Рис. 11.23. Мостовой усилитель, о-мостовая схема, (e+e)l2=U = Ujji. e-e = Ui[/SRim + + 2Д/?)]; б -сумматор-вычитатель в качестве усилителя выходного напряжения моста, K=R IR., R =R , R. -R, для получения вы. о. с/ I о. с о. с I I

сокого КОСС.

ИЛИ при малых AR

ei-eURARHR, (11.10)

где AR < 4R.

Выходное напряжение моста, естественно, будет достаточно малым.

Не менее важно, что требуется очень точный баланс резисторов. Грубо говоря, КОСС есть величина, обратная их небалансу; поэтому при разбросе всего в 0,01 % получаем КОСС 80 дБ, что во многих случаях маловато. - Прим. ред.

11.4.1. СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Схема ОУ, которая усиливает дифференциальный выходной сигнал ei - 62 мостовой схемы и подавляет или ослабляет синфазное напряжение Ucc, на которое наложен сигнал е, - бг, представляет собой сумматор-вычитатель или дифференциальную схему. Выходное напряжение схемы, приведенной на рис. 11.23,6, будет равно

где = и R, = R[,

Сопротивления резисторов с Ro с входных резисторов Ry и R[ должны быть подогнаны друг к другу очень близко, чтобы синфазные напряжения, имеющиеся на каждом входе, точно взаимно компенсировались на выходе. Если сопротивления обратной связи и входные сопротивления подогнаны и ОУ имеет высокий КОСС, то синфазный сигнал будет подавлен, а дифференциальный - усилен. Таким образом, схема рис. 11.23,6 в целом имеет высокий КОСС.

Схема рис. 11.23,6 имеет два недостатка, которые ограничивают область ее применения. Во-первых, она обладает сравнительно низким входным сопротивлением, а во-вторых, достаточно трудно производить изменения коэффициента усиления схемы!).

Если для увеличения входного сопротивления увеличивать сопротивления входных резисторов, то под влиянием токов смещения увеличивается также сдвиг нулевого уровня. Однако низкие значения и R[ вызывают нагрузку моста. Трудности, связанные с низким входным сопротивлением, преодолеваются, если каждый вход усилителя питать от повторителя напряжения, как это показано на схеме измерительного усилителя, приведенной на рис. 11.24, а. Если операционные усилители У] и Уг являются ОУ с МОП-транзисторами на входе, то входное сопротивление будет очень высоким.

Схема рис. 11.24, а хорошо работает в тех случаях, когда требуется фиксированный коэффициент усиления. Для изменения коэффициента усиления необходимо изменять оба сопротивления R с Ro с Сопротивления обратной связи Ro. с и R должны быть подогнаны и должны оставаться подогнанными при их изменении для варьирования коэффицента усиле-

НИЯ, в противном случае КОСС схемы будет падать. Удовлетворить этому условию изменения сопротивлений очень трудно.

От моста

Рис. 11.24. Схема измерительного усилителя. а - повторители У, и увеличивают входное сопротивление дифференциального усилителя Уз (сумматор-вычитатель),/С=/? clv с™

=/? . /?j=/?; б- схема рис. 11.24. я. дополиениая цепью установки коэффициента усиления, ;=2 р + с12)]{% cll) о.сК.с-

На рис. 11.24,6 показана схема с переменным коэффициентом усиления, в которой изменения коэффициента усиления не ухудшают КОСС схемы. Выходное напряжение схемы рис. 11.24,6 определяется так:

t/вых = 2 [1 + Ro.clR2)] (/?о.с ?) {ei - ег). (11.11)

Следует заметить, что резисторы и R[, а также четыре резистора, имеющие величину Ro.c, должны быть тщательно подо-

браны, чтобы избежать ухудшения КОСС. Также заметим, что из уравнения (И.И) следует, что коэффициент усиления нелинейно зависит от сопротивления R, так как он устанавливается путем изменения доли {Увых, поступающей в цепь обратной связи с помощью делителя напряжения, образованного резисторами

Ro. с И /?2.

На рис. 11.25 показана схема, отличающаяся тем, что неправильный подбор сопротивлений резисторов, устанавливающих

Рис. 11.25. Модифицированная схема измерительного усилителя с установкой коэффициента усиления.

2=4-

R =R = ( о.сА)[ + 2( 2А)] (1

коэффицент усиления, не влияет на КОСС), а вызывает только ошибку в коэффициенте усиления.

Неинвертирующие операционные усилители Уг и Уг параллельно включены в схему. Синфазное напряжение пропускается усилителями Ух и Уг без усиления и ослабляется с помощью сумматора-вычитателя Уз. Выходное напряжение Ui усилителя Ух будет равно

Ui = [l + iR2/R3)]ei-{RMe2 + Ucc, (11.12)

а выходное напряжение усилителя Уа

U2 = [l + {RM] 82 - (RilRs) ei + f/cc. (11.12a)

Первый член в уравнениях (11.12) и (11.12а) представляет составляющую выходного напряжения, обусловленную соответ-

> Это отиоситсв к Ri, Rs, Р4. - Прим. ред.

