Инструментальные усилители: Инструментальные усилители | Analog Devices

Содержание

Инструментальный усилитель на ОУ. Принцип работы

Есть изобретения, которые гениальны в своей простоте. Инструментальный усилитель является одним из них. Он работает также как и дифференциальный усилитель, но свободен от его недостатков, сохраняя при этом простоту схемы.

Название инструментальный усилитель происходит от английского Instrumentation Amplifier. В отечественной литературе его также именуют измерительный усилитель.

Инструментальный усилитель широко используются в различных измерительных устройствах из-за нескольких очень полезных свойств, которых другие усилители не имеют.

Самым большим плюсом является возможность регулировки усиления при помощи всего одного резистора! Просто используя один обычный потенциометр (желательно с логарифмической характеристикой), можно быстро изменять коэффициент усиления в зависимости от потребности.

Кроме того, инструментальные усилители легко «скрещиваются» с цифровыми системами, давая поразительные возможности. Примером такого симбиоза аналоговой и цифровой техники являются усилители с программно регулируемым коэффициентом усиления. Существуют интегрированные инструментальные усилители с интерфейсом I2C или SPI, которые можно легко комбинировать с любым микроконтроллером.

Идя дальше по этому пути, мы можем построить инструментальный прибор, который будет автоматически изменять усиление и диапазоны, чтобы всегда иметь наилучшее разрешение при измерении.

Еще одним преимуществом инструментального усилителя является его высокое входное сопротивление, так как сигналы мы подаем прямо на входы микросхем, не обременяя их дополнительными резисторами. Данный вид усилителя также имеет очень хороший коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR), то есть хорошо подавляет общий сигнал, усиливая только разницу между входными сигналами.

Давайте посмотрим схему инструментального усилителя. Состоит она из трех операционных усилителей и семи резисторов.

Потенциометр RP регулирует усиление. Чем больше его сопротивление, тем усиление меньше. Если из схемы убрать этот резистор, оставив разрыв в цепи, то усиление составит 1 (тогда входные усилители станут обычными повторителями напряжения), а работа системы будет ограничиваться только вычитанием входных сигналов.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Как это работает? Обратите внимание, что резисторы R1-RP-R1 образуют делитель напряжения. Что мы можем сказать об этом и что мы можем считать само собой разумеющимся?

Начнем с напоминания себе первого фундаментального правила, которое уже неоднократно цитировалось при обсуждении других схем на операционных усилителях:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Таким образом, если напряжения на входах равны, то напряжение на одной ножке RP равно напряжению U1, а на второй равно U2. Посчитав разницу напряжений U1 и U2 мы узнаем, какое падение напряжения происходит на резисторе RP.

Далее, из закона Ома вычислим, какой ток течет через него.

Теперь вспомним еще одно правило:

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Таким образом, ток, протекающий через RP течет также через оба резистора R1, в результате чего очевидно возникновение напряжения на их ножках, в соответствии с законом Ома.

Выполнив несколько простых вычислений, мы можем узнать выходные напряжения верхнего и нижнего операционного усилителя. А что с правой стороной схемы? Это обычный дифференциальный усилитель.

Мы можем добавить дополнительную регулировку усиления, как и в дифференциальном усилителе, незначительно изменив схему и добавив резисторы R2 и R3. Таким образом, мы получаем дополнительный множитель или делитель, в зависимости от того, что нам нужно.

Хотя на схеме видно три операционных усилителя, на практике инструментальный усилитель не строят из традиционных операционных усилителей и резисторов. Существуют готовые микросхемы, у которых все это уже есть внутри, кроме, конечно, переменного резистора RP. Интеграция всех элементов в одном корпусе имеет дополнительное преимущество – монолитный чип является, безусловно, более стабильным в температурном плане. Кроме того, сопротивления резисторов в чипе гораздо точнее обычных резисторов.

И в заключении приведем некоторые модели микросхем инструментального усилителя:

AD8221 — хорошие параметры за низкую цену
AD8222 — два инструментальных усилителя в одном корпусе
AD8226 — с малым потреблением тока
AD8220 — вход JFET
AD8228 — хорошая регулировка усиления
AD8295 — два дополнительных прецизионных операционных усилителя
AD8429 — низкий уровень шума

Инструментальные усилители

Инструментальные усилители производства Renesas серий EL817x и ISL2853xx/2863x (с программируемым усилением), предназначены для применения в прецизионных измерительных схемах, используемых в промышленном, тестовом, медицинском оборудовании и системах сбора данных.

Эти усилители имеют дифференциальные входы, а выходы, в зависимости от типа микросхемы – дифференциальные или несимметричные. Все входы и выходы микросхем – Rail-To-Rail.

Микросхемы характеризуются низким уровнем шумов, низким напряжением смещения, малым дрейфом, высоким входным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления.

В усилителях с программируемым усилением коэффициент усиления задается в цифровом виде и поддерживается с высокой точностью.

Компания СКАНТИ является прямым авторизованным дистрибьютором Renesas на территории РФ, Беларуси, Украины и Казахстана. По всем вопросам просим написать нам на адрес Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. или воспользоваться формой обратной связи.

Микросхема

Полоса частот (MHz)

Скорость нарастания (V/μs)

Напр. пит, В (min)

Напр. пит, В (max)

Ток потр.

RRIO

Напр. шумов, nV/√Hz

Ток смещения тип.

Вх. ток смещ. макс.

Напр. смещ. макс.

Вых. ток

Мин. усил.

Раб. темп.

Корпус

ISL28635

2.3

0.8

2.5 V

5.5 V

2.9 mA

Да

17.0

50 pA

400 pA

–

40 mA

1.0

-40 … +125

14pin-TSSOP

ISL28634

2.3

0.8

2.5 V

5.5 V

2.9 mA

Да

17.0

50 pA

400 pA

5 µV

40 mA

1.0

-40 … +125

14pin-TSSOP

ISL28633

2.3

0.8

2.5 V

5.5 V

3.0 mA

Да

17.0

50 pA

400 pA

5 µV

4 mA

1.0

-40 … +125

14pin-TSSOP

ISL28535

2.3

0.8

2.5 V

5.5 V

2.9 mA

Да

17.0

50 pA

400 pA

5 µV

4 mA

1.0

-40 … +125

14pin-TSSOP

ISL28534

2.3

0.8

2.5 V

5.5 V

2.9 mA

Да

17.0

50 pA

400 pA

5 µV

4 mA

1.0

-40 … +125

14pin-TSSOP

ISL28533

2.3

0.8

2.5 V

5.5 V

2.9 mA

Да

17.0

50 pA

400 pA

5 µV

4 mA

1.0

-40 … +125

14pin-TSSOP

EL8172

0.17

0.55

2.4 V

5.5 V

0.095 mA

Да

80.0

10 pA

–

0.3 mV

26 mA

100.0

-40 … +125

8pin-SOICN

EL8170

0.192

0.55

2.4 V

5.5 V

0.095 mA

Да

58.0

0.7 nA

–

0.2 mV

26 mA

100.0

-40 … +125

8pin-SOICN

Дополнительный ОУ, имеющийся в микросхемах ISL2853x, поможет, например, передать сигнал по экранированному кабелю.

Выводы G0 и G1 предназначены для установки коэффициента усиления:

G1	G0	ISL28533 ISL28633	ISL28534 ISL28634	ISL28535 ISL28635
0	0	1	1	1
0	Z	2	2	100
0	1	4	10	120
Z	0	5	50	150
Z	Z	10	100	180
Z	1	20	200	200
1	0	40	300	300
1	Z	50	500	500
1	1	100	1000	1000
Applications		Medical Piezo – Electric Pressure Sensor Fluid Sensor	Shunt Sense Optical Sensors Strain Gauge Thermocouple	Strain Gauge

Практическое использование инструментальных (измерительных) усилителей

Добавлено 30 марта 2021 в 22:21

Сохранить или поделиться

В данной статье приводится базовый обзор инструментальных (измерительных) усилителей, за которым следуют несколько реальных применений, в которых можно найти эту схему.

Зачем использовать инструментальные усилители?

Когда я учился в колледже, один из моих преподавателей сравнил работу инженера-электронщика с разнорабочим с поясом с инструментами, набитым оборудованием. Успешный разнорабочий будет стремиться иметь широкий набор инструментов и знать, как и когда использовать каждый из них. Точно так же инженер-электронщик имеет свой «пояс с инструментами» из знаний и применений компонентов, схемотехники и способов решения задач. Столкнувшись с задачей, успешный инженер будет знать, какие инструменты использовать для достижения цели проектирования.

Один из таких инструментов, который должен иметь каждый инженер, – это инструментальные (или измерительные) усилители. Инструментальные усилители играют жизненно важную роль во многих областях электротехники; все, от промышленной автоматики для тяжелых условий эксплуатации до прецизионных медицинских устройств, используют инструментальные усилители в своих интересах. Прежде чем мы перейдем ко всем применениям, мы должны кратко рассмотреть конструкцию инструментальных усилителей, и почему их нужно использовать вместо обычных операционных усилителей, которые обычно дешевле.

Давайте сначала взглянем на классическую схему дифференциального усилителя:

Рисунок 1 – Дифференциальный усилитель

Такой конфигурации может быть достаточно для некоторых дифференциальных применений; он может усиливать сигнал с измерительного моста и иметь хороший CMRR (КОСС, коэффициент ослабления синфазного сигнала), но у него есть несколько проблем. Во-первых, мы можем ясно видеть, что входные импедансы не приближаются к бесконечности; фактически входное сопротивление на инвертирующем входе относительно низкое. Входные сопротивления в этой схеме не совпадают, и иногда входные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего входов могут сильно различаться. Эта схема также требует очень тщательного согласования резисторов и согласования с импедансом источника. Мы, конечно, могли бы увеличить входной импеданс, сделав резисторы обратной связи очень большими, но при номинале 1 МОм для резисторов R1 и R2 потребуется, чтобы R3 и R4 были равны 100 МОм для достижения коэффициента усиления хотя бы 100; а для очень слабых сигналов обычно требуется больший коэффициент усиления. Использование резисторов большого номинала также создает новые проблемы. Резисторы с большим сопротивлением создают шум, и их очень сложно подобрать с высокой точностью; кроме того, резисторы большого номинала могут вызвать появление паразитной емкости, которая отрицательно скажется на CMRR на высоких частотах.

Решением было бы использовать перед каждым входом неинвертирующие буферы, но мы всё равно хотели бы добиться более высокого коэффициента усиления. Взгляните на инструментальный усилитель, показанный ниже.

Рисунок 2 – Инструментальный усилитель

Два буферных усилителя обеспечивают практически бесконечное входное сопротивление и усиление, а дифференциальный усилитель обеспечивает дополнительное усиление и несимметричный выход. В результате получается схема с очень высоким CMRR, высоким коэффициентом усиления и входным сопротивлением порядка 10¹⁰ Ом.

Применение в измерениях

Одно из применений этих схем – измерение сигналов датчиков и преобразователей. Инструментальные усилители превосходно извлекают очень слабые сигналы из шумной среды; поэтому они часто используются в схемах, в которых используются датчики, измеряющие физические параметры. Для измерения давления тензодатчики часто используются с инструментальными усилителями, поскольку тензодатчики обычно «висят в воздухе», то есть они не имеют прямого соединения с землей. А инструментальный усилитель может усиливать сигналы без привязки к земле, потому что он усиливает только разницу между двумя входами. Тензодатчики часто используются в схеме моста Уитстона, который является очень распространенным примером формирования дифференциального сигнала без привязки к земле; данная схема изображена ниже, где R2 – изменяющийся элемент, создающий дифференциальное напряжение между узлами C и B.

