Как работает инструментальный усилитель.
В одной из прошлых статей описал как, анализирую схемы, построенные на ОУ, рассматривать включение разных элементов в обратную связь — занятие малоинтересное, куча формул и ничего больше, да и такого добра хватает в интернете. На мой взгляд, более интересно будет рассмотреть классическую схему инструментального усилителя, а если быть точным мы выведем её с помощью логических рассуждений. Кстати, если кто не знает инструментальный усилитель предназначен в основном для прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала.
В основе схемы инструментального усилителя лежит схема дифференциального усилителя и выглядит она так.
Из названия становится понятно, что такая схема усиливает разность сигналов, поступающих на прямой и инвертирующий вход.
Предположим, что все сопротивления равны и на Vin1 поступает 10, а на Vin2 12 вольт. Так как R3 = R4 к прямому входу будет приложена половина Vin2 — 6 вольт.
Так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь(ООС), то напряжение на прямом и инверсном входе будут равны. Идём дальше, падение напряжения на R1 равно 4 вольтам и такое же напряжение падает на R2(так как R1 = R2 и соединены последовательно), тогда напряжение на выходе ОУ будет равно 2 вольтам, что соответствует разности входных напряжений. Результат говорит о том, что мы не усилили разность сигналов, зато убедились в том, что эта схема даёт её на выходе.
Для того чтобы усилить сигнал на выходе, полагаем что резисторы не равны и тут придётся немного посчитать.
Ток текущий через R1 и R2 можно найти следующим образом
Напряжение на прямом входе равно
Так как в схеме присутствует обратная связь Va = Vb, подставляем полученное выражение в формулу для тока вместо Va. Далее, формулу для нахождения тока подставляем в первое выражение и получаем.
Выражаем Vout
Если R1 = R3 и R2 = R4 то
Из последней формулы становится понятно, что коэффициент усиления задаётся с помощью пар резисторов R2,R4 и R1,R3.
Но у этой схемы есть несколько недостатков, один из которых, малое входное сопротивление, второй — то что входные сопротивления отличаются. Отличие входных сопротивлений приводит к смещению нуля, то есть даже при одинаковых постоянных напряжениях Vin1 и Vin2, через резисторы R1,R2 и R3,R4 будут течь разные токи, соответственно напряжения в точках Va и Vb будут отличаться.
Устранить эти недостатки можно, включив последовательно со входами буфер, построенный на ОУ.
Надо отметить что, номиналы сопротивлений в обвязке дифференциального усилителя должны быть подобраны очень точно.
И у нас снова возникает задача усилить сигнал, для этого необходимо добавить несколько резисторов как показано на схеме ниже, кстати, в реальном инструментальном усилителе все резисторы располагаются в корпусе самого инструментального усилителя, за исключением Rg, он позволяет задать нужный коэффициент усиления.
Осталось самое интересное — вывод формулы, для последней схемы.
Поскольку в буферах используется ООС напряжения на прямом и инвертирующем входе стремятся сравняться, тогда падение напряжения на Rg будет равно.
Этот же ток потечёт через резисторы R5 и создаст на них падение напряжения.
Выше было показано, что в случае равенства номиналов резисторов R1-R4, Vout = Va - Vb. На этом расчёт окончен, как видно, с помощью простых правил, можно анализировать и рассчитывать интересные схемы.
В основе схемы инструментального усилителя лежит схема дифференциального усилителя и выглядит она так.
Из названия становится понятно, что такая схема усиливает разность сигналов, поступающих на прямой и инвертирующий вход.
Предположим, что все сопротивления равны и на Vin1 поступает 10, а на Vin2 12 вольт. Так как R3 = R4 к прямому входу будет приложена половина Vin2 — 6 вольт.
Так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь(ООС), то напряжение на прямом и инверсном входе будут равны. Идём дальше, падение напряжения на R1 равно 4 вольтам и такое же напряжение падает на R2(так как R1 = R2 и соединены последовательно), тогда напряжение на выходе ОУ будет равно 2 вольтам, что соответствует разности входных напряжений. Результат говорит о том, что мы не усилили разность сигналов, зато убедились в том, что эта схема даёт её на выходе.
Для того чтобы усилить сигнал на выходе, полагаем что резисторы не равны и тут придётся немного посчитать.
Ток текущий через R1 и R2 можно найти следующим образом
Напряжение на прямом входе равно
Так как в схеме присутствует обратная связь Va = Vb, подставляем полученное выражение в формулу для тока вместо Va. Далее, формулу для нахождения тока подставляем в первое выражение и получаем.
Выражаем Vout
Если R1 = R3 и R2 = R4 то
Из последней формулы становится понятно, что коэффициент усиления задаётся с помощью пар резисторов R2,R4 и R1,R3.
Но у этой схемы есть несколько недостатков, один из которых, малое входное сопротивление, второй — то что входные сопротивления отличаются. Отличие входных сопротивлений приводит к смещению нуля, то есть даже при одинаковых постоянных напряжениях Vin1 и Vin2, через резисторы R1,R2 и R3,R4 будут течь разные токи, соответственно напряжения в точках Va и Vb будут отличаться.
Устранить эти недостатки можно, включив последовательно со входами буфер, построенный на ОУ.
Надо отметить что, номиналы сопротивлений в обвязке дифференциального усилителя должны быть подобраны очень точно.
И у нас снова возникает задача усилить сигнал, для этого необходимо добавить несколько резисторов как показано на схеме ниже, кстати, в реальном инструментальном усилителе все резисторы располагаются в корпусе самого инструментального усилителя, за исключением Rg, он позволяет задать нужный коэффициент усиления.
Осталось самое интересное — вывод формулы, для последней схемы.
Поскольку в буферах используется ООС напряжения на прямом и инвертирующем входе стремятся сравняться, тогда падение напряжения на Rg будет равно.
Этот же ток потечёт через резисторы R5 и создаст на них падение напряжения.
Выше было показано, что в случае равенства номиналов резисторов R1-R4, Vout = Va - Vb. На этом расчёт окончен, как видно, с помощью простых правил, можно анализировать и рассчитывать интересные схемы.
Похожие статьи
