Измерительные усилители на основе ОУ

6.1.1. Помехи общего и нормального вида

Измерительным усилителем называется дифференциальный (усиливающий разность входных напряжений) усилитель с высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала, предназначенный для усиления дифференциальных сигналов, поступающих от первичных измерительных преобразователей.

Выходной сигнал ИУ может быть искажен из-за действия помех. Различают помехи общего вида (продольные), которые действуют между каждым из входов измерительного усилителя и земляной шиной, и помехи нормального вида (поперечные), которые действуют между входами измерительного усилителя.

По требованиям техники безопасности источник входного сигнала и измерительный преобразователь должны быть заземлены.

Напряжение помехи общего вида U_ов обычно возникает из-за наличия разности потенциалов между точками заземления источника сигнала и ИУ вследствие генерации помех от заземленных силовых установок. Иногда также наличие помехи U_ов обусловлено гальванической или емкостной связью источника сигнала с какой-либо точкой ИУ.

Рис. 6.1. Эквивалентная схема действия помех общего и нормального вида:
ИС – источник сигнала; ИУ – измерительный усилитель; Z_СВ1, Z_СВ2 – комплексные сопротивления линий связи; Z_ВХ1, Z_ВХ2 – комплексные сопротивления входов ИУ; U_ОВ – помеха общего вида; U_НВ – помеха нормального вида; Z_п – комплексное внутреннее сопротивление источника помехи U_ОВ

На практике U_ОВ часто имеет как постоянную, так и переменную составляющие.

Напряжение помехи нормального вида U_НВ возникает главным образом из-за электромагнитных наводок и наличия паразитных термоЭДС. Кроме того, разбаланс сопротивлений входных цепей ИУ
(Z_вх1 ≠ Z_вх2) и асимметрия линий связи ИУ с ИС (Z_св1 ≠ Z_св2), которые могут возникнуть за счет изменения температуры, наличия емкостных и индуктивных связей с окружающими предметами, приводят к тому, что помеха общего вида проникает во входную цепь и действует так же, как и помеха нормального вида.

Эквивалентная схема влияния помехи общего вида на дифференциальный вход ИУ с учетом Z_{вых.дифИС} = 0; Z_{вх.диф ИУ} = ∞; Z_п = 0;
Z_вх1 >> Z_св1; Z_вх2 >> Z_св2 показана на рис. 6.2.

Для предотвращения проникновения части помехи U_ов на дифференциальный вход ИУ применяют:

1) введение в одну из линий связи корректирующего контура для согласования полных сопротивлений Z_св1 и Z_св2 на частоте помех;

2) гальваническое разделение ИУ и ИС с помощью разделительного трансформатора (для сигналов переменного тока) или с помощью конденсатора, поочередно коммутируемого к выходу ИС и ко входу ИУ (для сигналов постоянного тока).

Рис. 6.2. Эквивалентная схема влияния помехи общего вида

,

,

Для подавления напряжения помехи U_НВ, приложенной последовательно с полезным сигналом, могут предприниматься следующие меры:

1) экранирование линий связи;

2) частотная фильтрация полезного сигнала (в случае, если полезный сигнал и помеха имеют различные частоты);

3) фазочувствительное выпрямление полезного сигнала (в случае, если полезный сигнал и помеха – одной частоты).

Измерительный усилитель должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) для усиления даже малого дифференциального сигнала при одновременном подавлении помехи общего вида. КОСС измерительного усилителя как функционального блока определяется аналогично КОСС операционного усилителя (рис. 6.3):

,

где – коэффициент усиления дифференциального сигнала;
– коэффициент усиления синфазного сигнала.

Рис. 6.3. Определение КОСС измерительного усилителя: U_ИС – полезный сигнал; U_НВ – помеха нормального вида; U_ОВ – помеха общего вида

В зависимости от типа датчика требуемый КОСС_ИУ должен составлять 40…120 дБ (10²…10⁶ раз). Например, для таких применений, как усиление сигналов тензодатчиков и термопар, необходим КОСС_ИУ порядка 100…120 дБ.

6.1.2. Дифференциальный усилитель на ОУ

Схема дифференциального усилителя (ДУ) на операционном усилителе показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Схема дифференциального усилителя на ОУ

При соблюдении условия:

, (6.1)

Коэффициент усиления дифференциального сигнала схемы:

.

Основными источниками погрешностей в схеме ДУ являются:

1) погрешность, вызванная неточностью соблюдения соотношения резисторов (6.1);

2) погрешности, вызванные напряжением смещения и входными токами ОУ;

3) погрешность, вызванная конечным коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) ОУ.

1. Для обеспечения высокого КОСС_ДУ необходимо использовать прецизионные резисторы R₁…R₄. При этом следует учитывать разбаланс данных сопротивлений, возникающий за счет конечного сопротивления источников сигналов U_вх1 и U_вх2.