Рисунок 3 – Мост Уитстона

Со схемой инструментального усилителя можно работать практически с любым датчиком; термопары, фотодиоды, термисторы, даже обычный кремниевый диод можно использовать в качестве простого датчика температуры, поместив его в схему моста, создающую входной сигнал для инструментального усилителя. Когда диод нагревается, прямое напряжение падает, создавая дифференциальный сигнал, который можно усилить. Причина, по которой схема моста так важна для датчиков и приборов, – это синфазный шум; схема с обычным операционным усилителем и датчиком на его входах будет работать как усилитель, но будет очень шумной. По этой причине инструментальные усилители так часто используются перед входами АЦП. Любой PIC-контроллер или Arduino имеет входы, которые можно настроить как аналоговые входы, но это несимметричные входы, которые не могут ослаблять синфазные сигналы. Инструментальный усилитель может извлекать и усиливать слабые сигналы датчиков из зашумленной среды и подавать чистый несимметричный выходной сигнал на АЦП. Это важно при работе с микроконтроллерами, так как любой дополнительный шум вызовет неустойчивое преобразование в дополнение к потере ценных битов АЦП.

Применение в биомедицине

Если к вам в больнице когда-либо подключали какое-либо электронное оборудование для снятия с вас показаний, то вы были подключены к датчикам, управляемым инструментальным усилителем. Схемы инструментальных усилителей находят широкое применение почти в каждом медицинском устройстве, как из-за вышеупомянутых преимуществ, так и из-за того, что инструментальные усилители также являются прецизионными усилительными устройствами.

Для инструментальных усилителей не требуются внешние резисторы обратной связи; вместо этого они содержат резисторы, изготовленные в самой микросхеме с использованием лазерной подгонки, и используют только один внешний настроечный резистор для настройки коэффициента усиления, что избавляет от несовпадения номиналов резисторов. Это позволяет устройству устанавливать точное значение коэффициента усиления в зависимости от требований схемы. Большинство биомедицинских датчиков, такие как датчики артериального давления, ультразвуковые преобразователи, поляризованные и неполяризованные электроды и датчики радиационной термометрии, имеют очень высокий импеданс и генерируют очень слабые сигналы.

Эти датчики требуют очень высокого импеданса, обеспечиваемого инструментальным усилителем, поскольку характеристики биопотенциальных электродов могут подвергаться воздействию нагрузки, что может вызвать искажение сигнала. Кроме того, усилители должны иметь высокий уровень подавления шума; больницы – одна из самых шумных сред, в которых датчик должен будет работать, с сотнями беспроводных устройств, работающих поблизости, и постоянно присутствующим фоном 50 Гц от света и электросети. Эти неустойчивые шумовые сигналы часто на несколько порядков больше, чем сигнал от биопотенциального электрода, который сам по себе составляет всего несколько милливольт. Легко узнаваемое медицинское применение таких усилителей – это электрокардиографы или аппараты ЭКГ, которые отслеживают изменения в дипольном электрическом поле сердца. Ниже приведен пример применения инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ из руководства по применению.

Рисунок 4 – Применение инструментального усилителя Analog Device серии AD82X в ЭКГ

Все три инструментальных усилителя снимают разность сигналов с электродов датчиков, а последний электрод «F» действует как земля. Для этого устройства используются измерительные усилители, поскольку биопотенциальные электроды улавливают огромное количество шума от линий электросети, который необходимо ослаблять, чтобы устройство могло давать точные показания.

Применение в промышленности

Инструментальные усилители также находят применение в промышленной автоматизации, где многие системы используют электрический ток для пороговых измерений и удаленного управления системами. В начале двадцатого века промышленные комплексы использовали давление воздуха для удаленного управления машинами, используя 3-15 фунтов на квадратный дюйм в качестве полного диапазона, где давление 3 фунта на квадратный дюйм представляют 0%, система включена, а давление 15 фунтов на квадратный дюйм – 100%. Всё, что меньше 3 фунтов на квадратный дюйм, означало, что система отключена или нестабильна, и вызывало тревогу. Сейчас промышленным стандартом является использование постоянного тока, аналогичного давлению воздуха, с диапазоном от 4 до 20 мА. Между прочим, если вы когда-нибудь задумывались, что это за кнопка на многих наших мультиметрах с надписью «4-20 мА», теперь вы знаете. В этом применении ток измеряется так, чтобы два удаленно подключенных устройства могли обмениваться данными, даже если у них разные заземления. Чтобы это работало, выходной усилитель линии передачи должен работать очень линейно по отношению к входному сигналу и подавлять любые помехи, вызванные несовпадением потенциалов земель; идеальный кандидат для этого – инструментальный усилитель. Ниже представлена упрощенная схема измерительного усилителя, используемого в этом применении, – схема, известная как передатчик токовой петли.

Рисунок 5 – Передатчик токовй петли

На этом рисунке U1 представляет линию передачи с потерями, а R2 – устройство на приемной стороне, которое преобразует ток в некоторую команду или значение измерения.

В дополнение к этому применению в промышленности, контроллеры больших двигателей также включают в себя измерительные усилители. Обычно используемые для измерения тока в H-мосте, входы инструментального усилителя, не имеющие привязки к земле, идеально подходят для драйверов двигателей, поскольку двигатели обычно электрически не связаны с землей.

Заключение

Инструментальные усилители используются почти во всех областях электроники; они выполняют важную роль в схемах, нуждающихся в преимуществах высокого входного импеданса с хорошим коэффициентом усиления, обеспечивая при этом подавление синфазных помех и полностью дифференциальные входы. С таким широким распространением это устройство должно быть в арсенале инструментов у каждого инженера.

Оригинал статьи:

ДатчикДля начинающихИзмерениеИзмерительный мостИзмерительный усилительИнструментальный усилительИнтерфейс токовая петля 4-20 мАМост УитстонаПередатчик токовой петлиСхемотехникаТензодатчикЭлектрокардиограф

Сохранить или поделиться

Практическое использование измерительных усилителей – Новости 2021

Практическое использование инструментальных усилителей

Зачем использовать инструментальные усилители «инструментального пояса» знаний и приложений для компонентов, схемных схем и решения проблем. Когда вы столкнулись с проблемой, успешный инженер узнает, какие инструменты использовать для достижения цели дизайна.

Один из таких инструментов, каждый EE должен иметь на своем поясе измерительные усилители или усилители. Инструментальные усилители играют жизненно важную роль во многих дисциплинах электротехники; все, от промышленной автоматизации производства до высокоточных медицинских устройств, использует измерительные усилители в своих интересах. Прежде чем мы перейдем ко всем приложениям, мы должны вкратце рассмотреть конструкцию измерительных усилителей и зачем им использовать их на обычных ОУ, которые обычно дешевле.

Давайте сначала рассмотрим классическую схему дифференциального усилителя:

Эта настройка может быть достаточной для некоторых дифференциальных приложений; он может усилить мостовой сигнал и может иметь хороший CMRR, но у него есть несколько проблем. Во-первых, мы можем ясно видеть, что входные импедансы не приближаются к бесконечности; на самом деле входное сопротивление на инвертирующем входе относительно невелико. Входные импедансы в этой конфигурации не совпадают, и иногда могут быть очень большие различия во входном импедансе по сравнению с неинвертирующим входом. Эта настройка также требует очень тщательного согласования резисторов и балансировки импеданса источника. Конечно, мы могли бы увеличить входной импеданс, сделав резисторы обратной связи очень большими, но 1M Ohm R1 и R2 потребуют, чтобы Rf и Rg были 100M Ohm, чтобы достичь коэффициента усиления 100; усиление очень малых сигналов обычно занимает больше, чем это. Использование больших резисторов также создает новые проблемы. Большие резисторы являются шумными, и очень трудно сопоставить большие резисторы с большой точностью; кроме того, большие резисторы могут вызывать паразитную емкость, что отрицательно скажется на CMRR на высоких частотах.

Решением было бы использовать неинвертирующие буферы перед входом, но мы все равно хотели бы получить более высокий выигрыш. Введите приборный усилитель, как показано ниже:

Оба буферных усилителя обеспечивают почти бесконечный входной импеданс, а также коэффициент усиления, в то время как дифференциальный усилитель создает дополнительный уровень усиления и односторонний выход. Результатом является схема с очень высоким CMRR, высоким коэффициентом усиления и входным импедансом порядка 1010 Ом.

Приложения для измерения

Одно из применений, для которых используются эти схемы, – это измерения с датчиков и преобразователей. Измерительные усилители превосходят при извлечении очень слабых сигналов из шумных сред; поэтому они часто используются в схемах, в которых используются датчики, которые проводят измерения физических параметров. Нагрузочные ячейки для измерения давления часто используются с измерительными усилителями, потому что весоизмерительные ячейки обычно плавающие, что означает, что они не имеют прямого соединения с землей. Инструментальный усилитель может усиливать плавающие сигналы, поскольку он только усиливает разницу между двумя входными терминалами. Ячейки нагрузок часто реализуются в конфигурации моста Уитстона, что является очень распространенным примером плавающего дифференциального сигнала; эта конфигурация изображена ниже, где R2 является изменяющимся элементом, создавая дифференциальное напряжение между узлами C и B.

Почти любой датчик может извлечь выгоду из конструкции измерительного усилителя, термопар, фотодиодов, термисторов, даже обычный кремниевый диод можно использовать в качестве простого температурного датчика, помещая его в мостовую схему, подающую измерительный усилитель. Когда диод нагревается, прямое напряжение падает, создавая дифференциальный сигнал, который можно усилить. Причина, по которой мостовая схема имеет решающее значение с датчиками и измерительной аппаратурой, – шум общего режима; схема с обычным операционным усилителем и датчик через входы будут работать как усилитель, но было бы очень шумно. Это является причиной того, что инструментальные усилители так часто используются для подачи входных сигналов АЦП. Любой PIC или Arduino имеет входы, которые могут быть сконфигурированы как аналоговые входы, но это несимметричные входы, которые не могут отменить сигналы синфазного сигнала. Инструментальный усилитель может извлекать и усиливать слабые сигналы датчика из шумной среды и подавать чистый односторонний выход в АЦП. Это импорт при работе с микроконтроллерами, поскольку любой дополнительный шум вызовет неустойчивое преобразование, в дополнение к трате драгоценных битов АЦП.

Биомедицинские применения

Если у вас когда-либо было какое-либо электронное оборудование, подключенное к вам в больнице, вы подключены к датчикам, работающим с помощью измерительного усилителя. Эти схемы находят широкое применение почти в каждом медицинском устройстве, как для ранее упомянутых преимуществ, так и для того, что измерительные усилители также являются устройствами с точной регулировкой.

Измерительные усилители не требуют внешних резисторов обратной связи; вместо этого они имеют резисторы с лазером, изготовленные на самой ИС, используя только один резистор настройки внешнего усиления для настройки коэффициента усиления, устраняя несоответствия резисторов. Это позволяет устройству получить свой коэффициент усиления на точное число, основанное на потребностях схемы. Большинство биомедицинских датчиков имеют очень высокий импеданс и генерируют крошечные сигналы, такие как датчики артериального давления, ультразвуковые преобразователи, поляризованные и неполяризованные электроды и датчики радиационной термометрии.

