Дифференциальные и измерительные усилители

Термином «измерительный усилитель» обозначают дифференциальный усилитель со связями по постоянному току, высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим КОСС. Такие усилители используются для усиления малых дифференциальных сигналов, приходящих от датчиков, к которым могут быть примешаны большие синфазные сигналы или постоянные уровни.

Примером таких датчиков является тензодатчик — резисторный мост, у которого, деформация (удлинение материала, к которому он прикреплен) вызывает изменение сопротивления (см. разд. 15.03). В результате изменяется выходное дифференциальное напряжение моста, возбуждаемого фиксированным постоянным смещением +10 В (рис. 7.24).

Рис. 7.24. Мост из тензодатчиков, подключенный к усилителю.

У всех резисторов примерно одно и то же сопротивление (типичное значение 350 Ом), но они подвергаются различной деформации. Чувствительность по всей шкале обычно равна 2 мВ на 1 В, поэтому диапазон изменения выходного сигнала будет равен 20 мВ при постоянном возбуждении 10 В. Это небольшое дифференциальное выходное напряжение пропорционально деформации и наложено на постоянный уровень 5 В. Дифференциальный усилитель должен обладать исключительно большим КОСС для усиления милливольтового дифференциального сигнала при одновременном подавлении синфазной помехи ~ 5 В. Предположим, например, что мы хотим иметь максимальную ошибку 0,1 %. Так как 0,1 % от полной шкалы есть 0,02 мВ, наложенные на 5000 мВ, КОСС должен превосходить 250000:1, т. е. ~ 108 дБ.

Способы, применяемые для создания хороших измерительных усилителей и вообще дифференциальных усилителей с высоким коэффициентом усиления, подобны только что обсуждавшейся схемотехнике. Существенными являются погрешности тока смещения, сдвига и КОСС. Начнем с обсуждения дифференциальных усилителей для некритичных применений, чтобы оценить требования к ним и схемные пути их удовлетворения.

7.09. Простой разностный усилитель

Типичная ситуация, в которой достаточно умеренное значение подавления синфазного сигнала, показана на рис. 7.25.

Рис. 7.25. Стабилизатор тока.

Эта токочувствительная схема применяется как часть источника питания постоянного тока для создания неизменного тока в нагрузке. Падение напряжения на четырехпроводном прецизионном мощном резисторе 0,01 Ом пропорционально току нагрузки. Хотя один конец резистора R₅ присоединен к земле, глупо было бы использовать одновходовый усилитель, поскольку миллиомное сопротивление соединения даст ошибку в 10 %! Очевидно, что нужен дифференциальный усилитель, но от него не требуется особенно высокий КОСС, поскольку синфазные помехи будут малы. ОУ включен в обычную конфигурацию разностного усилителя, как было описано в разд. 4.09. Резисторы R₁, R₂ и R₅ — прецизионные проволочные резисторы для максимальной стабильности коэффициента усиления, a R₃ и R₄, определяющие КОСС, — простые однопроцентные металлопленочные резисторы. Таким образом, вся схема имеет точность коэффициента усиления, близкую к точности токочувствительного резистора, и имеет КОСС порядка 40 дБ.

Прецизионный дифференциальный усилитель. Для таким применений, как усиление сигналов тензодатчиков, термопар и т. п., КОСС, равного 40 дБ, совершенно недостаточно, а нужны значения вроде 100 или 120 дБ. В предыдущем примере с тензодатчиком у нас мог быть дифференциальный сигнал небаланса порядка 2 мВ на 1В. Если требуется точность 0,05 %, то нужно подавление синфазного сигнала, как минимум, 114 дБ. (Заметьте, что это требование может быть значительно смягчено в том случае, когда «нуль» усилителя равен синфазному напряжению, как это можно получить в лабораторных условиях.) Напрашивающееся решение для улучшения КОСС — увеличить точность резисторов разностной схемы (рис. 7.26).

Рис. 7.26

Значения резисторов выбираются так, чтобы сопротивления больших резисторов обратной связи лежали в диапазоне номиналов доступных прецизионных проволочных резисторов. При использовании резисторов с допуском 0,01 % КОСС будет около 80 дБ (68 дБ в худшем случае), если ОУ имеет большое КОСС. Для получения нулевой чувствительности к синфазным помехам нужен, как показано, только один подстроечный потенциометр. При указанных параметрах можно подстройкой свести суммарную ошибку к величине 0,05 % (чуть больше максимальной ошибки резистора). Причудливая цепь, показанная на рисунке, применена потому, что подстроечные потенциометры с малым значением сопротивления со временем могут терять настройку, и лучше обойтись без них.