ственно входными напряжениями и ег, приложенными к неинвертирующим входам усилителей Ух и Уг. Второй член - составляющую выходного напряжения, определяемую соответственно напряжениями ei и ег, приложенными к инвертирующим входам этих же усилителей. Следует обратить внимание на то, что при высоком коэффициенте усиления усилителей У] и Уг

\становка коэффициента усиления

5Г и.

вых о

Рис. 11.26. Схема измерительного усилителя с линейной установкой коэффициента усиления.

о. с вых

в разомкнутом состоянии напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах должны быть одинаковыми и усилители У1 и Уг соответственно в совокупности с сопротивлениями Rs и /?г и /?з и /?4 образуют инверторы с входными напряжениями ег и ei. Последний член представляет синфазную составляющую, пропускаемую усилителями У] и Уг с коэффициентом усиления, равным 1. Выходное напряжение t/вых параллельно соединенных неинвертирующих усилителей У1 и Уг будет С/вых = t/2 - C/i. При /?2 = 4 (обычно они одинаковы) получаем

f/вых = [1 + (2/?2 ?з)] (ег - е,). (11.13)

Как уже упоминалось выше, расхождение в значениях сопротивлений /?г и /?4 приводит к ошибке в коэффициенте усиления, но не снижает величины КОСС. Недостатком измерительного усилителя, представленного на рис. 11.25, является то, что его коэффициент усиления с учетом обоих каскадов

К=[1+ (2/?2 ?з)] {Ro. c/Ri) (11.14)

все еще не линейно зависит от Rz. Однако он достаточно линеен при малых изменениях коэффициента усиления, так как обычно основная часть усиления схемы получается за счет усилителей Уу ТА У2- Усилитель <Уз используется с коэффициентом усиления, равным 1 или незначительно больше. При низком коэффициенте усиления Уз напряжение сдвига на выходе остается малым. Резисторы в схеме можно иметь с низкими значениями сопротивления для того, чтобы минимизировать сдвиг выходного напряжения, обусловленный разностью токов смещения.

Линейная установка коэффициента усиления может быть получена с помощью схемы рис. 11.26. Операционные усилители У\ и Уг представляют собой повторители с единичным коэффициентом усиления, а выходной усилитель Уз с дифференциальным входом также имеет единичный коэффициент усиления. Коэффициент усиления схемы устанавливается линейным потенциометром .у, представляющим входное сопротивление усилителя Уц. Последний играет роль аттенюатора в цепи обратной связи, изменяющего долю С/вых, подаваемую обратно ко входу Уз. Напряжение, подаваемое обратно к Уз (выход У4), должно быть равно вг - х- Из этого условия следует, что

f/вых =-(/?y ?2) (62-1). (11.15)

Из (11.15) видно, что С/вых линейно зависит от /?у.

11.4.2. ЗАЩИТА ВХОДА ,

В применениях, требующих высокого значения КОСС при частотах выше нулевой, паразитные емкости на входе могут привести к ухудшению качества работы. Если в схеме рис. 11.27, а Rhct.iCi и /?ист. 22 не равны, то сигналы, подаваемые на измерительный усилитель, затухают ва времени неодинаково. Если постоянные времени на входах Rucr.iC, и /?ист. гСг вносят неодинаковое затухание сигналов переменного тока (особенно Ucc), то КОСС понижается. Емкости Су и d представляют собой суммы емкостей входов усилителя, паразитных емкостей и емкостей экрана. Экранировка входных проводов является установившейся практикой в тех применениях измерительной- техники, где входной сигнал должен проходить большие расстояния.

Если экранированные провода имеют большую длину, то емкость экрана может составить наибольшую часть Су и Сг. Если на экран подавать напряжение, равное синфазному, как это показано на рис. 11.27,6, то синфазное напряжение не будет затухать под влиянием входных RC-neneu и, что более существенно, не будет различия в затухании по каждому входу. Напомним, что именно разбаланс затуханий, вносимый в синфаз-

©

См.прим.

Рис. 11.27. Защита входа. -если Лвд. (С, -iibjCj, то КОСС снижается; б -защита входа снижает влияние Cj и на V. Примечание: Измените соединение экранов входа моста,

если ej.

Рис. 11.28. Измерительный усилитель со схемой защиты входа. Д) = Др

-о.с = о. с-

ное напряжение, ухудшает КОСС схемы. На схеме, приведенной на рис. 11.27,6, емкости Ci и Сг влияют только на дифференциальное входное напряжение.