Эти датчики требуют очень высокого импеданса, предъявляемого измерительным усилителем, поскольку характеристики биопотенциальных электродов могут подвергаться нагрузкам, что может вызвать искажение сигнала. Кроме того, усилители должны иметь высокий уровень шумоподавления; больницы – одна из самых электрически шумных сред, с которыми должен работать датчик, с сотнями беспроводных устройств, работающих поблизости, и когда-либо присутствующих 60-ти циклов шума от источников света и сети. Эти беспорядочные шумовые сигналы часто на порядок превышают сигнал от биопотенциального электрода, который сам по себе будет всего в несколько милливольт. Легко узнаваемое медицинское применение для таких усилителей, как электрокардиография или ЭКГ; которые контролируют изменения в дипольном электрическом поле сердца. Ниже приведена версия аппаратного усилителя AD82X аналогового устройства в ЭКГ из их руководства по применению.

Все три измерительных усилителя извлекают различия в сигналах от электродов датчиков, в то время как последний электрод «F» действует как земля. Измерительные усилители используются для этого устройства, потому что биопотенциальные электроды захватывают огромное количество шума линии электропередачи, которое необходимо отклонить, чтобы устройство могло давать точные показания.

Промышленные применения

Инструментальные усилители также находят применение в промышленной автоматизации, где многие системы используют ток для ретрансляции измерений и управления удаленными установками. В начале двадцатого века промышленные комплексы использовали бы давление воздуха для управления удаленными машинами, используя 3-15psi в качестве полного диапазона, где 3psi представляет 0%, систему и 15psi на 100%. Все, что меньше 3psi, означает, что система отключена или нестабильна и вызовет тревогу. Теперь отраслевым стандартом является использование постоянного тока, аналогичного давлению воздуха, с диапазоном 4 мА-20 мА. Кстати, если вы когда-нибудь задавались вопросом, что эта кнопка на многих наших мультиметрах была прочитана «4-20mA», теперь вы знаете. В этом приложении ток измеряется таким образом, что два устройства с дистанционным подключением могут связываться, даже если они имеют разные основания. Чтобы это работало, выходной усилитель для линии передачи должен работать очень линейно относительно входного сигнала и отклонять любые помехи, вызванные несоответствующими причинами; идеальный кандидат на измерительный усилитель. Ниже приведена упрощенная схема встроенного измерительного усилителя, используемого в этом приложении, схема, известная как передатчик тока.

На этом чертеже U1 представляет собой линию передачи с потерями, а R2 является устройством на приемном конце, которое преобразует ток в некоторую команду или значение измерения.

В дополнение к этому промышленному применению большие контроллеры двигателей также оснащены измерительными усилителями. Обычно используемые для измерения тока в H-мосте, плавающие входы измерительного усилителя делают идеальную платформу для двигателей, так как двигатели обычно не привязаны к земле.

Вывод

Измерительные усилители используются практически во всех областях электроники; они выполняют определенную роль в цепях, нуждающихся в преимуществах высокого входного импеданса с хорошим коэффициентом усиления, обеспечивая подавление синфазного шума и полностью дифференциальные входы. При таком широко распространенном использовании это устройство, которое должен иметь каждый инженер в своем поясе.

Повышение подавления синфазного сигнала с помощью трех инструментальных усилителей

Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/49614

Title:	Повышение подавления синфазного сигнала с помощью трех инструментальных усилителей
Other Titles:	Increase common mode signal rejection using three instrumentation amplifiers
Authors:	Буй, Д. Б.
metadata.dc.contributor.advisor:	Бананов, П. Ф.
Keywords:	подавление; синфазные сигналы; инструментальные усилители; дифференциальные усилители; дифференциальные сигналы; операционные усилители
Issue Date:	2018
Citation:	Буй Д. Б. Повышение подавления синфазного сигнала с помощью трех инструментальных усилителей / Д. Б. Буй ; науч. рук. П. Ф. Бананов // Инженерия для освоения космоса : сборник научных трудов VI Международного молодежного форума, г. Томск, 26-28 апреля 2018 г. — Томск : Изд-во ТПУ, 2018. — [С. 57-60].
Abstract:	В современных синхронных дифференциальных усилителях для сравнения двух сигналов и выделения дифференциального сигнала широко применяется инструментальный усилитель. Инструментальный усилитель (ИУ) – это прецизионный усилительный блок с дифференциальным входом и замкнутой обратной связью [1], который обеспечивает усиление разности между напряжениями двух входных сигналов, ослабляя их синфазные сигналы. Наибольше распространение получила схема ИУ состоящая из трех операционных усилителей. В работе представлено теоретическое исследование схемы выделения дифференциального сигнала, основанного на трех инструментальных усилителей, позволяющей увеличивать подавления синфазного сигнала. In modern lock-in amplifiers with a difference input, the instrumentation amplifier is widely used to compare two signals and measure differential signal. Instrumentation amplifier (INA) is a precision amplifying unit with a differential input and closed-loop feedback [1], which provides amplification of the difference between the voltages of the two input signals, weakening their common mode signals. The scheme of INA, consisting of three operational amplifiers was the most advanced. This work presents a theoretical study of the scheme for measuring a differential signal using three instrumentation amplifiers, which allow increasing common mode signal rejection.
URI:	http://earchive.tpu.ru/handle/11683/49614
Appears in Collections:	Материалы конференций

Прецизионные инструментальные усилители от ANALOG DEVICES

Компания ANALOG DEVICES представила два инструментальных усилителя (ИУ) с цифровым программированием с точностью, полосой и быстродействием, достаточными для самых продвинутых промышленных и инструментальных применений. Эти приложения, к которым относятся испытательные, управляющие и быстродействующие системы сбора данных, требуют быстрых и точных измерений, а также надежного качества сигнала в широком интервале напряжений. Универсальные усилители AD8250 и AD8251 имеют полосу до 12МГц, что вдвое шире, чем у ближайших аналогов, при величине дрейфа на 75% ниже.

Используя возможности технологии iCMOS, усилители AD8250 и AD8251 потребляют всего 3,5мА – на 75% меньше конкурентов, и поставляются в корпусах MSOP с 10-ю выводами, которые на 90% миниатюрнее, чем у ближайших аналогов в этом классе.

“Системы сбора данных, автоматическое измерительное оборудование и биомедицинские приборы требуют и широкой полосы, и точности по постоянному току. Производители аппаратуры пытаются добиться этого применением различных ИУ, или используя комбинацию аналоговых приборов”, – заметил Стив Соколов (Steve Sockolov), директор направления прецизионной обработки сигналов компании ANALOG DEVICES.

“Выпуская новые программируемые ИУ с лучшими на рынке значениями полосы и точности в сочетании с малым потреблением и миниатюрным корпусом, наша компания предоставляет покупателям возможность повысить качество и плотность каналов своих систем при легкости работы с нашими устройствами”.

Разработанные специально для промышленного и инструментального применения в широком интервале напряжений, усилители AD8250 и AD8251 работают с источниками питания от +/-5 до +/-12В, обеспечивая полосу пропускания 12MГц при времени установки 0,5мксек до уровня точности 0,01%. Значения температурного дрейфа входного напряжения смещения 1мкВ/С и точности 10 ррm|C являются самыми низкими для ИУ с программируемым усилением.

Благодаря новой для семейства ИУ возможности программируемой установки усиления, появляется дополнительная гибкость в работе, позволяющая подстроить усиление даже после установки усилителя в систему. Предлагаемые усилители идентичны, кроме шкалы программируемых значений усиления. AD8250 предусматривает ряд установки усиления 1, 2, 5 и 10дБ, а ряд для AD8251 составляет 1, 2, 4 и 8дБ.

Пользовательский интерфейс позволяет разработчику задать слово из 2-х бит для управления усилением тремя путями: оно может быть помещено в защелку тактового входа, оно может быть задано в течение 1мксек в прозрачном режиме передачи данных, или этот бит может быть привязан к высокому или низкому значению потенциала, постоянно устанавливающего величину усиления.

Усилители AD8250 AD8251 предназначены для работы с АЦП типа AD7621, AD7671/74/77/78/79, AD7685 и AD7946 PulSAR, в сочетании с источниками опорного напряжения ADR431 ADR435 от ANALOG DEVICES. Товарные партии усилителей будут поставляться с октября 2006 года. Приборы смонтированы в корпуса MSOP с 10-ю выводами.

Источник:terraelectronica

Другие новости …

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ в устройствах на микросхемах

Классический дифференциальный усилитель отличается довольно низким входным сопротивлением, что является мало устранимым недостатком. Заметно повысить входное сопротивление по обоим входам позволяет усовершенствованная схема дифференциального усилителя, называемого инструментальным.

Повысить низкое входное сопротивление обычного дифференциального усилителя, рис. 8.1, можно за счет использования его модификации — инструментального усилителя, схема которого приведена на рис. 9.1 [9.1,9.2]. Особенностью усилителя является возможность варьирования коэффициента передачи регулировкой одного лишь сопротивления — резистора R1. При условии R2/R3=R5/R4 выходное напряжение можно определить из выражения:

При условии R2=R3=R4=R5

Рис. 9.4. Схема инструментального дифференциального усилителя на трех ОУ

Рис. 9.3. Частотная зависимость коэффициента передачи инструментального дифференциального усилителя при варьировании номинала резистора Rl. R2=R4=100 кОм. R3=R5= 70 кОм. DA 7, DA2 UA741C. U_ex₂=0

Зависимость коэффициента передачи такого усилителя от номинала резистора R1 и частоты при U_Bx₂ = 0 показана на рис. 9.2 и рис. 9.3. Следует заметить, что при R1->O приведенные выше выражения теряют смысл. При Rl->oo

Дальнейшим развитием темы дифференциальных усилителей является инструментальный дифференциальный усилитель на трех однотипных ОУ [9.1], рис. 9.4. Это устройство обеспечивает более высокий коэффициент подавления синфазного входного сигнала. При выполнении соотношения R7/R5=R6/R4 выходное напряжение определяется как:

При условии ,

рис. 9.5. При условии Rl-Я) или Rl->°o также справедливы приведенные ранее выводы.

Практическая схема инструментального усилителя на основе микросхемы SSM2141 показана на рис.=0

Рис. 9.8. Схема дифференциального усилителя на микросхеме МАХ478

Рис. 9.9. Схема инструментального усилителя на микросхеме МАХ479 с коэффициентом передачи 7 00

Рис. 9.10. Схема строения и цоколевка микросхем дифференциальных усилителей МАХ4 744—МАХ4146

Типовая схема включения микросхемы МАХ478 приведена на рис. 9.8. Коэффициент передачи такого усилителя определяетсяиз выражения

Инструментальный усилитель на микросхеме МАХ479, рис. 9.9, при R2=R3, R4=R5, R6=R7 имеет коэффициент передачи

и для выбранных

номиналов элементов равен 100.

Примеры реализации готовых для практического использования дифференциальных усилителей в виде специализированных микросхем выборочно приведены ниже (микросхемы МАХ4144— МАХ4146, МАХ4149, АМР02, INA111, ΙΝΑ114, ΙΝΑ118, INA122, INA125, INA126, INA2126, AD623, AD625, AD830, LT1167, CLC408, CLC436 и др.), рис. 9.10—9.12.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Инструментальный усилитель

– обзор

11.2 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Инструментальный усилитель – это, по сути, дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления, который имеет внутреннюю компенсацию для минимизации неидеальных характеристик. В частности, он имеет очень высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, что означает, что напряжения сигнала, которые появляются на обоих входных клеммах, по существу игнорируются, а выход усилителя реагирует только на дифференциальный входной сигнал. В общем, инструментальный усилитель предназначен для достижения следующего:

1.: Напряжения смещения и дрейфы сведены к минимуму.
2.: Прирост стабилизирован.
3.: Нелинейность очень низкая.
4.: Входное сопротивление очень высокое.
5.: Выходное сопротивление очень низкое.
6.: Подавление синфазных помех очень велико.