Замечание о подавлении синфазной помехи переменного тока. Использование хорошего ОУ и тщательная подстройка позволяют достичь КОСС в 100 дБ и более на постоянном токе. Но проволочные резисторы, которые нужны для стабильности, имеют некоторую индуктивность, из-за которой КОСС ухудшается с частотой. Этот эффект, общий для всех схем, которые мы будем рассматривать, можно уменьшить применением безындуктивных проволочных резисторов (типа Aryton-Perry). Заметим также, чтобы получить хороший КОСС на высоких частотах, необходимо сбалансировать емкости схемы. Это может потребовать строгого зеркально-симметричного расположения элементов.

Фирма Burr-Brown выпускает ряд прецизионных дифференциальных усилителей, укомплектованных подогнанными друг к другу резисторами, в очень удобном 8-штырковом корпусе мини-DIP. ΙΝΑ 105 — усилитель с единичным усилением (максимальная погрешность коэффициента усиления ±0,01 %), входным сопротивлением 25 кОм, a ΙΝΑ 106 имеет коэффициент усиления 10 с такой же точностью и входное сопротивление 10 кОм. КОСС последнего не меньше 94 дБ, U_сдв максимум 100 мкВ и он устойчив при работе на емкостную нагрузку до 1000 пФ. Фирма Burr-Brown выпускает также вариант схемы, имеющей большой диапазон входного синфазного напряжения (±200 В) и описанной ниже.

Высоковольтный дифференциальный усилитель. На рис. 7.27 показан разумный способ расширения диапазона синфазного напряжения входа в схеме разностного усилителя за границы напряжения питания без соответствующего уменьшения дифференциального коэффициента усиления.

Рис. 7.27. Дифференциальный усилитель с большим допустимым синфазным напряжением, построенный на низковольтных ОУ.

U₂ воспринимает синфазный сигнал, имеющийся на входе U₁, и возвращает его с инверсией через R₅ и R₆. Так как тем самым синфазный сигнал на входах U₁ и U₂ полностью подавляется, то КОСС этих ОУ является несущественным. Окончательное значение КОСС этой схемы определяется точностью согласования отношений резисторов R₁/R₅ — R₃/R₆ без особых требований к точности R₂ и R₄.

Схема имеет диапазон синфазного входного напряжения ±200 В, КОСС-80 дБ и дифференциальный коэффициент усиления 1,0. В усилителе с единичным усилением INA117 фирмы Burr-Brown для получения большого диапазона синфазных напряжений использован другой прием, а именно резистивный делитель напряжения 200:1 для того, чтобы привести входной сигнал ± 200 В к обычному диапазону синфазного напряжения ОУ ± 10 В (рис. 7.28). Эта схема проще, чем схема на рис. 7.27, но здесь существенно хуже параметры сдвига и шумов: U_сдв = 1000 мкВ (у ΙΝΑ 105–250 мкВ), а напряжение выходных шумов (полная амплитуда в диапазоне 0,01–10 Гц) достигает 25 мкВ — против 2,4 мкВ у ΙΝΑ 105.

Рис. 7.28. Дифференциальный усилитель ΙΝΑ117 с диапазоном входного синфазного напряжения +200 В.

Увеличение входного сопротивления. Разностная схема с тщательно подстроенными значениями резисторов, казалось бы, должна дать нужные рабочие параметры, но это впечатление проходит, если посмотреть на ограничения, накладываемые на сопротивления источников. Для получения точности коэффициента усиления 0,1 % с помощью схемы рис. 7.26 сопротивление источника сигналов должно быть меньше 0,25 Ом! Более того, для получения КОСС 100 дБ внутреннее полное сопротивление источника на двух его выводах должно быть согласовано с точностью до 0,0025 Ом. Это следует из рассмотрения эквивалентной схемы (рис. 7.29).

Рис. 7.29.

Треугольниками обозначены целиком разностные усилители или вообще любые дифференциальные или измерительные усилители, а R_и1 и R_и2 - эквивалентные сопротивления источника на каждом выводе. Вся схема усилителя для синфазных сигналов включает в себя эти сопротивления источника, соединенные последовательно с входными резисторами R₁ и R₃ (рис. 7.26 и 7.27), поэтому КОСС зависит от согласованности R_и1 + R₁ с R_и2  + R₃. Конечно, требования, которые предъявляются этой схемой к полному сопротивлению источника, как показано выше, оказываются слишком жесткими.

