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 e₁ = е₂ = U_R/2. Когда физическое воздействие вы­зывает изменение сопротивления датчика ΔR, e₁уже не будет равно е₂и полярность e₁ по отношению к е₂будет зависеть от того, представляет ли собой ΔR повышение или понижение со­противления датчика. Выходное напряжение моста e₁ – е₂ бу­дет равно

e₁ = е₂=U_R [ΔR/(4R + 2 ΔR)](26)

или при малых ΔR

e₁– е₂ ≈ U_RΔR/4R, (27)

где ΔR<<4R.

Выходное напряжение моста, естественно, будет достаточно малым.

Схема ОУ, которая усиливает дифференциальный выходной сигнал e₁– е₂мостовой схемы и подавляет или ослабляет син­фазное напряжение U_сс,на которое наложен сигнал e₁– е₂,представляет собой сумматор-вычитатель или дифференциаль­ную схему. Выходное напряжение схемы, приведенной на рис. 49, б, будет равно

U_вых = (R_о.с/R₁) (e₁– е₂),

где R_о.с = R'_о.си R₁ = R'_1.

Сопротивления резисторов R_о.си R'_о.си входных резисто­ров R₁ 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.

а б

Рис. 49. Мостовой усилитель: а – мостовая схема; б – сумматор-вычитатель в качестве усилителя выходного напряжения моста