В главе 9 была представлена схема вычитателя. Если перед схемой вычитателя установить два буферных усилителя, мы получим основу для основной схемы инструментального усилителя.Эта конфигурация показана на рисунке 11.1.

РИСУНОК 11.1. Базовый инструментальный усилитель представляет собой схему вычитания, которой предшествуют два буферных усилителя.

Для дальнейшего обсуждения воспользуемся значениями, показанными на рисунке 11.2.

РИСУНОК 11.2. Базовый инструментальный усилитель, используемый для численного анализа.

Поскольку усилители A ₁ и A ₂ работают с замкнутым контуром отрицательной обратной связи, мы можем ожидать, что напряжения на (-) входных клеммах усилителей будут равны напряжениям на их (+) входы.Это означает, что напряжение на верхнем конце R _G будет равно напряжению, приложенному к (-) входу всего инструментального усилителя. В данном примере это напряжение составляет +2 вольта. Точно так же напряжение на нижнем конце R _G будет таким же, как напряжение, приложенное к (+) входу всего инструментального усилителя (+2,1 В для этого примера). Напряжение на R _G ( v _G ) представляет собой разницу между двумя входными напряжениями:

| υG | = | υ1 − υ2 | = | 2V − 2.1V | = 0,1 В

Полярность падения напряжения зависит от относительной полярности и величины входных напряжений. Для данного примера нижний предел R _G является более положительным, поскольку v ₂ более положительный, чем v ₁. Ток через R _G может быть вычислен с помощью закона Ома как

iG = υGRG = 0,1 В 1 кОм = 100 мкА

Теперь, поскольку ни один из этого тока не может течь в усилители или из них A ₁ и A ₂ (без учета малых токов смещения), i _G также должны проходить через резисторы обратной связи этих усилителей.Закон Ома можно использовать для определения результирующего падения напряжения на резисторах обратной связи.

υR1 = υR2 = iGR1 = 100 мкА × 10 кОм = 1 В

Поскольку электронный ток течет вниз через R _G , полярность R ₁ и R ₂ будет такой показано на рисунке 11.2.

Напряжение на выходе A ₁ можно найти, применив закон Кирхгофа следующим образом:

υ1 ′ = υ1 − υR1 = + 2 V − 1 V = + 1 V

Аналогично, напряжение на выходе A ₂ вычисляется как

υ2 ′ = υ2 + υR2 = + 2.1 В + 1 В = + 3,1 В

Работа схемы вычитателя ( A ₃) обсуждалась в главе 9 и не будет здесь повторяться. Как вы помните, результат – это просто разница между входными данными. В данном случае выход A ₃ будет

υO = υ2′ − υ1 ′ = 3,1 V − 1 V = + 2,1 V

Мы можем применить некоторые основные алгебраические манипуляции, чтобы определить важное уравнение для усиление напряжения. Мы уже определили следующие отношения (с полярностями, показанными на рисунке 11.2):

υ1 ′ = υ1 − υR1υ2 ′ = υ2 + υR2iG = υ2 − υ1RGυR1 = iGR1 = (υ2 − υ1) R1RGυR2 = iGR2 = (υ2 − υ1) R2RGυO = υ1 ′ − υ2, подстановка дает получим следующие результаты:

υO = (υ2 + υR2) – (υ1 − υR1) = [υ2 + (υ2 − υ1) R2RG] – [υ1− (υ2 − υ1) R1RG] = [(υ2 − υ1) + ( R1 + R2) (υ2 − υ1) RG]

Поскольку резисторы R ₁ и R ₂ равны, мы можем заменить выражение R ₁ + R ₂ на выражение 2 R. Выполнение этой замены и упрощения дает нам следующие результаты.

Коэффициент усиления по напряжению равен выходному напряжению усилителя, деленному на его входное напряжение, а входное напряжение для нашей нынешней схемы составляет В ₂ – В ₁; следовательно, теперь мы можем получить наше окончательное уравнение усиления

Это показывает нам, что коэффициент усиления инструментального усилителя определяется величиной внешнего резистора R _G. В случае схемы на Рисунке 11.2, коэффициент усиления по напряжению вычисляется как

AV = 2RRG + 1 = 20 кОм 1 кОм + 1 = 21

Это, конечно, коррелирует с нашим более ранним открытием, что входное напряжение 0,1 вольт (2,1 В -2 V ) выдает выходное напряжение 2,1 В.

Реальные интегрированные инструментальные усилители могут использовать один или два внешних резистора для определения коэффициента усиления усилителя по напряжению. Некоторые устройства имеют внутренние прецизионные резисторы, которые можно перемкнуть в цепь для получения определенных фиксированных коэффициентов усиления (например,г., 10, 100 и 1000). Кроме того, они обычно имеют другие входы для таких вещей, как подстройка напряжения смещения и изменение частотной характеристики (частотная компенсация).

Инструментальный усилитель является важным строительным блоком на базе операционных усилителей. Понимание его общей работы в сочетании с данными, предоставленными производителем, позволит вам эффективно использовать это устройство.

Инструментальный усилитель

– принцип работы, применение, преимущества

Инструментальный усилитель

(In-Amp) является основным компонентом каждого измерительного прибора и испытательного оборудования.Инструментальный усилитель – это тип дифференциального усилителя, который обеспечивает высокое подавление синфазного сигнала. Инструментальный усилитель доступен в виде интегральной схемы, а также может быть построен с использованием операционных усилителей и резисторов с очень низким значением допуска, называемых прецизионными резисторами. Этот пост предоставит вам лучшее понимание того, что такое инструментальный усилитель, его принцип работы, применения, преимущества и недостатки.

Что такое инструментальный усилитель

Инструментальные усилители в основном используются для усиления небольших дифференциальных сигналов.Инструментальный усилитель обеспечивает наиболее важную функцию подавления синфазного сигнала (CMR). Он подавляет любые сигналы с одинаковым потенциалом на обоих входах. Сигналы, которые имеют разность потенциалов между входами, усиливаются.

Инструментальный усилитель (In-Amp) используется для низкочастотных сигналов (± 1 МГц), чтобы обеспечить большое усиление. Он усиливает входной сигнал, подавляя синфазный шум, присутствующий во входном сигнале.

Фиг.1 – Введение в инструментальный усилитель

По сути, типичная конфигурация инструментального усилителя состоит из трех операционных усилителей и нескольких резисторов. Для достижения наивысшего коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR) используются высокоточные резисторы (допуск 0,1% или лучше).

На рисунке 2 ниже показаны конфигурация контактов и физический вид IC, AD620 In-Amp (инструментальный усилитель). Это был промышленный стандарт, высокопроизводительный и недорогой усилитель. Он полностью монолитен и доступен как в 8-выводном корпусе DIP, так и в корпусе SOIC.Пользователь может получить любое желаемое усиление от 1 до 1000, используя один внешний резистор. По конструкции номиналы фиксированного резистора для коэффициентов усиления 10 и 100 являются стандартными значениями металлопленочного резистора 1%.

Рис. 2 – (a) Конфигурация контактов (b) Инструментальный усилитель AD620

Принцип работы инструментального усилителя
На рисунке 3 ниже представлена конфигурация инструментального усилителя с использованием двух операционных усилителей, где V1 и V2 – входные напряжения, а V01, Vo2 – выходы операционных усилителей 1 и 2 соответственно.R1, R2, R3 – резисторы, а выходной каскад инструментального усилителя – это дифференциальный усилитель, выход которого V _out представляет собой усиленную разность входных сигналов.
Входы двух буферных операционных усилителей не потребляют ток, и, следовательно, падение напряжения на Rg пропорционально дифференциальному напряжению V1 и V2. Это создает ток, который полностью проходит через резисторы R, и создаваемое напряжение действует как вход в дифференциальный усилитель или схему вычитания.
Все резисторы, кроме Rg, равны. Rg может быть внешним резистором, подключенным к двум контактам ИС. Если контакты не подключены, то коэффициент усиления усилителя равен 1, но предпочтительно различные коэффициенты усиления могут быть получены путем подключения резистора соответствующего номинала. В качестве альтернативы, на микросхеме может быть изготовлено несколько резисторов для получения коэффициентов усиления 1, 10, 100 и 1000.
Рис. 3 – Конфигурация инструментального усилителя
Подобно схеме операционного усилителя, входной буфер усилители (ОУ 1 и ОУ 2) инструментального усилителя пропускают синфазный сигнал с единичным усилением.Сигнал усиливается обоими буферами. Выходные сигналы из двух буферов подключаются к секции вычитания инструментального усилителя. Дифференциальный сигнал усиливается с низким коэффициентом усиления или единицей, а синфазное напряжение ослабляется.
Потенциал в узле A представляет собой инвертирующее входное напряжение V ₁. Исходя из концепции виртуального короткого замыкания, потенциал в узлах B и G также равен V ₁. Потенциал в узле D – это неинвертирующее входное напряжение V ₂.Следовательно, потенциал в узлах C и H также равен V ₂.
Ток I через резисторы R ₁, R _{, усиление} и R ₁ остается неизменным, так как в идеале ток на ОУ входного каскада равен нулю.
Применение закона Ома между узлами E и F
I = (V _o1 -V _o2) / (R ₁ + R _{усиление} + R ₁)
I = (V _o1 -V _o2) / (2R ₁ + R _{усиление})
Поскольку на вход операционных усилителей 1 и 2 нет тока, ток I между узлами G и H может быть задано как,
I = (V _G -V _H) / R _{усиление} = (V ₁ -V ₂) / R _{усиление}
Выход разностного усилителя определяется по: –

V _o = (R ₃ / R ₂ ) (V _o1 -V )

Теоретически это означает, что конечный пользователь может получить желаемое усиление на входе без увеличения синфазного усиления и d ошибка.То есть дифференциальный сигнал будет увеличиваться на усиление, и, таким образом, CMRR прямо пропорционален усилению.

Применения инструментального усилителя

Аппаратный усилитель применяется:

Они широко используются в биомедицинских приложениях, таких как ЭКГ и ЭЭГ.
используются там, где важна долговременная стабильность, например, в промышленных приложениях, включая автоматизацию.
Инструментальные усилители объединены с датчиками давления в системах взвешивания для контроля различных физических величин, таких как вес, сила, давление, смещение и крутящий момент.
Они используются в игровой индустрии.
Измерительные усилители также используются в переносных батареях.

Преимущества инструментального усилителя

Преимущества инструментального усилителя:

Напряжение смещения минимизировано.
Коэффициент усиления по напряжению высокий, поскольку в конфигурации используются высокоточные резисторы.
Коэффициент усиления схемы можно изменять, используя резистор определенного номинала.
Нелинейность очень низкая.Это внутреннее ограничение производительности устройства, которое не может быть устранено внешней регулировкой, но может быть разработано только производителем.
Входное сопротивление очень высокое, чтобы избежать перегрузки источника входного сигнала, а выходное сопротивление очень низкое.
Подавление синфазного сигнала очень велико.