Некоторого улучшения можно добиться за счет увеличения значений резисторов, применяя Т-образную цепь для резисторов обратной связи, показанную на рис. 7.30.

Рис. 7.30. Дифференциальные усилители с Т-образными цепями, обеспечивающими большие значения полного входного сопротивления при меньших сопротивлениях резисторов обратной связи.

Этот вариант Т-образной цепи для дифференциального усилителя обсуждался в разд. 7.06 и 4.19. При обозначенных на рис. 7.30 значениях резисторов усиление дифференциального напряжения будет около 1000 (60 дБ). Для точности коэффициента усиления 0,1 % полное сопротивление источника должно быть меньше 25 Ом и согласовано (на выводах источника) до 0,25 Ом, чтобы получить КОСС 100 дБ. Это по-прежнему неприемлемые требования к источникам в большинстве применений. Например, тензодатчик имеет полное внутреннее сопротивление около 350 Ом.

Радикальное решение этой проблемы заключается в использовании повторителей или неинвертирующих усилителей для получения высокого полного входного сопротивления. Наиболее простой способ — это добавить повторители к обычному дифференциальному усилителю (рис. 7.31).

Рис. 7.31. Дифференциальный усилитель с высоким Z_вх.

При получающихся колоссальных значениях входного полного сопротивления вопросы полного сопротивления нас уже не волнуют, по крайней мере на постоянном токе. На более высоких частотах снова важно иметь согласованные полные сопротивления источника для синфазных сигналов, так как входная емкость схемы в комбинации с сопротивлением источника образует делитель напряжения. Под «высокими частотами» часто имеется в виду просто частота напряжения сети, поскольку наводка синфазной помехи от сети питания схемы — это обычная неприятность; на такой частоте входная емкость в несколько пикофарад неважна.

7.10. Стандартный измерительный усилитель на трех ОУ

Одним из недостатков описанной схемы с повторителями на рис. 7.31 является то, что в ней требуется большой КОСС и в повторителях, и в выходном ОУ. Поскольку входные буферные усилители работают с единичным усилением, все подавление синфазных помех должно происходить в выходном усилителе, что требует, как было указано, прецизионного согласования резисторов. Схема, изображенная на рис. 7.32 в этом смысле значительно лучше. Она представляет собой стандартную конфигурацию измерительного усилителя.

Рис. 7.32. Классический измерительный усилитель.

Входной каскад является удачным сочетанием двух ОУ, обеспечивающим большой дифференциальный коэффициент усиления и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов без какого-либо особо точного согласования резисторов. Его дифференциальный выход представляет собой сигнал с существенно уменьшенной (относительно) синфазной составляющей и используется для возбуждения схемы обычного дифференциального усилителя. Последний часто бывает включен с единичным коэффициентом усиления, и его задача — получение однополюсного выходного сигнала и подавление остаточного синфазного сигнала. В результате отпадает надобность в том, чтобы выходной ОУ имел большой КОСС, и не требуется прецизионного согласования резисторов в схеме обвязки U₃. Настройка нуля сдвига для всей схемы может быть сделана, как показано, на одном из входных ОУ. Эти входные ОУ должны, однако, иметь высокий КОСС, и выбирать их следует тщательно.

В виде гибридных ИМС измерительные усилители с описанной стандартной конфигурацией выпускаются несколькими фирмами. Все компоненты, кроме резистора R₁, встроены, а коэффициент усиления устанавливается единственным внешним резистором R₁. Типичными примерами таких модулей являются микромошный ΙΝΑ 102, высокоскоростной ΙΝΑ ПО и прецизионный AD624. У всех этих усилителей коэффициент усиления имеет диапазон от 1 до 1000, КОСС — около 100 дБ и входное полное сопротивление более 100 МОм. Микромощный гибридный модуль LH0036 может работать от такого низкого напряжения питания, как +1 В. AD624 имеет линейность коэффициента усиления около 0,001 %, начальный сдвиг напряжения менее 25 мкВ и дрейф напряжения сдвига не более 0,25 мкВ/°С; предусмотрена и возможность внешней настройки нуля напряжения сдвига. Некоторые измерительные усилители (например, высокоточный ΙΝΑ 104) имеют возможность регулировки КОСС. Не путайте эти модули с «измерительным операционным усилителем» 725, который представляет собой просто хороший ОУ, предназначенный для использования в схемах измерительных усилителей. На рис. 7.33 приведена полная схема измерительного усилителя, как она обычно строится.

