Измерительный усилитель

Измерительный усилитель (ИУ) имеет два входа и один выход. В отличие от ОУ он обла­дает конечным коэффициентом усиления (его величина обычно не более100) и возможностью подключения источников сигнала одновременно на два вхо­да. Это означает, что все компонен­ты цепи ОС подключаются не к инвертирую­щему и неинвертирующему входам, а к другим вы­водам ИУ. Основная функция ИУ - формирование выходного сигнала, пропорционального раз­ности напряже­ний на его входах:

V_out = A(V₊ - V_-) = A∆V

где V₊ и V_- - напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах, а А - ­коэффициент усиления.

Измерительные усилители могут быть реализованы на основе ОУ по интегральной или гибридной технологиям. Важным свойством ИУ является высокое сопротивление по обоим входам, что позволяет ему выступать в роли дифференциального усилителя и эффективно подавлять синфазные адди­тивные помехи.

Хотя в настоящее время можно приобрести промышленно выпускаемые ИУ в интеграль­ном исполнении, на практике многие применяют ИУ, реализованные из дискретных компонен­тов. На рис. 8 показана наиболее часто используемая схема ИУ. Падение напряжения на рези­сторе R_a настраивается равным входной разности ∆V, тогда ток, протекающий через него, будет равен: I = ∆V/R_a. Выход­ные на­пряжения ОУ U₁ и U₂ равны друг другу по амплитуде, но имеют разную полярность. Первая стадия усиления входной разности напряжений проходит на ОУ U₁ и U₂, которые можно представить в виде одного усилителя, имеющего дифференциальные входы и дифференциальные выходы. Вторая стадия усиле­ния осуществляется на ОУ U₃, преобразующем дифференциаль­ный входной сиг­нал в униполярный вы­ходной. Полный коэффициент усиления ИУ можно найти из выражения:

.

Величина коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) зависит от того, на­сколько точно в этой схеме подобраны резисторы. Как правило, при использова­нии резисторов 1 % точности КОСС не превышает значения 100, тогда как для рези­сторов 0.1 % точности КОСС имеет на порядок более высокие значения.

Усилители заряда

Характерной чертой усилителей заряда (УЗ) является очень низкий ток смеще­ния. Такие усилители используются для преобразования в напряжение сигналов от емкостных датчиков, квантовых детекторов, пироэлектрических чувствитель­ных элементов и других устройств, имеющих на выходе либо очень маленькие заряды (порядка пикокулон, пКл), либо очень маленькие токи (порядка пикоам­пер, пА). Поэтому УЗ по своей сути является преобразовате­лем заряда в напряже­ние. На рис. 9А показана принципиальная схема УЗ. В цепи ОС ОУ стоит кон­денсатор С, сопротивление утечки которого r должно быть значительно большим его импе­данса на самой низкой рабочей частоте. В УЗ можно использовать толь­ко хорошие пленочные конденсаторы. Также необходимо уделять большое вни­мание качеству печатных плат и равно­мерному покрытию всех их компонентов.

Передаточную функцию УЗ можно представить в виде

.

Многие датчики могут быть представлены в виде конденсаторов. Часть ем­костных датчиков, таких как микрофоны, емкостные датчики силы и давления, а также детекторы влажности, являются активными устройствами, т.е. для работы им требуется сигнал возбуждения. Другая часть емкостных датчиков являются пассивными устройствами, напрямую преобразующими внешнее воздействие в электрический заряд или ток. Примерами таких датчиков могут быть пьезоэлект­рические и пироэлектрические детекторы. Существуют также не емкостные датчи­ки, которые можно рассматривать как генераторы тока. Фотодиод – представитель этой группы.

Датчик с токовым выходом можно представить в виде сопротивления утечки r, соединенного парал­лельно с генератором тока, обладающим бесконечно большим внутренним сопротивлением (рис. 10). Датчик вырабатывает ток i, который может течь в двух направлениях: через сопротивление r внутри датчика (ток i_o) и через интерфейсную схему с входным импе­дансом Z_L (ток i_out). Поскольку ток i_o по своей сути является паразитным, следует стремиться к тому, что­бы сопротивление утечки датчика было намного боль­ше импеданса интерфейса.

Из закона Ома следует, что для преобразования электрического тока i_out в напряжение ток должен пройти через нагрузку с определенным импедансом, тогда паде­ние напряжения на этой нагрузке будет пропорционально величине этого тока. На рис. 9Б показана принципиальная схема преобразователя тока в напряжение, в которой датчик с токовым выходом подключен к инвертирующему входу ОУ, играю­щему роль виртуальной земли. В этой схеме напряжение на инвертирующем входе почти равно напряжению на неинвертирующем заземленном входе ОУ. Следова­тельно, датчик работает при почти нулевой разности потенциалов на своих выводах, а ток, протекающий через него, определяется выходным напряжением ОУ:

V_out = -iR.

Для устойчивости работы схемы r должно быть намного меньше R. На высоких частотах ОУ работает практически с разомкнутой ОС, т.е. с очень большим коэффициентом усиления, что может привести к возникновению колебаний. Это особенно важно помнить при использовании датчиков с низким сопротивлением утечки. Преимуществом схем с виртуальной землей является независимость выходного сигнала от емкости датчика.