Недостаток инструментального усилителя

Самым большим недостатком инструментального усилителя является возникновение шума при использовании для передачи на большие расстояния

  Также прочтите:
   Что такое предохранитель - символы, характеристики, типы, применение и преимущества 
  Оптоэлектроника - оптоэлектронные устройства, приложения и перспективы на будущее 
 Цветовые коды проводки  - коды США, Великобритании, Европы и Канады, когда применять

Инструментальные усилители | In-Amp | INA128

Инструментальные усилители (иногда сокращенно до In-Amps) представляют собой тип прецизионных блоков усиления, используемых в электронном и измерительном испытательном оборудовании.Инструментальные усилители действуют как дифференциальный усилитель; Тип электронного усилителя, который усиливает разность напряжений между двумя входами, но подавляет любые сигналы напряжения, общие для двух входов. RS Components предлагает ряд инструментальных усилителей от нескольких надежных производителей в отрасли, включая Analog Devices, Microchip, Texas Instruments и другие.

Как работают инструментальные усилители?

Инструментальные усилители почти всегда состоят из 3 операционных усилителей (операционных усилителей) и нескольких резисторов.Они обеспечивают наиболее важную функцию CMR (подавление синфазного сигнала), подавляя любые сигналы, которые имеют тот же потенциал, что и принятые обоими входами. Усиливаются любые сигналы с разными потенциалами. Они используются для низкочастотных сигналов (например,

). Для чего используются инструментальные усилители? свободное синфазное напряжение и фактическое синфазное напряжение).Инструментальный усилитель использует подавление синфазного сигнала, чтобы отличить шум от интересующего сигнала. Инструментальные усилители необходимы почти во всех областях электроники, особенно в испытательной и измерительной промышленности. Их можно использовать в качестве повторителей напряжения, схемы селективной инверсии, преобразователя тока в напряжение, активного выпрямителя, интегратора, различных фильтров и компаратора напряжения.

В отличие от инструментальных усилителей (In Amp), операционные усилители (Op-Amp) представляют собой устройства усиления напряжения с высоким коэффициентом усиления и дифференциальным входом.

Типичные области применения

Контрольно-измерительные приборы Промышленные устройства
Устройства сбора данных
Медицинские приборы

Что такое инструментальный усилитель?

Одним из типов ИС (интегральных схем), используемых в основном для усиления сигнала, является инструментальный усилитель. Этот усилитель принадлежит к семейству дифференциальных усилителей, поскольку он увеличивает разницу между двумя входами. Основная цель этого усилителя – уменьшить избыточный шум, выбираемый схемой.Каждый вывод IC, известный как CMRRR, знаком с возможностью подавления шума (коэффициент подавления синфазного сигнала). Благодаря своим характеристикам, таким как высокий CMRR, высокий коэффициент усиления без обратной связи, низкий дрейф, а также низкий сдвиг по постоянному току и т. Д., ИС инструментального усилителя является неотъемлемым компонентом в конфигурации схемы.

Каталог

I. Общее описание инструментального усилителя

Инструментальный усилитель , усовершенствованный дифференциальный усилитель , имеет входной буфер и не требует согласования входного импеданса, что делает усилитель пригодным для измерений и электронные инструменты.Характеристики включают очень низкое смещение по постоянному току, низкий дрейф, низкий уровень шума, очень высокий коэффициент усиления без обратной связи, очень большой коэффициент подавления синфазного сигнала и высокое входное сопротивление. Инструментальные усилители используются в схемах, требующих очень высокой точности и стабильности.

Для воспроизведения сигналов очень низкого уровня, подавления шумовых и интерференционных сигналов, используется инструментальный усилитель. Примерами могут служить сердцебиение, артериальное давление, температура, землетрясения и т. Д. Таким образом, основные характеристики хорошего инструментального усилителя заключаются в следующем.

Сигнал на входах инструментальных усилителей будет очень низким. Тогда инструментальный усилитель должен иметь высокий коэффициент усиления и быть точным.

Используя одинарный триггер , можно удобно регулировать усиление.
Во избежание нагрузки он должен иметь высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс .
Инструментальный усилитель должен иметь высокий CMRR , потому что при передаче по длинным проводам на выходе преобразователя обычно содержатся синфазные сигналы, такие как шум.
Чтобы контролировать время резкого нарастания событий и иметь полный неискаженный размах выходного напряжения, он также должен обеспечивать высокую скорость нарастания .

С быстрым развитием электронной техники, схемы операционного усилителя также получили широкое распространение. Инструментальный усилитель представляет собой прецизионный дифференциальный усилитель напряжения, созданный на основе операционного усилителя и лучше, чем операционный усилитель. Инструментальный усилитель объединяет ключевые компоненты внутри усилителя.Благодаря своей уникальной структуре он обладает такими характеристиками, как высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, высокий входной импеданс, низкий уровень шума, низкая погрешность линейности, низкий дрейф смещения, гибкая настройка усиления и удобство использования. Популярны прием, усиление сигнала датчика, высокоскоростная регулировка сигнала, медицинские инструменты и высококачественное аудиооборудование. Инструментальный усилитель – это компонент усиления с обратной связью с дифференциальным входом и несимметричным выходом относительно опорного конца. Он имеет дифференциальный вход и несимметричный выход относительно опорного конца.Отличие от операционного усилителя состоит в том, что коэффициент усиления операционного усилителя с обратной связью определяется внешним сопротивлением, подключенным между инвертирующим входом и выходом, в то время как инструментальный усилитель использует внутреннюю цепь резисторов обратной связи, изолированную от входа. Входной сигнал подается на две дифференциальные входные клеммы инструментального усилителя, и его коэффициент усиления может быть предварительно установлен внутри или предварительно установлен пользователем посредством внутренней настройки вывода или через внешний резистор усиления, изолированный от входного сигнала.

Инструментальный усилитель с операционным усилителем

Ниже показано использование инструментального усилителя на схеме операционного усилителя . Неинвертирующие усилители – это операционные усилители 1 и 2, а операционный усилитель 3 – это дифференциальный усилитель. Вместе эти три операционных усилителя образуют усилитель для измерительной аппаратуры. Конечным значением инструментального усилителя Vout является увеличенная дисперсия входных сигналов, добавленных к входным клеммам операционного усилителя 3. Пусть выходы операционного усилителя 1 и операционного усилителя 2 имеют значения Vo1 и Vo2 соответственно.

Vout = (R3 / R2) затем (Vo1-Vo2)

Как показано на рисунке ниже, посмотрите на входной каскад инструментального усилителя. Ниже приводится обсуждение производства инструментального усилителя.

Потенциал – это входное напряжение V1 в узле A. Следовательно, из виртуального краткого определения емкость в узле B также равна V1. Таким образом, пропускная способность узла G также равна V1.

Потенциал – это входное напряжение V2 в узле D. Таким образом, емкость в узле C также равна V2 из-за виртуального короткого замыкания.Пропускная способность узла H, таким образом, также равна V2.

В идеале, ток на операционных усилителях входного каскада равен нулю для работы инструментального усилителя. Следовательно, ток I через резисторы R1, Rgain и R1 остается прежним.

Применение закона Ома между узлами E и F,

I = (Vo1-Vo2) / (R1 + Rgain + R1) … (1)

I = (Vo1-Vo2) / (2R1 + Rgain)

Поскольку на вход операционных усилителей 1 и 2 ток не поступает, можно передать ток I между узлами G и H как:

I = (VG-VH) / Rgain = (V1-V2) / Rgain… (2)

Приравнивая уравнения 1 и 2,

(Vo1-Vo2) / (2R1 + Rgain) = (V1-V2) / Rgain

(Vo1-Vo2) = (2R1 + Rgain) (V1- V2) / Rgain … (3)

Выход дифференциального усилителя определяется как,

Vout = (R3 / R2) (Vo1-Vo2)

Следовательно, (Vo1 – Vo2) = (R2 / R3 ) Vout

Подставляя значение (Vo1 – Vo2) в уравнение 3, мы получаем

(R2 / R3) Vout = (2R1 + Rgain) (V1-V2) / Rgain

, т.е. Vout = (R3 / R2) {( 2R1 + Rgain) / Rgain} (V1-V2)

Приведенное выше уравнение дает выходное напряжение инструментального усилителя.

Выражение (R3 / R2) {(2R1 + Rgain) / Rgain} дает общее усиление усилителя.

Изменяя номинал резистора Rgain, можно регулировать общий коэффициент усиления по напряжению инструментального усилителя.

Дифференциальный усилитель обеспечивает ослабление синфазного сигнала для инструментального усилителя.

II. Характеристики инструментального усилителя

Инструментальный усилитель представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления, связанный по постоянному току, с дифференциальным входом, несимметричным выходом, высоким входным сопротивлением и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, низким уровнем шума, низкой погрешностью линейности, низким напряжением смещения. дрейф напряжения смещения и низкое входное смещение. Такие характеристики, как погрешность тока и тока смещения.

1. Преимущества инструментального усилителя

(1) Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала

Инструментальный усилитель имеет свойство устранять любой синфазный сигнал (два входных терминала имеют одинаковый потенциал) и усиливать дифференциальный режим. сигнал (две входные клеммы имеют разные потенциалы). Для правильной работы инструментального усилителя необходимо усилить микровольтные сигналы дифференциального режима и в то же время подавить синфазные сигналы в несколько вольт.Инструментальный усилитель, реализующий эту функцию, должен иметь высокую способность подавления синфазного сигнала. Типичное значение коэффициента подавления синфазного сигнала составляет 70–100 дБ. Обычно, когда коэффициент усиления высокий, характеристики CMRR будут улучшены, то есть CMRR будет выше, когда коэффициент усиления высокий, и ниже, когда коэффициент усиления низкий.

(2) Малая линейная погрешность

Входное смещение и масштабный коэффициент можно исправить с помощью внешней настройки, в то время как линейная погрешность является внутренним дефектом устройства и не может быть устранена внешней настройкой.Таким образом, небольшая линейная погрешность инструментального усилителя реализуется производителем за счет использования передовых производственных технологий и конструкции микросхемы. Для высокопроизводительного инструментального усилителя погрешность линейности составляет 0,01%, а у некоторых может даже достигать 0,0001%.

(3) Высокое входное сопротивление

В реальной прикладной схеме полное сопротивление источника сигнала может быть очень высоким или несимметричным. Чтобы обеспечить хорошее согласование, входной импеданс инструментального усилителя не только очень высок, но и имеет хорошие характеристики согласования.Типичное значение входного сопротивления составляет 109-1012 Ом.

(4) Низкий уровень шума

Инструментальные усилители часто используются в суровых условиях для завершения приема и предварительной обработки более слабых сигналов, поэтому это должно быть устройство с низким уровнем шума, а отношение сигнал / шум слишком низкое для работы . В нормальных условиях, когда частота входного сигнала составляет 1 кГц, шум, называемый входом инструментального усилителя, должен быть менее 10 нВ / Гц. Для улучшения отношения сигнал / шум, как правило, нежелательно, чтобы инструментальный усилитель добавлял к сигналу собственный шум.

(5) Низкое напряжение смещения и низкий дрейф напряжения смещения

Дрейф напряжения смещения инструментального усилителя состоит из двух частей: входа и выхода. Каждая часть влияет на общее усиление, но когда усиление увеличивается, дрейф смещения входной части становится основным источником ошибок, и влияние выходной части можно игнорировать. Типичные значения смещения входа и выхода составляют 100 В и 2 мВ соответственно. Кроме того, инструментальный усилитель обладает отличной стабильностью.При изменении условий эксплуатации его основные параметры остаются стабильными. И прост в использовании, нужно только обнаружить разность потенциалов между двумя входными клеммами. Кроме того, из-за высокой степени интеграции все основные компоненты выполнены внутри микросхемы, а периферийных компонентов мало.