Рис. 7.33. Измерительный усилитель с выводами защиты, измерительным и опорного напряжения.

Несколько замечаний об этой схеме измерительного усилителя: (а) Усиленный (по мощности) синфазный сигнал с выхода U₄ может быть использован как «защитное» напряжение для ослабления эффектов емкости кабеля и утечек. При таком включении защитный выход должен быть соединен с экраном входного кабеля. Если резистор установки коэффициента усиления (R₁) не установлен непосредственно рядом с усилителем (существует отдельная панель регулировки — компоновка, которой следует избегать), то его (резистора R₁) соединения также должны быть экранированы и защищены, (б) Выводы ИЗМЕРЕНИЕ и ОПОРНЫЙ дают возможность измерять выходное напряжение непосредственно на нагрузке, так что благодаря обратной связи можно исключить потери в соединительных проводах, идущих к внешней схеме. К тому же ОПОРНЫЙ вывод позволяет смещать выходной сигнал постоянным напряжением (или другим сигналом); однако полное сопротивление между этим выводом и землей должно быть малым, иначе упадет КОСС. (в) Для всех такого вида измерительных усилителей необходимо формировать цепь для прохождения входного тока; нельзя, например, просто подсоединить к входу термопару. На рис. 7.34 показана простая схема включения ИМС измерительного усилителя с использованием выводов защиты входа, измерения и опорного.

Рис. 7.34. ИМС измерительного усилителя.

Следящая связь по питанию. КОСС входных ОУ может оказаться лимитирующим фактором для подавления синфазных помех во всей схеме. Если нужны значения КОСС около 120 дБ, то можно применить прием, иллюстрируемый рис. 7.35. U₄ измеряет уровень синфазного сигнала и управляет общей точкой маломощного плавающего расщепленного источника питания для U₁ и U₂. Эта схема следящей связи эффективно гасит синфазный сигнал для U₁ и U₂, так как на их входах нет синфазных колебаний относительно их собственного питания. U₃ и U₄ питаются от общего источника питания, как обычно. Эта схема может творить чудеса с КОСС, по крайней мере на постоянном токе. С возрастанием частоты приходится иметь дело с обычными проблемами согласования полных сопротивлений и входных емкостей.

Рис. 7.35. Измерительный усилитель со следящей связью по питанию для повышения КОСС.

Конфигурация с двумя ОУ. На рис. 7.36 показана схема, которая обеспечивает большое полное сопротивление с помощью только двух ОУ. Поскольку подавление синфазного сигнала происходит здесь не в два этапа, как в схеме с тремя ОУ, для получения хорошего КОСС необходимо прецизионное согласование резисторов, подобно тому как это было в стандартной схеме разностного усилителя.

Рис. 7.36. Схема измерительного усилителя с двумя ОУ.

Специализированные ИМС измерительных усилителей. Существует несколько интересных конфигураций измерительных усилителей, выпускаемых в виде монолитных (и поэтому недорогих) ИМС; некоторые из них имеют очень хорошие рабочие параметры. В них применяются другие методы, чем в рассматривавшихся ранее схемах.

Дифференциальные усилители с преобразованием проводимости (в цепи обратной связи). В этих схемах, представителями которых являются LM363, AD521 и выполненный на ПТ с p-n-переходом АМР-05, большое значение КОСС достигается без согласования внешних сопротивлений. Фактически только коэффициент усиления устанавливается отношением пары навесных резисторов. На рис. 7.37 показана функциональная схема АМР-01. В ней используются две пары дифференциальных усилителей — преобразователей проводимости с одним навесным резистором, устанавливающим в каждом случае коэффициент усиления. Одна пара усилителей управляется входным сигналом, а другая — выходным сигналом, отсчитываемым относительно входа опорного напряжения. В АМР-05 используются ПТ для поддержания низкого уровня входных токов, а в АМР-01 используются биполярные транзисторы для достижения малого напряжения сдвига и малого дрейфа (табл. 7.5). В прецизионной схемотехнике исключительно полезными могут быть методы с использованием микропроцессорной обработки; см. разд. 13.24.

Рис. 7.37. Функциональная схема интегральной схемы измерительного усилителя АМР-01.