Измерительный (инструментальный) усилитель

Что такое измерительный (инструментальный) усилитель?

Измерительный усилитель (или инструментальный усилитель, или электрометрический вычитатель) позволяет инженеру регулировать коэффициент усиления схемы усилителя без изменения значения более одного резистора. Сравните это с дифференциальным усилителем, который мы рассмотрели ранее, и который требует регулировки номиналов нескольких резисторов.

Приведем так называемый измерительный усилитель, построенный на базе последней версии дифференциального усилителя:

Анализ схемы измерительного (инструментального) усилителя

Эта устрашающая схема построена из буферизированного дифференциального усилителя с тремя новыми резисторами, соединяющими две буферные цепи вместе. Предполагаем, что все резисторы, кроме R_усил, имеют одинаковые номиналы,

Отрицательная обратная связь верхнего левого операционного усилителя приводит к тому, что напряжение в точке 1 (верхняя часть R_усил) будет равно V₁. Аналогично, напряжение в точке 2 (нижняя часть R_усил) удерживается на значении, равном V₂. Это устанавливает падение напряжения на R_усил, равное разности напряжений между V₁ и V₂. Это падение напряжения вызывает ток через R_усил, и поскольку петли обратной связи двух входных операционных усилителей не потребляют ток, то такая же величина тока, как через R_усил, должна проходить и через два резистора «R» выше и ниже R_усил.

Это вызывает падение напряжения между точками 3 и 4, равное:

\[V_{3-4}=(V_2 - V_1)(1 + {2R \over R_{усил}})\]

Обычный дифференциальный усилитель в правой части схемы затем берет это падение напряжения между точками 3 и 4 и усиливает его на коэффициент усиления 1 (предполагаем, что все резисторы «R» имеют одинаковую величину).

Преимущества измерительного (инструментального) усилителя

Хотя это выглядит громоздким способом создания дифференциального усилителя, у него есть явные преимущества: наличие чрезвычайно высоких входных импедансов на входах V₁ и V₂ (потому что они подключаются прямо к неинвертирующим входам соответствующих операционных усилителей) и регулируемый коэффициент усиления, который может быть установлен с помощью одного резистора.

Немного преобразовав приведенную выше формулу, мы получим общее выражение для общего коэффициента усиления по напряжению измерительного усилителя:

\[A_V = \left( 1 + {2R \over R_{усил}} \right)\]

Хотя, если посмотреть на схему, это может быть не очевидно, но мы можем изменить дифференциальный коэффициент усиления измерительного усилителя просто путем изменения значения одного резистора: R_усил.

Да, мы всё еще могли бы изменить общий коэффициент усиления, изменив значения нескольких других резисторов, но, чтобы схема оставалась симметричной, потребовалось бы сбалансированное изменение значений резисторов. Обратите внимание, что наименьший возможный коэффициент усиления для приведенной выше схемы получается при полностью разорванном R_усил (бесконечное сопротивление), и это значение коэффициента усиления равно 1.

Резюме

• Измерительный усилитель представляет собой схему дифференциального усилителя на операционных усилителях, обеспечивающую высокие входные импедансы с простой регулировкой коэффициента усиления путем изменения одного резистора.

Теги