Присоединение экрана, показанное на рис. 11.27,6, может привести к недопустимой нагрузке источника входного сигнала. Эта нагрузка может быть устранена, если осуществить подсоединение экрана, как это показано на рис. 11.28. Оба резистора R одинаковы и по величине выбраны так, что не нагружают выходы усилителей У, и Уг- Напряжение в точке соединения этих резисторов приблизительно равно синфазному напряжению Ucc- Повторитель У4 действует в качестве буфера между схемой и экраном. Если емкость экрана невелика и усилители Уу и Уг могут обеспечить достаточный ток, то можно обойтись без буфера, а экран непосредственно присоединить к средней точке делителя напряжения.

11.4.3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ЕНООЗв

Измерительный усилитель LH0036 фирмы National Semiconductor, схема которого приведена на рис. 11.29, похож на измерительный усилитель, показанный на рис. 11.25, и работает так же. В монолитных интегральных схемах R[, R и R

все одинаковы. Характеристики усилителя: Rx = 300 МОм, КОСС = 90 дБ (подгоняется до 100 дБ), коэффициент усиления

Экран

Рис. 11.29. Эквивалентная схема и расположение выводов для измерительного усилителя типа LH0036. v Номер для заказа LH0036 или LH0036C. Отличительные особенности: высокое входное л* полное сопротивление 300 МОм, высокий КОСС 100 дБ, установка коэффициента усн- ления с помощью одного резистора в диапазоне от 1 до 1000, низкая потребляемая мощность 90 мкВт, широкий диапазон напряжения питания от ±1 до 18 В, регулируемый входной ток. смещения, регулируемая полоса пропускания, защищенный выход. Обозначение выводов иа эквивалентной схеме и корпусе; 1 - управление. 2 - защита выхода, 3 - установка входного смещения, 4 - установка коэффициента усиления, 5 - инвертирующий вход, 6 - неинвертирующий вход, 7 - установка коэффициента усиления, в -подгонка КОСС, S - предварительная установка КОСС, lO-u.ll - u i2-t/j. а - эквивалентная схема; б -вид сверху иа металлический корпус.

устанавливается от 1 до 1000 с помощью одного резистора, работает от источников с напряжением от ±1 до ±18 В. Усилитель LH0036 обеспечивает выходное напряжение для осуществления защиты входа, однако для более качественной работы требуется вспомогательный повторитель напряжения. Ток смещения и полоса пропускания могут быть установлены так, как это указано в каталожном описании в приложении В. Из описания cлeдyeт^ что /Со. с = 1 -f (50 кОМ ?у), где Ry - резистор для установки коэффициент1а усиления. Отсюда Ry = = 50 кОм/(/Со.с-1).

Измерительный усилитель LH0036 очень удобен в эксплуатации.

Пример П.10. Для измерения выходного сигнала тензодатчика присоедините к нему LH0036 так, как это показано на рис. 11.30. Сопротивление тензодатчика R = 350 Ом, AR = 1 Ом, напряжение питания моста t/ = 10 В. Установите К = 100. Необходимо убедиться в том, что выходной сигнал схемы, обусловленный сигналом тензодатчика, больше, чем выходной сигнал, обусловленный синфазной coctaвляющeй входного напряжения. Предположим, что усилитель У1 имеет Кр = 20 ООО.

Решение. Для достижения оптимальных показателей работы используем вспомогательный усилитель, управляющий потенциалом экрана. Используем также схему установки величины КОСС, приведенную в каталожном описании в приложении В. Сопротивление резистора установки коэффициента усиления выбираем равным

Ру = 50 кОм/(К - 1) = 50 кОм/99 = 505 Ом.

Из уравнения (11.9) получаем выходное напряжение тензодатчика

ej 62 = [AP/iiP + 2АР)] = 10 В [I Ом/4 (350 Ом + 2 Ом)] = 7,13 мВ.

Выходное напряжение, вызыванное полезным сигналом, есть С/вых = К{е, - - fis) = 100-7,13 мВ =0,713 В. Выходное напряжение, обусловленное входным синфазным напряжением, будет

С/вых. сс = С^сс [р/КОСС)/(1 + КрР)] =

= 5 в [(2000/10000)/(1 -I- 20000 (0,01))] = 4,9 мВ.

Измерительные усилители в интегральном исполнении. Изготовители ОУ предлагают модули измерительных усилителей либо в виде специально разработанных полупроводниковых интегральных схем, таких, как LM.0036, либо в виде гибридных интегральных схем. Схемы этих интегральных измерительных усилителей аналогичны тем, которые приведены на рис. 11.24,6, 11.25, 11.26 или 11.28. В модулях интегральных измерительных усилителей предусматривается возможность присоединения одиночного внешнего резистора или потенциометра для установки коэффициента усиления, средства (внешний потенциометр) для установки нуля выходного напряжения сдвига Кроме того, обычно предусмотрен вывод для присоединения напряжения