Инструментальные усилители (ИУ). Функциональные схемы

Усовершенствованные дифференциальные усилители называют инструментальными (измерительными) усилителями. Такие усилители имеют высокие входные сопротивления по обоим входам и обеспечивают установку заданного коэффициента усиления с помощью одного изменяемого сопротивления.

Характерной особенностью ИУ на рис. 2 является высокий входной импеданс, обеспечиваемый неинвертирующей схемой включения двух ОУ.

Сигналы на выходе усилителей, выполненных по разным схемам включения, приведены на рис. 3а и рис. 3б. В первом случае (рис. 3а) используется ОУ, включенный по схеме вычитания, а во втором (рис. 3б), инструментальный усилитель AD627 выполненный на двух операционных усилителях. Усилитель AD627 обеспечивает величину КОСС порядка 85 дб на частоте 60 Гц при коэффициенте усиления, равном 5. Он работает в широком диапазоне питающих напряжений (от 2,2 В до ±18 В), имеет высокий входной импеданс и отличается сверхнизким током потребления – 85 мкА.

Значение коэффициента ослабления синфазных сигналов инструментального усилителя на двух ОУ обычно резко уменьшается с увеличением частоты входного сигнала.

Наибольшее распространение получила схема инструментального усилителя на базе трех ОУ, в которой данный недостаток устранён (рис. 4).

Рис. 4

Входной каскад данного инструментального усилителя построен на двух неинвертирующих усилителях DA1 и DА2. Он обеспечивает большой коэффициент усиления для дифференциального сигнала, который при равенстве R2=R3, равен

и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов (Ксф=1) без какого–либо точного согласования резисторов.

В итоге в сигналах, поступающих с их выходов на вход обычного (простейшего) дифференциального усилителя, образующего выходной каскад, существенно уменьшается синфазная составляющая относительно дифференциальной (пропорционально отношению Кдиф/Ксф). При выполнении условия

выходное напряжение инструментального усилителя определяется формулой

Поскольку основной задачей второго каскада является получение однополюсного выходного сигнала и подавление остаточного синфазного сигнала, то часто его выполняют с коэффициентом усиления, равным 1 (R4=R5), при этом не требуется прецизионного согласования резисторов R4–R7. Настройка нуля для всего инструментального усилителя может быть осуществлена, используя схему балансировки только для одного из ОУ входного каскада (DА1 или DА2). Регулировка коэффициента усиления производится с помощью одного резистора R1. Инструментальные усилители, построенные по данной схеме, выпускаются в виде гибридных интегральных микросхем, при этом навесным элементом является только резистор R1. Это микромощный LH0036, общего применения AD522 и прецизионный 3620. У всех этих усилителей коэффициент усиления имеет диапазон от 1 до 1000, входное полное сопротивление более 100 МОм. При этом микросхема 3620 имеет линейнность коэффициента усиления около 0,002%, напряжение смещения менее 25 мкВ и дрейф этого напряжения не более 0,25 мкВ/°C. Предусмотрена и возможность внешней настройки нуля усилителя.