2. Разница между операционным усилителем и инструментальным усилителем

Сказанное выше является основными различиями между операционным усилителем и инструментальным усилителем.

Одним из типов интегральных схем является активный усилитель (операционный усилитель).

Одним из типов дифференциальных усилителей является инструментальный усилитель.

Возможно создание инструментальных усилителей с тремя операционными усилителями.

Для создания дифференциального усилителя можно использовать один операционный усилитель.

На выходное напряжение дифференциального усилителя влияет рассогласование резисторов.

Инструментальный усилитель создает усиление в своей первичной фазе с помощью одного резистора, для которого не требуется соответствующий резистор.

III. Применение инструментального усилителя

В реализациях инструментального усилителя использовалось следующее:

l Такие усилители, в частности, используются там, где требуется высокая точность дифференциального усиления, мощность должна поддерживаться в шумных условиях, а также там, где есть большие синфазные сигналы. . Любое из приложений –

л Инструментальные усилители используются для сбора данных с небольших преобразователей O / P, таких как термопары, тензодатчики, весы моста Уитстона и т. Д.

l В навигации, аптеке, радарах и т. Д. Эти усилители используются.

l Эти усилители используются в аудиоприложениях, таких как аудиосигналы с малой амплитудой, для увеличения отношения сигнал / шум (сигнал / шум).

l Такие усилители используются в высокоскоростных преобразователях сигналов для формирования изображений, а также для сбора видеоданных.

l В кабельных сетях RF эти усилители используются для усиления высокочастотного сигнала.

Инструментальные усилители | KYOWA

Инструментальные усилители

Kyowa подключаются к нескольким широко используемым тензодатчикам, таким как тензодатчики, датчики давления и т. Д.и позволяют нам контролировать различные физические величины, такие как вес, усилие, давление, смещение и крутящий момент.
Кроме того, они предоставляют несколько выходных сигналов для управления, таких как аналоговые, компараторные, BCD, RS-232C и CC-Link.

Система взвешивания со встроенными датчиками веса или система со встроенными датчиками давления, встроенная в различные станки или промышленных роботов, которые используются в сталеплавильном, цементном, пищевом, фармацевтическом и химическом секторах для целей измерения. , мониторинг или контроль по различным тестам.

Последние тенденции в области экономии рабочей силы, обеспечения качества и управления безопасностью все более ускоряют применение инструментальных усилителей Kyowa в различных областях промышленности.

Инструментальный усилитель

Прикладные системы с тензодатчиками

Принимая нагрузки от подъемного механизма с использованием нескольких тензодатчиков, система определяет общий вес, а затем измеряет реальную нагрузку после вычитания тары.
Поскольку серия WGA выводит аналоговый сигнал на внешний измеритель, отслеживается подъемная нагрузка.
Кроме того, сигналы верхнего и нижнего пределов сообщают о перегрузке и делают систему пригодной для управления безопасностью.

Контроль содержимого резервуаров

Взвешивание содержимого каждого резервуара позволяет автоматизировать работу и сократить трудозатраты на перемешивание.
На каждый резервуар обычно устанавливаются три или четыре датчика веса. Выходные сигналы суммируются с помощью распределительной коробки и затем усиливаются.
Релейный выход используется для контроля количества материала в каждом резервуаре.

Измерение нагрузки при прессовой посадке

В автомобильной промышленности датчик нагрузки и инструментальный усилитель используются для измерения и оценки нагрузки, создаваемой запрессовываемыми деталями кондиционирования воздуха.Инструментальный усилитель обеспечивает функцию удержания пикового значения и выводит оценочный сигнал на индикатор OK / NG после сравнения каждого измеренного значения с эталонным значением. Система применяется для аналогичных процессов запрессовки в других отраслях промышленности.

Контроль натяжения ткани

В текстильной промышленности для контроля качества используются квадратные тензодатчики и измерительные усилители для измерения натяжения ткани и обеспечения равномерного натяжения. Эта же система широко используется для производства стального проката, металла, бумаги, пленки и ленты.

Измерение веса муки

В мукомольной промышленности датчики веса и измерительные усилители используются для взвешивания материала в мешках с целью определения, соответствует ли вес указанному.
Результат выводится на индикатор OK / NG. Поскольку тензодатчик лучевого типа является очень точным и тонким, он подходит в качестве датчика для системы. Та же система используется для взвешивания материалов в мешках в области производства кормов, цемента и пищевых продуктов.

Прикладная система датчика давления

Контроль качества продукции

В этой системе датчик давления определяет давление газа, который запечатан в контейнере, а инструментальный усилитель WGA-710C измеряет обнаруженный сигнал, а затем сравнивает его с предварительно установленным значением для оценки ОК / НЕТ.

Инструментальные усилители для ЭМС, научных и медицинских приложений

Наши инструментальные усилители (мощные ВЧ- и СВЧ-усилители) для EMC HIRF-тестирования, военных испытаний, моделирования EW и научных приложений основаны на той же технологии импульсных источников питания, что и наши усиленные усилители – со всеми преимуществами производительности и надежности, но были аккуратно упакованы для менее требовательных физических сред в компактные, легкие и доступные по цене устройства, монтируемые в стойку.Наша новая модульная конструкция (серия PTCM) имеет множество преимуществ для пользователей, включая усовершенствованную самодиагностику, интерфейс Ethernet, удаленное управление, защиту VSWR и заменяемые блоки питания на месте.

Наши стандартные усилители, как на основе ЛБВ, так и твердотельные, описаны в прилагаемой брошюре внизу слева (и в таблицах ниже), охватывая диапазон 9 кГц – 40 ГГц как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Кроме того, специальные продукты могут быть разработаны в соответствии с конкретными требованиями клиентов.

Охватываемые приложения:

Испытания EMC HIRF – соответствие самым строгим требованиям RTCA / DO-160
Военные испытания на соответствие стандарту MIL 461200 В / м
Научные исследования
Тестирование компонентов высокой мощности (тестирование PIM)
EW Simulation

Последние разработки включают в себя ряд усилителей HIRF сверхвысокой мощности, обычно достигающих более 10 кВт.Испытательные лаборатории на ЭМС, использующие усилители TMD, генерируют 14 000 В / м, что легко соответствует последним, самым строгим требованиям RTCA / DO-160. Доступны как TWT, так и твердотельные варианты.

Чтобы упростить сравнение продуктов, вы можете отсортировать по любой столбец в таблицах, щелкнув стрелки в строке заголовка. В списке представлены только некоторые из наших универсальных продуктов, и доступно множество других вариантов. Если вы не видите именно то, что ищете, свяжитесь с нами, и мы будем рады разработать индивидуальное решение для совместной работы.

Стандартные широкополосные усилители на ЛБВ

CW 1-40,0 ГГц (также доступны варианты CW / импульсный)

Типовой номер	Freq. Диапазон (ГГц)	Выходная мощность (Вт мин.)	Выходная мощность (Вт тип.)	Высота	Длина (мм)	Типовой Масса 5 (кг)
PTCM1012	0,8 – 2.5	500	560	6u	800	45
PTC7440	1,0 – 2,5	1000	1000	12u	700	110
PTCM1011	1,0 – 18,0	50	60	6u	800	45
PTCM1003	2,0 – 4,0	250	300	6u	800	45
PTCM1004	2.0–6,0	200	250	6u	800	45
PTC7441	2,5 – 7,5	1000	1000	12u	700	110
PTCM1013	2,5 – 7,5	500	560	6u	800	45
PTCM1005	2,5 – 8,0	250	300	6u	800	45
PTCM1006	4.0–8,0	250	300	6u	800	45
PTCM1008	6,0 – 18,0	300	320	6u	800	45
PTC6522	6,0 – 18,0	550	570	8u	700	48
PTCM1007	6,5 – 18,0	200	220	6u	800	45
PTC7442	7.5 – 18,0	1000	1000	19u	700	130
PTCM1009	7,5 – 18,0	200	250	6u	800	45
PTCM1010	7,5 – 18,0	250	300	6u	800	45
PTC6442	7,5 – 18,0	500	560	8u	700	48
PTCM1014	10.5 – 13,0	400	450	6u	800	45
PTCM10031	17,3 – 22,0	1700	1900	24u	800	200
PTCM1015	17,5 – 21,5	210	280	6u	800	45
PTCM1016	18,0 – 28,0	45	70	6u	800	45
PTCM1017	18.0 – 23,0	210	311	6u	800	45
PTC6437	18,0 – 23,0	250	270	4u	700	30
PTCM1018	18,0 – 40,0	40	80	6u	800	45
PTCM1019	23,0 – 27,0	400	420	6u	800	45
PTC10010	25.0 – 33,0	100	120	6u	800	100
PTCM1022	26,0 – 31,0	200	220	6u	800	45
PTCM1023	26,5 – 40,0	40	70	6u	800	45
PTCM1024	27,0 – 31,0	112	125	6u	800	45
PTC9995	30.0–40,0	125	170	4u	800	45
PTCM1025	31,6 – 32,5	230	260	6u	800	45
PTCM1027	34,5 – 35,5	100	35	6u	800	47
PTCM1026	35,65 – 35,85	300	320	6u	800	45
PTCM20066	38.0 – 42,0	180	200	12u	800	100

Стандартные широкополосные усилители на ЛБВ

Импульсный 1-18 ГГц

Типовой номер	Freq. Диапазон (ГГц)	Выходная мощность (Вт мин) 800	Выходная мощность (Вт тип.)	Рабочий цикл (макс.%)	Длина импульса (мкс)	Высота	Длина (мм)	Типовой Масса (кг)
PTC6704	1.0 – 1,5	10000	11000	1	0,2-50	4u	900	40
PTC6708	1,0 – 1,5	10000	11000	2	0,2-20	8u	880	40
PTC9740	1,0 – 1,5	8000	9000	4	0,2-20	8u	880	40
PTC7030	1.1 – 1,5	30000	40000	1	0,2-20	8u	1200	100
PTC6706	1,5 – 2,0	7000	8000	1	0,2-20	4u	880	30
PTC6709	1,5 – 2,0	8000	10000	2	0,2-20	8u	880	40
PTC9741	1.5 – 2,0	6000	9000	4	0,2-20	8u	880	40
PTCM1211P	2,0 – 4,0	5000	5500	6	0,2-20	6u	800	47
PTCM1201P	2,0 – 4,0	1700	2000	6	0,2-100	6u	800	47
PTCM2211P	2.0–4,0	9000	11000	6	0,2-50	12u	880	100
PTCM1207P	2,0 – 8,0	1900	2100	6	0,2-100	6u	800	47
PTC7383	2,0 – 8,0	3500	4000	6	0,2-100	8u	700	70
PTC2219P	2.0–8,0	7000	10000	6	0,2-50	12u	880	100
PTCM1202P	2,5 – 8,0	1700	2100	6	0,2-100	6u	800	47
PTCM1212P	2,9 – 4,0	9000	11000	4	0,2-50	6u	800	47
PTCM1203P	4.0–8,0	1700	2100	6	0,2-100	6u	800	47
PTCM1219P	4,0 – 8,0	4000	5000	6	0,2-20	6u	780	35
PTCM2219P	4,0 – 8,0	7000	10000	6	0,2-50	12u	880	100
PTCM1204P	5.0–11,0	1600	2200	5	0,2-100	6u	800	47
PTC9643	6,5 – 18,0	2000	2400	6	0,2-50	8u	800	70
PTCM1205P	7,5 – 18,0	1500	2000	6	0,2-100	6u	800	47
PTCM2214P	8.0–11,0	12000	12600	5	0,2-20	12u	880	110
PTCM1208P	8,0 – 12,4	1700	2500	6	0,2-20	6u	800	47
PTCM2213P	8,0 – 12,4	8000	9000	5	0,2-50	12u	800	100
PTCM1209P	8.0 – 18,0	2000	2200	4	0,2-20	6u	800	47
PTCM1213P	8,0 – 12,4	4000	5000	6	0,2-20	6u	800	47
PTCM1214P	8,0 – 11,0	5900	7500	5	0,2-20	6u	800	47
PTC7362	8.0–11,0	12000	12600	5	0,2-50	12u	880	110
PTCM1216P	8,0 – 12,0	4200	5000	6	0,2-50	6u	800	47
PTC7368	8,0 – 12,4	8000	9000	5	0,2-50	12u	800	100
PTCM1220P	8.5 – 10,5	6800	8000	5	0,2-100	IFA	S	30
PTCM1215P	8,7 – 10,0	5000	6500	7	0,2-50	6u	800	47
PTCM1217P	10,5 – 12,5	9000	10000	2	0,1-20	6u	800	47
PTCM1218P	12.4 -18,0	3500	4000	6	0,2-20	6u	800	47
PTCM2218P	12,4 -18,0	6000	8000	6	0,2-50	12u	880	100

