1.3. Измерительные усилители на трех операционных усилителях

На рис. 1.10 приведена стандартная схема двухкаскадного измерительного усилителя на базе ОУ. Первый каскад, состоящий из усилителей усиливает дифференциальный сигнал в Раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах и без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в раз. Такая схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большее усиление и лучший КОСС по сравнению со схемами на одном ОУ. Кроме того, величина КОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов.

Дифференциальный коэффициент усиления:

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за разбаланса резисторов):

Рис. 1.10. Измерительный усилитель на трех ОУ.

Коэффициент усиления синфазного сигнала (из-за конечного значения КОСС усилителя ).

Общий КОСС измерительного усилителя в наихудшем случае (при сложении ):

Выходное напряжение смещения обусловленное напряжениями смещения ОУ (наихудший случай):

где входное напряжение смещения ОУ — входное напряжение смещения ОУ ; — входное напряжение смещения ОУ

Выходное смещение , обусловленное входными токами смещения ОУ при (наихудший случай):

где — входные токи смещения по инвертирующему и неинвертирующему входам соответственно,

Общее выходное смещение (наихудший случай):

Очень важно обеспечить отвод входных токов со входов измерительного усилителя, так как в противном случае он входит в насыщение. Если источники сигналов не обеспечивают такого пути, например, когда входы развязаны по постоянному току, то необходимо подключить входы усилителя к земле через резисторы (рис. 1.11). Сопротивление Я выбирается порядка 1 МОм или более; отметим, что элементы Ли С образуют фильтр верхних частот, который должен пропускать самую низкую из частот входного сигнала.

Рис. 1.11. Отвод входных токов.

Выходное смещение и дрейф выходного смещения в этой схеме обычно больше, чем в предыдущих, из-за большего числа ОУ. Для борьбы с этими нежелательными последствиями входные ОУ следует подбирать так, чтобы их дрейфы смещения были одинаковы. Номиналы резисторов обратной связи следует выбирать небольшими, чтобы уменьшить влияние колебаний входных токов смещения ОУ. Кроме того, в качестве усилителей лучше использовать усилители с полевым входом, имеющие чрезвычайно малые входные токи. Влиянием входных токов смещения при этом можно пренебречь.

Изменять коэффициент усиления схемы можно, изменяя сопротивление резистора это не сказывается на входном импедансе и КОСС схемы; однако пропорционального управления усилением таким способом добиться нельзя. При выборе значений резисторов целесообразно сосредоточить все усиление в первом каскаде усилителя (ОУ ), поскольку именно он обеспечивает максимальное усиление дифференциального входного сигнала по отношению к синфазному сигналу. Коэффициент передачи каскада на можно установить равным единице, выбирая При этом лучше использовать резисторы в одном корпусе, чтобы обеспечить точное согласование сопротивлений и их равный дрейф при изменениях внешних условий. Однако при установке слишком большого коэффициента усиления первого каскада усилители могут войти в насыщение, что ограничит диапазон синфазного входного напряжения усилителя.

Рис. 1.12. Подключение защитного экрана для повышения входного импеданса.

Для уменьшения входной емкости схемы для синфазного сигнала и защиты входов от утечек со стороны других цепей на плате, можно использовать охранное кольцо вокруг входов усилителя, соединив его и экран входного кабеля с выходом дополнительного усилителя (см. рис. 1.12). Потенциал экрана и охранного кольца будет при этом поддерживаться равным синфазному входному напряжению.

При работе с высокоомными источниками сигналов для достижения относительно широкой полосы пропускания применяется следящая обратная связь, с помощью которой компенсируют входные емкости по каждому входу. Схема, приведенная на рис. 1.13, обеспечивает очень малые входные емкости, что важно при усилении сигналов источников с большими выходными сопротивлениями (мегаомы), так как сопротивление источника и входная емкость усилителя образуют фильтр нижних частот. Например, при выходном сопротивлении источника МОм и входной емкости 10 пФ граничная частота составляет т.е. всего 80 Гц. Отметим, что необходима индивидуальная защита каждого входа, что и показано на схеме. В качестве усилителей

Рис. 1.13. Компенсация входных емкостей с помощью защитных экранов.

следует применять ОУ с входами на полевых транзисторах. Емкость конденсатора С должна быть небольшой, порядка 10 пФ. Балансировка схемы производится обычными способами, отметим лишь, что больший диапазон регулировки обеспечивается при балансировке усилителей чем одного усилителя Подстройкой компенсируются входные емкости кабелей (в случае перекомпенсации схема возбуждается).