Instrumentationsförstärkare

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 23 april 2021; kontroller kräver 2 redigeringar .

Mätförstärkare , instrumenteringsförstärkare , elektrometrisk subtraktor [1] [2] - en sorts differentialförstärkare med förbättrade parametrar, lämplig för användning i mät- och testutrustning.

Dessa egenskaper inkluderar: mycket låg ingångsförskjutning, låg temperaturdrift , lågt inneboende brus , hög förstärkning , brett justerbar med bara ett motstånd, mycket hög avstängning av common mode , mycket höga ingångsresistanser , låg inström.

Sådana förstärkare används när hög noggrannhet och hög stabilitet hos kretsen, både kortsiktigt och långsiktigt, krävs.

De används inom mätteknik, signalbehandling av olika sensorer m.m.

Beskrivning av den elektriska kretsen

Den klassiska elektriska kretsen för mätförstärkaren visas i figuren. Mätförstärkaren är en tvåstegsförstärkare. För att öka ingångsimpedansen är ingångssteget byggt på två separata förstärkare. Ingångssteget är en differentialförstärkare gjord på två icke-inverterande förstärkare kopplade via ett motstånd . Det andra steget är en konventionell differentialinverterande förstärkare med hög common-mode-rejection [3] . $R_{gain}$

Buffertade icke-inverterande förstärkare för ingång ökar ingångsimpedansen (impedansen) hos den lågimpedans-differentialinverterande förstärkaren för både differential- och common mode-signaler, eftersom signalen matas direkt till ingångsoperationsförstärkarna med mycket låga inströmmar. Resistor - gemensamt för båda ingående icke-inverterande förstärkare, genom att ändra värdet på dess resistans ändras instrumentförstärkarens förstärkning. ${\displaystyle R_{\mathrm {gain} ))$

Förstärkningen för den utgående differentialinverterande förstärkaren är [1] [4] [5] [6] [7] :

$K_{\mathrm {Ud} }={\frac {R_{3}}{R_{2}}},$

differentiell spänningsförstärkning för hela kretsen:

K_{U}=K_{\mathrm {Ud} }\cdot K_{\mathrm {Ub} }={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{2}-V_{1} }}=\left(1+{2R_{1} \över R_{\mathrm {gain} }}\right){R_{3} \över R_{2}}.

In-amp gain derivation

Denna analys antar att alla op-amps är idealiska, det vill säga med oändlig förstärkning, noll inströmmar och noll ingångsförspänning.

Vid utgången av det första steget på den första operationsförstärkaren (i bilden uppe till vänster) är utspänningen:

Vi_{1}=V_{2}+\left(1+{R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{1}-V_{2 }\höger),

och vid utgången av den andra operationsförstärkaren (nedre till vänster):

Vi_{2}=V_{1}+\left(1+{R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{2}-V_{1 }\höger).

Dessa uttryck följer av det faktum att, på grund av återkoppling och dess egen oändligt stora förstärkning av operationsförstärkaren, är spänningarna vid de inverterande ingångarna exakt lika med inspänningarna vid de icke-inverterande ingångarna och motstånden bildar motsvarande spänningsdelare . $R_{1}$ ${\displaystyle R_{\mathrm {gain} ))$

Spänningen vid den icke-inverterande ingången på operationsförstärkaren i det andra steget bestäms av en spänningsdelare som består av och kommer att vara lika med: $R_{2}$ ${\displaystyle R_{3))$

Vd_{p}=Vi_{2}\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3}}}.

Spänningen vid dess inverterande ingång bestäms också av en spänningsdelare gjord på ett annat par motstånd och : $R_{2}$ ${\displaystyle R_{3))$

Vd_{m}=V_{\mathrm {out} }-\left(V_{\mathrm {out} }-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \över {R_{2} +R_{3}}}.

Dessa spänningar är lika på grund av återkopplingens verkan och operationsförstärkarens inneboende oändliga förstärkning:

Vi_{2}\cdot {R_{3} \over {R_{2}+R_{3))}=V_{\mathrm {out} }-\left(V_{\mathrm {out} }- Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \över {R_{2}+R_{3}}},

därifrån:

V_{\mathrm {out} }=\left(Vi_{2}+V_{\mathrm {out} }-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over {R_{2} +R_{3}}},

V_{\mathrm {out} }\cdot \left(1+{R_{2} \over R_{3}}\right)=Vi_{2}+V_{\mathrm {out} }-Vi_{ ett},

V_{\mathrm {out} }\cdot {R_{2} \over R_{3}}=Vi_{2}-Vi_{1},

och slutligen:

V_{\mathrm {out} }=\left(Vi_{2}-Vi_{1}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}=

=\left(V_{1}+\left(1+{R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{2}-V_{1} \right)-V_{2}-\left(1+{R_{1} \över R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot \left(V_{1}-V_{2}\right) \right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}=

=\left(1+{2\cdot R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}\cdot \left( V_{2}-V_{1}\höger).

Äntligen har vi:

K_{U}=\left(1+{2\cdot R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right)\cdot {R_{3} \over R_{2}}

En instrumenteringsförstärkare kan byggas av separata diskreta komponenter - operationsförstärkare och precisionsmotstånd. Flera tillverkare ( Texas Instruments , National Semiconductor , Analog Devices , Linear Technology och Maxim Integrated Products ) producerar integrerade kretsar för instrumenteringsförstärkare som använder lasertrimmade resistorer [8] [9] [10] .

Se även

Anteckningar

↑ 1 2 Tietze U., Shenk K. Halvledarkretsar. Moskva, "MIR", 1982. S. 466, fig. 25.3.
↑ Gutnikov V.S. Integrerad elektronik i mätanordningar // 2nd ed., revided. och ytterligare .. - L .: Energoatomizdat, 1988. - S. 30 .
↑ Instrumentationsförstärkare . Hämtad 25 januari 2006. Arkiverad från originalet 3 november 2005. (obestämd)
↑ 3 Op Amp Instrumentation Amplifier (ej tillgänglig länk) . Hämtad 13 september 2009. Arkiverad från originalet 2 mars 2011. (obestämd)
↑ http://openbookproject.net//electricCircuits/Semi/SEMI_8.html#xtocid83189 Arkiverad 27 oktober 2009 på Wayback Machine Instrumentationsförstärkaren
↑ Three is a crowd for instrumentation amplifiers . Hämtad 13 september 2009. Arkiverad från originalet 12 december 2009. (obestämd)
↑ 3 Hårdvaruutveckling. 3.2 Instrumentförstärkare
↑ AD620 . Hämtad 13 september 2009. Arkiverad från originalet 1 januari 2011. (obestämd)
↑ MAX4194 (inte tillgänglig länk) . Hämtad 13 september 2009. Arkiverad från originalet 2 maj 2010. (obestämd)
↑ INA128 . Hämtad 13 september 2009. Arkiverad från originalet 5 augusti 2011. (obestämd)