Раздел 3. Операционные усилители (стр. 5 )

 

2.5. Усовершенствованная схема усилителя дифференциального сигнала (измерительный усилитель)

Рис 2.7. Схема усовершенствованного измерительного дифференциального усилителя.

Схема, которую мы будем рассматривать ниже, имеет ряд преимуществ по сравнению со схемой, описанной ранее в разделе 2.3, она имеет более высокое входное сопротивление, и, в отличие от предыдущей схемы, коэффициент усиления ее можно регулировать путем изменения величины только одного резистора .

Структура схемы изображена на рис 2.7. Рассмотрим здесь наиболее интересный с практической точки зрения сбалансированный вариант схемы. В этой схеме резисторы выбраны в соответствии со следующими условиями:

R2=R1, R4=R3, R6=R5.

При анализе схемы положим, что операционные усилители – идеальные.

При этом разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входом каждого из усилителей полагают равной нулю. Тогда можно считать, что разность напряжений на двух концах резистора равна

. (2.39)

Ток через резистор  найдем, пользуясь законом Ома:

(2.40)

Так как входные токи каждого из усилителей равны нулю, то ток  протекает по цепи  и не ответвляется во входные цепи. Разность напряжений на концах этого соединения резисторов равна:

. (2.41)

При R2=R1 получим:

. (2.42)

Далее этот дифференциальный сигнал подается на входы с дифференциального усилителя , схема которого аналогична ранее рассмотренной схеме, изображенной на рис.5. При условии, что резисторы усилителя идеально сбалансированы, можно (как и ранее в схеме на рис 2.5) записать условие:

(2.43)

В результате получим соотношение, определяющее коэффициент передачи всей схемы:

. (2.44)

Необходимо отметить важную для практики особенность данной схемы:

коэффициент усиления схемы можно изменять в широких пределах при изменении номинала только одного резистора . При этом не нарушается балансировка схемы. В результате хорошей балансировки получаем низкий уровень синфазного сигнала на выходе, так как имеет место сильное подавление синфазного сигнала.

2.7. Современные усовершенствованные интегральные микросхемы инструментальных усилителей

В предыдущем разделе 2.6 мы рассмотрели конструкцию, составленную из трех операционных усилителей, например из прецизионных усилителей типа ОР- 07 и нескольких резисторов. Но современная технология позволяет разместить (упаковать) все элементы схемы, изображенной на рис.2.7, в одной интегральной схеме. При этом все резисторы, кроме резистора , выполнены в интегральном исполнении и находятся внутри интегральной схемы. Резистор  (в английском варианте ) подключается к специальным выводам корпуса микросхемы , обозначенным как .

Пример такой микросхемы - это микросхема AD620 фирмы Analog Devices. Схема расположения выводов приведена на рис. 2.8. Внутренняя структура этой схемы подобна структуре схемы, изображенной на рис. 2.7. При этом величина сопротивления резистора  ,находящегося внутри микросхемы составляет 24,7 кОм. Как следует из формулы 2.42, коэффициент усиления схемы  равен:

(2.45)

Для получения заданного коэффициента усиления следует подключить к выводам 1 и 8 резистор, величину которого рассчитывают по формуле:

(2.45)

 

Рис.2.8. схема расположения выводов микросхемы AD620.

 

Упражнение. Предлагается провести анализ схемы, приведенной ниже на рис. 2.9, найти выражение, определяющее связь между входными сигналами Е1 , Е2 и сигналом на выходе . Сопоставить полученную формулу с формулой 2.42.

 

 

Решение. Рассматривая усилитель ОУ1 как отдельный усилтель, включенный по схеме неинвертирующего усилителя, можно записать:

Аналогично для схемы на ОУ2 запишем:

Далее сигналы  и  поступают на входы дифференциального усилителя, коэффициент передачи которого определяется формулой 2.26 в разделе 2.3. С учетом этого получим:

Сопоставив полученную формулу с формулой 2.42 можно заметить их фактическую тождественность.

 

ЛЕКЦИЯ 3.

 

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ И ФАЗОВО-ЧАСТОТНЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

 

3.1 Зависимость амплитуды от частоты. Обычно операционный усилитель (ОУ) содержит два или три каскада, которые обеспечивают необходимое, достаточно высокое усиление напряжения сигнала, и выходной каскад, который обеспечивает усиление по току и соответственно возможность подключать к выходу ОУ устройства с невысоким входным сопротивлением. Форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) операционного усилителя определяется формами частотных характеристик  отдельных усилительных каскадов, из которых составлена микросхема ОУ.

. (3.1)

Амплитудно-частотные характеристики отдельных каскадов, как и микросхема ОУ в целом, не имеют спада в области низких частот, т.е. коэффициент усиления ОУ постоянен в области низких частот, начиная с нулевых частот. Это обусловлено отсутствием в схеме разделительных конденсаторов между каскадами. Такие усилители с непосредственными связями между каскадами получили название: усилители постоянного тока. Коэффициент усиления каскада в области низких частот можно выразить как произведение крутизны усилительного прибора  и сопротивления нагрузки :

. (3.2)

При увеличении частоты сигнала коэффициент усиления каскада снижается из-за влияния емкостей, которые неизбежно присутствуют в схеме, и включены параллельно сопротивлению нагрузки. Это: выходная емкость Свых усилительного каскада, входная емкость Свх следующего каскада, вход которого подключен к резистору нагрузки, а также емкость соединительных проводов или проводящих дорожек печатного монтажа См.. Сумма этих емкостей Свх + Свх + См = Сн  составляет емкость, подключенную параллельно резистору нагрузки, и она должна быть учтена при расчетах. С учетом этой емкости Сн  в нагрузке каскада будет включено уже не чисто активное, а комплексное сопротивление , которое можно рассчитать по формуле параллельного соединения двух элементов: активного  и реактивного .

(3.3)

В результате коэффициент передачи зависит от частоты и определяется формулой:

(3.4)

Здесь обозначено: , .