Погрешность схемы ДУ от входных токов операционного усилителя минимизируется при выборе R₁ = R₃ и R₂ = R₄. Кроме того, для уменьшения абсолютной и приведенной погрешностей ДУ целесообразно по возможности уменьшать сопротивления R₁ и R₂.

2. В процессе начальной регулировки ИУ обычно производят устранение аддитивной погрешности ОУ путем его балансировки при нормальных условиях эксплуатации. После этого аддитивная погрешность будет вызываться в основном температурным дрейфом напряжения смещения ТКU_CM и разности входных токов ТКΔi_вх:

,

где – изменение температуры окружающего воздуха по отношению к нормальной температуре.

3. В качестве ОУ в схеме ДУ следует использовать ОУ с высоким КОСС, например: К153УД5А (аналог – μA725) – 100 дБ, К140УД17 (аналог – OP07E) – 110 дБ, К140УД13 – 90 дБ, К140УД14 (аналог – LM108) – 85 дБ.

Все рассмотренные погрешности в той или иной степени влияют на суммарную погрешность ДУ. При использовании прецизионного ОУ с высоким КОСС, а также прецизионных резисторов
(разброс < 1 %) можно достичь КОСС_ДУ около 60 дБ.

6.1.3. Схема ДУ с регулировкой коэффициента усиления
на дополнительном ОУ

Недостатком схемы ДУ является сложность регулировки коэффициента усиления (необходимо одновременно изменять R₂ и R₄ в равном процентном соотношении). Для более эффективной регулировки ДУ может быть дополнен повторителем с резистивным делителем (рис. 6.5).

В схеме на рис. 6.5 коэффициент усиления определяется по формуле:

.

Задаваясь одним из сопротивлений R₅ или R₆, при помощи другого можно регулировать коэффициент усиления. Из соображений линейности регулировки предпочтительно использовать сопротивление R₆.

Рис. 6.5. Схема дифференциального усилителя с регулировкой коэффициента усиления на дополнительном ОУ

На опорный вывод ДУ на ОУ1 подается смещающий потенциал величиной . С учетом этого, пользуясь методом наложения, можно записать:

;

;

;

;

.

Задаваясь одним из сопротивлений R₅ или R₆, при помощи другого можно регулировать коэффициент усиления. Из соображений линейности регулировки предпочтительно использовать сопротивление R₆.

Схема имеет ограничение по максимальному выходному напряжению:

.

6.1.4. Измерительный усилитель на одном ОУ с регулировкой коэффициента усиления

В случае, когда необходимо использовать дифференциальный вход и иметь возможность регулировки усиления по напряжению, можно использовать схему, показанную на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема измерительного усилителя на одном ОУ с регулировкой
коэффициента усиления (I – общий ток, протекающий в цепи от φ₂ до φ₁)

По методу узловых потенциалов для φ₁ и φ₂ запишем:

Вычтем из (1) (2) с учётом U­ ^– = U⁺ :

;

; (*)

Так как входные токи ОУ малы, можно считать, что участок цепи от φ₂ до φ₁ обтекается одним и тем же током I.

Поэтому справедливо:

Вычтем из (3) (4) с учётом U ^– = U ⁺:

;

.

Подставим полученное выражение в (*):

;

,

где ρ < 1 – коэффициент, соответствующий углу поворота движка потенциометра R₂.

При изменении ρ в диапазоне 0…1 знак выходного напряжения не изменяется.

Недостатком схемы является то, что введенная цепь регулировки усиления дополнительно ухудшает КОСС_ИУ.

6.1.5. Измерительный усилитель на двух ОУ без синфазного

сигнала на входах ОУ

На рис. 6.7 показана схема измерительного усилителя на двух ОУ без синфазного сигнала на входах ОУ. В данной схеме ОУ1 работает как инвертирующий усилитель, а ОУ2 – как инвертирующий сумматор.

Рис. 6.7. Схема измерительного усилителя на двух ОУ
без синфазного сигнала на входах ОУ

Подставляем (1) в (2):

.

При соблюдении условия

,

;

.

Коэффициент усиления можно регулировать при помощи резистора R₄.

Достоинства схемы:

1) ОУ1 и ОУ2 работают без синфазного сигнала на входах (инвертирующий усилитель нечувствителен к КОCС ОУ);

2) в этой схеме можно значительно увеличить синфазное входное напряжение. Ограничения только следующие:

,

.

Недостатки схемы:

1) выходные сопротивления источников U_вх1 и U_вх2 влияют на коэффициент усиления схемы и снижают КОСС_ИУ;

2) низкое входное сопротивление (R₁ для источника сигнала U_вх2 и R₅ для источника сигнала U_вх1);

3) плохие частотные свойства, так как сигналы U_вх1 и U_вх2 попадают в точку суммирования с разной задержкой. При измерении ВЧ-сигналов необходимо выбирать ОУ1 и ОУ2, имеющие высокую скорость нарастания выходного сигнала ( );

4) различная глубина ООС усилителей ОУ1 и ОУ2, что также ухудшает частотные свойства.

