усилителя.

После входного дифференциального каскада следует второй усилительный каскад. Это может быть как дифференциальный каскад, так и каскад с общим эмиттером. При построении О.У. часто применяют каскады с активной нагрузкой для получения максимального усиления в одном каскаде. В схеме О.У. имеется также специфический каскад сдвига уровня постоянного напряжения. Задача этого каскада заключается в том, чтобы сбалансировать распределение напряжений в схеме таким образом, чтобы при нулевых напряжениях на входах усилителя выходное напряжение также было бы равно нулю. После каскадов основного усиления и каскада сдвига уровня следует выходной (оконечный) каскад, который имеет низкое выходное сопротивление. В качестве выходного каскада нередко применяют эмиттерный повторитель, который характеризуется низким выходным сопротивлением.

При применении О.У. для построения разнообразных схем не обязательно знать его внутреннее устройство, электрическую схему, технологию его изготовления. ОУ обычно рассматривают как некоторый компонент схемы - активный электронный прибор, обладающий некоторым набором свойств, и характеризующийся некоторым набором параметров, которые приводятся в справочниках.

Операционный усилитель обозначают на принципиальной электронной схеме в виде треугольника с выводами, как это показано на рис.1.2.

Выводы входов и выхода обязательно изображают на чертеже, их назначение очевидно: ввод и вывод сигналов, подключение цепей обратной связи.

Выводы питания иногда не изображают, подразумевая, что они существуют и подключены к источникам питания обычным стандартным образом.

Выводы «частотная коррекция» служат для подключения цепочек, корректирующих амплитудно - частотную и фазово-частотную характеристики О.У. с целью обеспечения его устойчивой работы в определенном диапазоне значений коэффициентов обратной связи. В некоторых типах усилителей выводы отсутствуют. Такие усилители имеют внутреннюю коррекцию, встроенную в саму микросхему, и не требуют внешних корректирующих цепей. Если же микросхема имеет выводы «частотная коррекция», то параметры корректирующей цепи и схема подключения элементов корректирующей цепи обычно приводятся в справочниках.

Рис.1.2. Обозначение операционного усилителя на схеме. Выводы ОУ.

Выводы «балансировка» предназначены для подключения выводов потенциометра (т.е. переменного сопротивления). При этом центральный вывод потенциометра подключается к источнику питания. Индивидуальные рекомендации по подключению цепи «балансировка» даются в справочнике для конкретной микросхемы. Конечная цель балансировки обычно состоит в том, чтобы достичь установки нулевого постоянного напряжения на выходе ОУ при нулевой разности постоянных напряжений на входах ОУ. В некоторых типах усилителей выводы «балансировка» могут отсутствовать, в особенности, если в одном корпусе размещено несколько микросхем ОУ и количества ножек, т.е. контактов корпуса, достаточно лишь только для размещения цепей питания, входов и выходов операционных усилителей.