Инструментальный усилитель

Электронный усилитель, компонент схемы

Типичная схема инструментального усилителя

Инструментальный усилитель (иногда сокращенно In-amp или InAmp ) — это тип дифференциального усилителя , который оснащен входными буферными усилителями , которые устраняют необходимость согласования входного импеданса и, таким образом, делают усилитель особенно подходящим для использования в измерительном и испытательном оборудовании . . Дополнительные характеристики включают очень низкое смещение постоянного тока , низкий дрейф , низкий уровень шума , очень высокий коэффициент усиления разомкнутого контура , очень высокий коэффициент подавления синфазного сигнала и очень высокие входные импедансы . Инструментальные усилители используются там, где требуется высокая точность и стабильность схемы как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

Хотя инструментальный усилитель обычно схематически изображается идентичным стандартному операционному усилителю (ОУ), электронный инструментальный усилитель почти всегда состоит из трех операционных усилителей. Они устроены таким образом, что имеется один операционный усилитель для буферизации каждого входа (+, -) и один для получения желаемого выходного сигнала с адекватным согласованием импеданса для этой функции. ^{[1] [2]}

Схема наиболее часто используемого инструментального усилителя показана на рисунке. Коэффициент усиления схемы

${\displaystyle A_{v}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{2}-V_{1}}}=\left(1+{\frac {2R_{1}}{R_{\text{gain}}}}\right){\frac {R_{3}}{R_{2}}}.}$

Самый правый усилитель вместе с маркированными резисторами представляет собой стандартную схему дифференциального усилителя с коэффициентом усиления и дифференциальным входным сопротивлением . Два усилителя слева — это буферы. В снятом (разомкнутом) виде они представляют собой простые буферы с единичным коэффициентом усиления; схема будет работать в этом состоянии с коэффициентом усиления, равным простому, и высоким входным сопротивлением из-за буферов. Коэффициент усиления буфера можно увеличить, поместив резисторы между входами инвертирования буфера и землей, чтобы шунтировать часть отрицательной обратной связи; однако использование одного резистора между двумя инвертирующими входами является гораздо более элегантным методом: он увеличивает коэффициент усиления дифференциального режима пары буферов, оставляя при этом коэффициент синфазного усиления равным 1. Это увеличивает коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR). схемы, а также позволяет буферам обрабатывать гораздо большие синфазные сигналы без ограничения, чем это было бы в случае, если бы они были отдельными и имели одинаковое усиление. Еще одним преимуществом этого метода является то, что он увеличивает коэффициент усиления, используя один резистор, а не пару, что позволяет избежать проблемы согласования резисторов и очень удобно позволяет изменять коэффициент усиления схемы путем изменения номинала одного резистора. Для этого можно использовать набор выбираемых переключателем резисторов или даже потенциометр , что обеспечивает легкое изменение коэффициента усиления схемы без необходимости переключения согласованных пар резисторов. ${\displaystyle R_{2}}$ ${\displaystyle R_{3}}$ ${\displaystyle R_{3}/R_{2}}$ ${\displaystyle 2\cdot R_{2}}$ ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$ ${\displaystyle R_{3}/R_{2}}$ ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$ ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$

Идеальный синфазный коэффициент усиления инструментального усилителя равен нулю. В показанной схеме усиление синфазного сигнала вызвано несоответствием коэффициентов усиления резисторов и несоответствием коэффициентов усиления синфазного сигнала двух входных операционных усилителей. Получение очень точно подобранных резисторов представляет собой значительную трудность при изготовлении этих схем, как и оптимизация характеристик синфазного режима. ^[3] ${\displaystyle R_{2}/R_{3}}$

Для экономии средств инструментальный усилитель также можно построить с двумя операционными усилителями, но коэффициент усиления должен быть выше двух (+6 дБ). ^{[4] [5]}

Инструментальные усилители могут быть построены с использованием отдельных операционных усилителей и прецизионных резисторов, но также доступны в виде интегральных схем от нескольких производителей (включая Texas Instruments , Analog Devices и Renesas Electronics ). Инструментальный усилитель на ИС обычно содержит тщательно подобранные резисторы с лазерной подстройкой и, следовательно, обеспечивает превосходное подавление синфазных помех. Примеры включают INA128, AD8221, LT1167 и MAX4194.

Инструментальные усилители также могут быть спроектированы с использованием «архитектуры с косвенной обратной связью по току», которая расширяет рабочий диапазон этих усилителей до отрицательной шины питания, а в некоторых случаях и до положительной шины питания. Это может быть особенно полезно в системах с однополярным питанием, где отрицательная шина питания является просто заземлением цепи (GND). Примерами деталей, использующих эту архитектуру, являются MAX4208/MAX4209 и AD8129/AD8130.

Типы

Инструментальный усилитель без обратной связи

Инструментальный усилитель без обратной связи представляет собой дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением, разработанный без внешней цепи обратной связи. Это позволяет уменьшить количество усилителей (один вместо трех), снизить шум (термические шумы не возникают из-за резисторов обратной связи) и увеличить полосу пропускания (компенсация частоты не требуется). Инструментальные усилители со стабилизацией прерывания (или нулевым дрейфом), такие как LTC2053, используют входной каскад с переключаемым входом для устранения ошибок смещения постоянного тока и дрейфа.

Смотрите также

• Портал электроники

• Изолирующий усилитель
• Применение операционных усилителей

Рекомендации

1. RF Coughlin, FF Driscoll Операционные усилители и линейные интегральные схемы (2-е изд. 1982. ISBN  0-13-637785-8 ) с. 161.
2. Мур, Дэвис, Coplan Building Scientific Apparatus (2-е изд. 1989. ISBN 0-201-13189-7 ), стр. 407. 
3. Смитер, Пью и Вулард. «Анализ CMRR инструментального усилителя на 3 ОУ», Electronics Letters, том 13, выпуск 20, 29 сентября 1977 г., стр. 594.
4. «Не влюбляйтесь в один тип инструментального усилителя» . ЭДН . Проверено 28 октября 2014 г.
5. «Усилители для биоэлектрических событий: конструкция с минимальным количеством деталей». Биосеми.com . Проверено 3 октября 2011 г.

Внешние ссылки

• Интерактивный анализ инструментального усилителя
• Инструментальный усилитель на операционных усилителях. Архивировано 2 марта 2011 года в Wayback Machine.
• Уроки электрических цепей - Том III - Инструментальный усилитель
• Практический обзор синфазных и инструментальных усилителей
• Решения, схемы и приложения для инструментальных усилителей
• Дифференциальные усилители КМОП с фиксированным коэффициентом усиления без внешней обратной связи для широкого диапазона температур (криогеника)