Стандартные твердотельные усилители

9 кГц – 18 ГГц (доступны варианты CW и импульсный)

Типовой номер	Freq.Диапазон (МГц)	Выходная мощность (Вт мин.)	Выходная мощность (Вт тип.)	Рабочий цикл (макс.%)	Длина импульса (мкс)
PTCS9648	0,009 – 100	500	550	100	–
PTCS9649	0,009 – 100	600	700	100	–
PTCS9669	0.009–220	3000	3300	100	–
PTCS9670	0,009 – 220	5000	5500	100	–
PTCS9732	0,009 – 250	500	550	100	–
PTCS9711	0,009 – 250	800	900	100	–
PTCS9717	0.009–400	400	450	100	–
PTCS9667	20–100	500	550	100	–
PTCS9668	20–100	1000	1100	100	–
PTCS9719	80–1000	250	300	100	–
PTCS9729	80–1000	400	450	100	–
PTCS9684	80–1000	1000	1100	100	–
PTCS6909	80–3000	500	550	100	–
PTCS6922	200–1000	1000	1100	100	–
PTCS6924	400–1000	1200	1300	100	–
PTCS9762	400–1000	1500	1600	100	–
PTCS9761	400–1000	2000	2100	100	–
PTCS6913	400–1000	4000	4200	100	–
PTCS10065	400–1000	4000	4400	10	100 нас
PTCS9731	500–2000	500	550	100	–
PTCS10064	500–2000	2000	2200	10	100 нас
PTCS6932	500–2500	200	220	100	–
PTCS6907	500–2500	250	270	100	–
PTCS10063	500–2500	500	550	100	–
PTCS10062	700–18000	30	35	100	–
PTS9611	800–2500	250	280	100	–
PTCS6918	800–3000	200	220	100	–
PTCS9655	800–3000	250	280	100	–
PTCS9651	800–4200	700	770	100	–
PTCS7364	1000–2000	200	220	100	–
PTCS10052	1000–2000	4000	4400	10	100 нас
PTCS6941	1000–2000	8000	9000	10	100 нас
PTCS6942	1000–2000	11000	12000	10	100 нас
PTCS6923	1000–2500	500	550	100	–
PTCS9672	1000–2500	1000	1100	100	–
PTCS6929	1000–2500	1000	1100	6%	0.2-50 мкс
PTCS9650	1000–3000	100	110	100	–
PTCS9720	1000–4000	120	130	100	–
PTS9612	1000–6000	50	55	100	–
PTCS6937	1000–18000	10	12	100	–
PTCS9756	1000–18000	50	60	100	–
PTCS9759	2000–6000	100	110	100	–
PTCS9758	2000–6000	200	220	100	–
PTCS9757	2000–6000	500	550	100	–

Таблицы данных в настоящее время загружаются на сайт.А пока, пожалуйста, свяжитесь с [email protected], чтобы получить любую необходимую таблицу данных.

В TMD Technologies мы разрабатываем и производим инструментальные усилители более 20 лет и охватываем следующие типы и области применения:

Усилители для испытаний на ЭМС

Усилители высокой мощности для испытаний на ЭМС
Усилители ЛБВ для тестирования ЭМС
TWTA для тестирования ЭМС
Полупроводниковые усилители для испытаний на ЭМС

Усилители для линейных ускорителей

Усилители большой мощности для линейных ускорителей
Усилители ЛБВ для линейных ускорителей
ЛБВ для линейных ускорителей
Полупроводниковые усилители для испытаний на ЭМС

Усилители для тестирования компонентов

Усилители большой мощности для тестирования компонентов
Усилители ЛБВ для тестирования компонентов
TWTA для тестирования компонентов
Полупроводниковые усилители для тестирования компонентов

Для получения дополнительной информации или запроса по телефону, обращайтесь к нам.

Фотографии баннера любезно предоставлены Element Materials Technology и Honeywell Aerospace

6.2: Инструментальные усилители – Engineering LibreTexts

Существует множество приложений, где необходимо усилить дифференциальный сигнал. К ним относятся измерения мостов низкого уровня, симметричные линии микрофонов, оборудование связи, усилители термопар и т.п. Непосредственным ответом на эти приложения является конфигурация дифференциального операционного усилителя, описанная в главе 4.К сожалению, у этой формы есть ограничения. Во-первых, практически невозможно добиться согласованных входов с высоким импедансом при сохранении высокого усиления и удовлетворительных характеристик смещения и шума. В этом отношении входные сопротивления не изолированы; действительно, импеданс одного входа вполне может быть функцией сигнала, присутствующего на другом входе. Проще говоря, это неприемлемая ситуация, когда необходим прецизионный усилитель, особенно если сопротивление источника не очень низкое.

Инструментальный усилитель решает эти проблемы. Инструментальные усилители обладают очень высоким импедансом, изолированными входами, высоким коэффициентом усиления и отличными характеристиками CMRR. Некоторым людям нравится думать об инструментальных усилителях как о разновидности «усиленного» дифференциального усилителя. Инструментальные усилители могут быть изготовлены из отдельных операционных усилителей. Они также доступны на одной микросхеме для максимальной производительности.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Базовый дифференциальный усилитель (слева) и с буферами (справа).

Инструментальные усилители, по сути, представляют собой конструкцию с тремя усилителями. Чтобы понять, как они работают, лучше всего начать с дифференциального усилителя на основе одного операционного усилителя, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1a} \). Один из способов увеличить входное сопротивление, а также сохранить изоляцию входа – это установить повторитель напряжения перед каждым входом. Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {1b} \). Источник теперь управляет повторителями с очень высоким входным импедансом. Последователи имеют очень низкий выходной импеданс и без проблем управляют дифференциальным каскадом.В этой схеме операционный усилитель 3 используется для подавления синфазного сигнала, а также для усиления напряжения. Обратите внимание, что требования к полосе пропускания для операционного усилителя 3 значительно выше, чем для входных повторителей. Расширение этой схемы показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Здесь операционные усилители 1 и 2 используются для усиления сигнала вместе с их предыдущей функцией буферизации входного сигнала. Основная проблема с этой конфигурацией заключается в том, что она требует очень точного согласования резисторов, чтобы сохранить одинаковое усиление. Любое несоответствие усиления между двумя входами приведет к ухудшению CMRR.{‘} \) для операционного усилителя 3. Из-за стоимости и времени корректировки не одобряются.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Базовый инструментальный усилитель.

К счастью, есть очень небольшая модификация рисунка \ (\ PageIndex {2} \), которая устраняет проблему несоответствия прироста. Эта модификация включает объединение значений \ (R_i \) операционных усилителей 1 и 2 в один резистор. Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Чтобы предотвратить возможную путаницу с операционным усилителем 3, три резистора, используемые для входной секции, были помечены как \ (R_1 \), \ (R_2 \) и \ (R_3 \).Для анализа этой схемы воспользуемся рассмотренными ранее приближениями.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Улучшенный инструментальный усилитель.

Прежде всего, из предыдущей работы мы уже знаем уравнение усиления для дифференциальной секции

\ [V_ {out} = \ frac {R_f} {R_i} (V_b – V_a) \ label {6.1} \]

Наша цель – найти уравнения для \ (V_b \) и \ (V_a \). Рассмотрим операционный усилитель 1 на предмет \ (V_a \). Во-первых, из-за того, что напряжение ошибки операционных усилителей приблизительно равно нулю, инвертирующие и неинвертирующие входы каждого операционного усилителя одинаковы.Поэтому мы можем сказать, что \ (V_x \) должен быть равен \ (V_ {in -} \), и что \ (V_y \) должен быть равен \ (V_ {in +} \).

\ [V_x = V_ {in-} \ label {6.2} \]

\ [V_y = V_ {in +} \ label {6.3} \]

Выходное напряжение \ (V_a \) должно равняться \ (V_x \) плюс падение на \ (R_1 \).

\ [V_a = V_x + V_ {R1} \ label {6.4} \]

«Положительный» потенциал \ (V_ {R1} \) произвольный. Мы предполагаем, что ток течет через \ (R_1 \). Если действительные числа окажутся противоположными, \ (V_ {R1} \) окажется отрицательным.Падение напряжения \ (V_ {R1} \) определяется по закону Ома:

\ [V_ {R1} = R_1 I_ {R1} \ label {6.5} \]

Для расширения,

\ [I_ {R1} = I_ {R2} + I_ {операционный усилитель 1} \ notag \]

\ (I_ {opamp 1} \) приблизительно равно 0, следовательно,

\ [V_ {R1} = R_1 I_ {R2} \ notag \]

Ток через \ (R_2 \) устанавливается его значением и перепадом на нем.

\ [I_ {R2} = \ frac {V_x – V_y} {R_2} \ label {6.6} \]

Подставив \ ref {6.6} и \ ref {6.5} в \ ref {6.4} дает

\ [V_a = V_x + \ frac {R_1 (V_x − V_y)} {R_2} \ label {6.7} \]

Подстановка \ ref {6.2} и \ ref {6.3} в \ ref {6.7} дает

\ [V_a = V_ {in-} + \ frac {R_1 (V_ {in-} – V_ {in +})} {R_2} \ notag \]

\ [V_a = V_ {in-} + \ frac {R_1} {R_2} (V_ {in-} – V_ {in +}) \ notag \]

\ [V_a = V_ {in-} + V_ {in-} \ frac {R_1} {R_2} – V_ {in +} \ frac {R_1} {R_2} \ notag \]

\ [V_a = V_ {in-} \ left (1 + \ frac {R_1} {R_2} \ right) – V_ {in +} \ frac {R_1} {R_2} \ label {6.8} \]

Внимательный взгляд на уравнение \ ref {6.8} показывает, что оно состоит из двух членов. Первый член равен \ (V_ {in -} \) умноженному на неинвертирующее усиление операционного усилителя 1, как вы могли ожидать. Второй член равен \ (V_ {in +} \) умноженному на коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя 1. Этот выходной потенциал важно отметить. Даже если может показаться, что операционный усилитель 1 не будет ограничивать данный сигнал, это может произойти, если вход второго операционного усилителя достаточно велик и имеет правильную полярность.

