Измерительные усилители

Измерительный усилитель представляет собой ОУ или схему с ОУ, используемые для измерения малых разностей напряжения на фоне синфазного напряжения, которое часто бывает больше, чем измеряемое разностное напряжение. Этот тип усилителя часто называют также усилителем датчика, разностным усилителем, усилителем ошибки (рассогласования) и мостовым усилителем.

Измерительный усилитель должен иметь дифференциальный вход, высокое значение коэффициента усиления, низкий сдвиг нулевого уровня и очень большой (обычно больше 80 дБ) коэффициент ослабления синфазного сигнала (КРСС). Большое значение КОСС необходимо потому, что напряжение, которое должно быть усилено, часто наложено на более высокое синфазное напряжение.

Дифференциальный входной сигнал часто представляет собой выходное напряжение, снимаемое с мостовой схемы, как это показано на рис. 49, а. Датчик выявляет любые изменения, измерение которых предусматривается спроектированной схемой. Датчик или преобразователь представляет собой устройство, преобразующее измеряемый параметр и его изменения в электрический, например температуру или давление в изменение сопротивления или напряжения. Примеры датчиков-преобразователей: 1) фоторезисторы для преобразования уровней освещенности в величины сопротивления; 2) термисторы для преобразования изменений температуры в изменения сопротивления; 3) тензодатчики – специально закрепляемые резисторы, сопротивление которых изменяется пропорционально механической деформации материала; применяются для измерения деформаций и давления; 4) термопары – соединения разных металлов, дающие на выходе напряжение, пропорциональное температуре спая.

Если все четыре сопротивления моста рис. 49, а равны по величине, то e ₁ = е ₂ = U_R /2. Когда физическое воздействие вызывает изменение сопротивления датчика Δ R, e ₁уже не будет равно е ₂и полярность e ₁ по отношению к е ₂будет зависеть от того, представляет ли собой Δ R повышение или понижение сопротивления датчика. Выходное напряжение моста e ₁ – е ₂ будет равно

e ₁ = е ₂ =U_R [Δ R /(4 R + 2 Δ R)](26)

или при малых Δ R

e ₁– е ₂ ≈ U_R Δ R /4 R, (27)

где Δ R <<4 R.

Выходное напряжение моста, естественно, будет достаточно малым.

Схема ОУ, которая усиливает дифференциальный выходной сигнал e ₁– е ₂мостовой схемы и подавляет или ослабляет синфазное напряжение U_сс,на которое наложен сигнал e ₁– е ₂,представляет собой сумматор-вычитатель или дифференциальную схему. Выходное напряжение схемы, приведенной на рис. 49, б, будет равно

U _вых = (R _о.с/ R ₁) (e ₁– е ₂),

где R _о.с = R' _о.си R ₁ = R' _1.

Сопротивления резисторов R _о.си R' _о.си входных резисторов R ₁ и R '₁должны 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. 49, б в целом имеет высокий КОСС.

Схема рис. 49, б 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.