6.1.6. Измерительный усилитель на двух ОУ с высоким входным сопротивлением

На рис. 6.8 показана схема измерительного усилителя на двух ОУ с высоким входным сопротивлением.

Рис. 6.8. Схема измерительного усилителя на двух ОУ с высоким
входным сопротивлением

По методу узловых потенциалов для входных узлов запишем:

Из (2):

,

подставляем в (1):

При соблюдении условия

, (6.2)

.

Достоинства схемы:

1) высокое входное сопротивление;

2) КОСС этой схемы определяется точностью соблюдения соотношения (6.2) и от R₁ не зависит. R₁ можно использовать для регулировки коэффициента усиления схемы .

3) на свободный вывод R₅ вместо земли можно подавать опорный потенциал для смещения выходного сигнала;

4) несимметрия внутренних сопротивлений источников сигнала U_ВХ1 и U_ВХ2 не влияет на КОСС_ИУ.

Недостатки схемы:

1) различное быстродействие по входам 1 и 2;

2) различная глубина ООС усилителей ОУ1 и ОУ2, что сужает рабочий диапазон частот схемы.

В этой схеме следует также предусматривать путь для протекания постоянного тока с неинвертирующих входов ОУ1 и ОУ2 при наличии емкостной связи между ними и источниками сигналов U_вх1 и U_вх2.

6.1.7. Измерительный усилитель на основе трех ОУ

(классическая схема инструментального усилителя)

Схема измерительного усилителя на основе трех ОУ показана на рис. 6.9.

Рис. 6.9. ИУ на основе трех ОУ
(классическая схема инструментального усилителя)

Рис. 6.10. Эквивалентная схема для определения k_д первого каскада ИУ на основе трех ОУ

;

С учетом второго дифференциального усилительного каскада, реализованного на ОУ3, общий коэффициент усиления равен:

.

Достоинства схемы:

1) высокое входное сопротивление, что ведет к ослаблению влияния внутренних сопротивлений источников сигнала U_вх1 и U_вх2 на КОСС_ИУ;

2) возможна регулировка одним резистором r без влияния на КОСС_ИУ;

3) глубина ООС ОУ1 и ОУ2 одинакова и неизменна при регулировке .

В данной схеме относительный уровень синфазной составляющей сигналов U₁' и U₂', присутствующих на входе 2-го каскада
(на ОУ3), меньше, чем относительный уровень синфазной составляющей во входных сигналах U_вх1 и U_вх2. Для доказательства этого определим КОСС₁первого каскада на ОУ1 и ОУ2 (см. рис. 6.9):

КОСС₂ второго каскада на ОУ3 определяется точностью реализации соотношения резисторов n и КОСC самого ОУ3. Требования к точности соблюдения соотношения резисторов n менее жесткие за счёт того, что синфазный сигнал на входе второго каскада имеет меньший относительный уровень, чем на входе схемы. ОУ1 и ОУ2 должны выбираться с высоким КОСC.

Смещение выходного сигнала в данной схеме можно осуществить, подавая опорный потенциал на нижний вывод резистора nR, подключенного к неинвертирующему входу ОУ3. При наличии емкостной связи между источниками сигнала и неинвертирующими входами ОУ1 и ОУ2 данные входы следует заземлить через высокоомные резисторы.

Подобная структура инструментального усилителя на трех ОУ реализована в виде гибридных ИМС: LH0036, 3630 и других. Все компоненты схемы, кроме r, встроены, а при помощи внешнего резистора r устанавливается коэффициент усиления.

6.1.8. Интегральные инструментальные усилители

В интегральных инструментальных усилителях (LF0036, AD521, AD620, LT1167 и др.) применяется другой принцип формирования выходного сигнала (рис. 6.11). Разность входных напряжений выделяется на выходе за счет использования внутреннего прецизионного преобразователя ΔU_вх → ΔI, выполненного на основе транзисторного дифференциального каскада с токовым зеркалом в коллекторах и источниками тока в эмиттерах. Резистор, регулирующий , включен между эмиттерами транзисторов входного каскада и выведен наружу для регулировки (рис. 6.12). КОCС таких ИУ абсолютно не зависит от внешнего резистора и составляет 100…120 дБ, входное сопротивление – более 100 МОм.

Рис. 6.11. Структура интегрального инструментального усилителя

Рис. 6.12. Схема включения прецизионных инструментальных усилителей LT1167 и AD620: 1, 8 – выводы сопротивления R_G; 2 – инвертирующий вход;
3 – неинвертирующий вход; 4 – «минус» напряжения питания; 7 – «плюс»
напряжения питания; 5 – вывод опорного напряжения; 6 – выход

Коэфиициент усиления дифференциального сигнала определяется по формуле:

.