По аналогичной схеме находится уравнение для \ (V_b \)

\ [V_b = V_ {in +} \ left (1+ \ frac {R_3} {R_2} \ right) – V_ {in-} \ frac {R_3} {R_2} \ label {6.9} \]

Для согласования усиления \ (R_3 \) устанавливается равным \ (R_1 \). Затем \ (R_2 \) можно использовать для управления усилением входной пары в тандеме.

Наконец, подставив \ ref {6.8} и \ ref {6.9} в \ ref {6.1}, получаем

\ [V_ {out} = \ frac {R_f} {R_i} \ left (\ left (V_ {in +} \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) – V_ {in-} \ frac) {R_1} {R_2} \ right) – \ left (V_ {in-} \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) – V_ {in +} \ frac {R_1} {R_2} \ right) \ right) \ label {6.10} \]

Объединение терминов дает

\ [V_ {out} = \ frac {R_f} {R_i} \ left (\ left (V_ {in +} – V_ {in-} \ right) \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) ) + \ left (V_ {in +} – V_ {in-} \ right) \ frac {R_1} {R_2} \ right) \ notag \]

\ [V_ {out} = (V_ {in +} – V_ {in-}) \ left (\ frac {R_f} {R_i} \ right) \ left (1 + 2 \ frac {R_1} {R_2} \ right ) \ label {6.11} \]

Первый член – это дифференциальное входное напряжение. Второй член – это усиление, производимое операционным усилителем 3, а третий член – это усиление, создаваемое операционными усилителями 1 и 2. Обратите внимание, что подавление синфазного сигнала в системе больше не зависит исключительно от операционного усилителя 3. Изрядное количество общих Отклонение -режима производится первой секцией, что подтверждается уравнениями \ ref {6.8} и \ ref {6.9}. Поскольку инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления почти одинаковы для очень высоких значений, высокие входные коэффициенты усиления стремятся оптимизировать CMRR системы.Остальные синфазные сигналы затем можно обработать операционным усилителем 3.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Инструментальный усилитель, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {4} \), используется для усиления выходного сигнала балансного микрофона. Выходной сигнал микрофона составляет пиковое значение 6 мВ (дифференциал 12 м), а синфазный фоновый сигнал индуцируется в линиях с пиком 10 мВ (дифференциал 0 мВ). Если система имеет CMRR 100 дБ, каков выходной сигнал?

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Инструментальный усилитель для примера \ (\ PageIndex {1} \).

Во-первых, давайте проверим выходы первой секции, чтобы убедиться, что не происходит клиппирования. Мы будем использовать суперпозицию и рассматривать полезный сигнал и гудящий сигнал отдельно.

\ [V_a = V_ {in-} (1+ \ frac {R_1} {R_2}) – V_ {in +} \ frac {R_1} {R_2} \ notag \]

\ [V_a = −6 мВ (1+ \ frac {20 k} {400}) – 6 мВ \ frac {20 k} {400} \ notag \]

\ [V_a = −306mV − 300mV \ notag \]

\ [V_a = −606mV \ notag \]

Выполнение того же вычисления для гудящего сигнала дает вклад

\ [V_a = 10 мВ \ влево (1+ \ frac {20 k} {400} \ right) –10 мВ \ frac {20 k} {400} \ notag \]

\ [V_a = 10 мВ \ notag \]

В худшем случае величины этих двух компонентов складываются, давая 616 мВ, что намного ниже ограничения.Те же результаты получены для \ (V_b \), за исключением того, что полезный сигнал положительный.

Теперь о выходном напряжении. Вторая секция имеет усиление

\ [A_v = \ frac {R_f} {R_i} \ notag \]

\ [A_v = \ frac {50 k} {10 k} \ notag \]

\ [A_v = 5 \ notag \]

Требуемый дифференциальный входной сигнал равен \ (V_b – V_a \), поэтому

\ [V_ {out} = A_v (V_b − V_a) \ notag \]

\ [V_ {out} = 5 (606 мВ – (- 606 мВ)) \ notag \]

\ [V_ {out} = 6.06 В \ notag \]

Этот результат также можно получить за один шаг, используя уравнение \ ref {6.11}

\ [V_ {out} = (V_ {in +} – V_ {in-}) \ frac {R_f} {R_i} (1 + 2 \ frac {R_1} {R_2}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 12 мВ \ frac {50 k} {10 k} (1 + 2 \ frac {20 k} {400}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 6,06 В \ notag \]

Обратите внимание, что общий коэффициент усиления составляет 505. Поскольку этот усилитель не идеален, через него проходит некоторый синфазный сигнал. Он подавляется на 100 дБ по сравнению с полезным сигналом.5} \ notag \]

\ [V_ {out (cm)} = 50,5 \ mu V \ notag \]

Обратите внимание, что гудящий сигнал вначале был таким же сильным, как и желаемый, но теперь он во много раз меньше. Это стало возможным благодаря очень высокому CMRR инструментального усилителя.

Компьютерное моделирование

На рисунке \ (\ PageIndex {5} \) Multisim используется для моделирования усилителя из примера \ (\ PageIndex {1} \). Здесь используется простая 3-контактная модель операционного усилителя. Чтобы четко видеть подавление синфазного сигнала, желаемый дифференциальный входной сигнал установлен на синусоидальную волну 1 мВ, а синфазный сигнал установлен на 1 В постоянного тока.Первоначальное решение смещения показывает, что операционные усилители 1 и 2 усиливают как переменную, так и постоянную части входного сигнала, в то время как подавление синфазного сигнала оставлено на усмотрение операционного усилителя 3. Об этом свидетельствует тот факт, что входные узлы последнего операционного усилителя оба видят одинаковый потенциал постоянного тока. На выходе синусоида была усилена примерно на 500, как и ожидалось. На выходе нет смещения постоянного тока, что указывает на отклонение синфазного сигнала постоянного тока.

Рисунок \ (\ PageIndex {5a} \): Инструментальный усилитель в Multisim.

Рисунок \ (\ PageIndex {5b} \): напряжение постоянного тока для инструментального усилителя.

Рисунок \ (\ PageIndex {5c} \): выходное напряжение переменного тока для инструментального усилителя.

Убедившись, насколько полезны инструментальные усилители, неудивительно, что производители производили эти устройства на одной ИС. Одним из таких устройств является LT1167 от Linear Technology. Этот усилитель подходит для множества применений, включая мостовые усилители и дифференциально-несимметричные преобразователи.Он очень похож по компоновке на рисунок \ (\ PageIndex {3} \), используя резисторы 24,7 к \ (\ Omega \) для \ (R_1 \) и \ (R_3 \), и 10 к \ (\ Omega \). резисторы для \ (R_i \) и \ (R_f \). Он имеет типичный CMRR 115 дБ для усиления 10 и до 140 дБ для усиления 1000. Его входное сопротивление составляет минимум 200 G \ (\ Omega \). Коэффициент усиления устанавливается путем размещения соответствующего резистора между выводами настройки усиления. Прирост может быть приблизительно равен

\ [A_v = 1+ \ frac {49,4 k \ Omega} {R_g} \ notag \]

Для обеспечения превосходных высокочастотных характеристик некоторые инструментальные усилители включают в себя соединения для защитного привода.Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Защита внутренних соединений диска.

Этот сигнал поступает с выходов первой секции. При использовании двух резисторов равного номинала дифференциальные сигналы подавляются, и, таким образом, сигнал охранного возбуждения равен синфазному сигналу. Затем этот сигнал буферизируется и используется для управления экранами входных проводов, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Защитный диск.

Чтобы понять, как повышается производительность, см. Рисунок \ (\ PageIndex {8} \). Здесь кабели заменены на простую модель. \ (R \) представляет сопротивление кабеля, а \ (C \) представляет собой емкость кабеля. Кабельная модель – это не более чем сеть с задержкой. Как вы знаете, это вызывает спад высоких частот и изменение фазы. Если две секции не идентичны, спад и изменения фазы не будут одинаковыми в двух линиях. Эти изменения повлияют на синфазный сигнал и могут привести к ухудшению CMRR системы.В схеме возбуждения защиты экраны кабелей не заземлены на источнике сигнала. Они подключены только к выходу сторожевого буфера. Это важный момент. При подаче на экран сигнала, равного синфазному сигналу, напряжение на \ (C \) будет равно нулю. Оба конца конденсатора имеют одинаковый потенциал; следовательно, падение не существует. Это значительно снижает влияние кабеля.

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Эквиваленты сети с несбалансированной задержкой.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Сигнал, создаваемый преобразователем в системе автоматизации производства, обеспечивает номинальный уровень 0,1 В. Для правильного использования сигнал должен быть усилен до 1 В. Поскольку этот сигнал должен проходить через относительно шумную (электрически говоря) среду в производственном цеху уместен симметричный кабель с инструментальным усилителем. Используя LT1167, спроектируйте схему, отвечающую этим требованиям.

Для блока питания достаточно стандартного блока \ (\ pm \) 15 В.\ (R_g \) используется для установки желаемого усиления десяти.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Готовый инструментальный усилитель для примера \ (\ PageIndex {2} \).

\ [A_v = 1+ \ frac {49,4 k} {R_g} \ notag \]

\ [R_g = \ frac {49,4 k} {A_v −1} \ notag \]

\ [R_g = \ frac {49,4 k} {10-1} \ notag \]

\ [R_g = 5,489 к \ нотаг \]

Завершенная схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {9} \).

Инструментальные усилители: Инструментальные усилители | Analog Devices

Инструментальный усилитель на ОУ. Принцип работы

Инструментальные усилители

Практическое использование инструментальных (измерительных) усилителей

Зачем использовать инструментальные усилители?

Применение в измерениях

Применение в биомедицине

Применение в промышленности

Заключение

Теги

Практическое использование измерительных усилителей – Новости 2021

Практическое использование инструментальных усилителей

Рекомендуемый уровень

Приложения для измерения

Биомедицинские применения

Промышленные применения

Вывод

Повышение подавления синфазного сигнала с помощью трех инструментальных усилителей

Прецизионные инструментальные усилители от ANALOG DEVICES

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ в устройствах на микросхемах

– обзор

11.2 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

– принцип работы, применение, преимущества

Инструментальные усилители | In-Amp | INA128

Как работают инструментальные усилители?

Типичные области применения

Что такое инструментальный усилитель?

I. Общее описание инструментального усилителя

II. Характеристики инструментального усилителя

1. Преимущества инструментального усилителя

2. Разница между операционным усилителем и инструментальным усилителем

III. Применение инструментального усилителя

Инструментальные усилители | KYOWA

Инструментальный усилитель

Прикладные системы с тензодатчиками

Контроль содержимого резервуаров

Измерение нагрузки при прессовой посадке

Контроль натяжения ткани

Измерение веса муки

Прикладная система датчика давления

Контроль качества продукции

Инструментальные усилители для ЭМС, научных и медицинских приложений

Стандартные широкополосные усилители на ЛБВ

Стандартные широкополосные усилители на ЛБВ

Стандартные твердотельные усилители

В TMD Technologies мы разрабатываем и производим инструментальные усилители более 20 лет и охватываем следующие типы и области применения:

6.2: Инструментальные усилители – Engineering LibreTexts

Компьютерное моделирование

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