Инструментальный усилитель - Instrumentation amplifier

Эта статья об усилителях для измерительного и электронного испытательного оборудования. Об усилителях для музыкальных инструментов или преобразователей см. инструментальный усилитель.

Типовая схема инструментального усилителя

An приборы (или же инструментальный) усилитель мощности (иногда сокращенно как In-Amp или же InAmp) является разновидностью дифференциальный усилитель который был снабжен вводом буферные усилители, что устраняет необходимость ввода согласование импеданса что делает усилитель особенно подходящим для использования в измерениях и испытательное оборудование. Дополнительные характеристики включают очень низкие ОКРУГ КОЛУМБИЯ смещение, низкий дрейф, низкий шум, очень высоко усиление без обратной связи, очень высоко коэффициент подавления синфазного сигнала, и очень высокий входные импедансы. Инструментальные усилители используются там, где большие точность и стабильность из схема требуются как краткосрочные, так и долгосрочные.

Хотя инструментальный усилитель обычно показан схематически идентичным стандартному операционный усилитель (операционный усилитель), электронный инструментальный усилитель почти всегда состоит из трех операционных усилителей. Они организованы таким образом, что имеется один операционный усилитель для буферизации каждого входа (+, -) и один для получения желаемого выхода с адекватным согласованием импеданса для функции.^[1][2]

Наиболее часто используемая схема инструментального усилителя показана на рисунке. Коэффициент усиления схемы равен

${\displaystyle {A_{v}}={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{2}-V_{1}}}=\left(1+{2R_{1} \over R_{\mathrm {gain} }}\right){R_{3} \over R_{2}}}$

Крайний правый усилитель вместе с резисторами с маркировкой ${\displaystyle R_{\text{2}}}$ и ${\displaystyle R_{\text{3}}}$ это просто стандартная схема дифференциального усилителя с усилением = ${\displaystyle R_{\text{3}}/R_{\text{2}}}$ и дифференциальное входное сопротивление = 2 ·${\displaystyle R_{\text{2}}}$. Два усилителя слева - это буферы. С ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$ удалены (разомкнутые), они представляют собой простые буферы единичного усиления; схема будет работать в этом состоянии с усилением, просто равным ${\displaystyle R_{\text{3}}/R_{\text{2}}}$ и высокий входной импеданс из-за буферов. Коэффициент усиления буфера можно увеличить, поместив резисторы между входами инвертирования буфера и землей, чтобы отвести часть отрицательной обратной связи; однако единственный резистор ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$ между двумя инвертирующими входами - гораздо более элегантный метод: он увеличивает дифференциальное усиление буферной пары, оставляя синфазное усиление равным 1. Это увеличивает коэффициент усиления коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) схемы, а также позволяет буферам обрабатывать синфазные сигналы гораздо большего размера без ограничения, чем было бы в случае, если бы они были отдельными и имели одинаковое усиление. Еще одним преимуществом метода является то, что он увеличивает усиление с помощью одного резистор, а не пара, что позволяет избежать проблемы согласования резисторов и позволяет очень удобно изменять коэффициент усиления схемы, изменяя значение одного резистора. Набор переключаемых резисторов или даже потенциометр может использоваться для ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$, обеспечивая легкое изменение коэффициента усиления схемы без необходимости переключения согласованных пар резисторов.

Идеальное синфазное усиление инструментального усилителя равно нулю. В показанной схеме синфазное усиление вызвано несоответствием резистор соотношения ${\displaystyle R_{\text{2}}/R_{\text{3}}}$ и несовпадением коэффициентов усиления в синфазном режиме двух входных операционных усилителей. Получение очень близко согласованных резисторов представляет собой значительную трудность при изготовлении этих схем, так же как и оптимизация синфазных характеристик.^[3]

Инструментальный усилитель также может быть построен с двумя операционными усилителями для экономии на стоимости, но коэффициент усиления должен быть выше двух (+6 дБ).^[4][5]

Инструментальные усилители могут быть построены с отдельными операционными усилителями и прецизионными резисторами, но также доступны в Интегральная схема форма от нескольких производителей (в том числе Инструменты Техаса, Аналоговые устройства, Линейная технология и Максим Интегрированные Продукты ). Инструментальный усилитель IC обычно содержит обработанный лазером резисторы, и поэтому обеспечивает отличное подавление синфазного сигнала. Примеры включают INA128, AD8221, LT1167 и MAX4194.

Инструментальные усилители также могут быть спроектированы с использованием «архитектуры с косвенной обратной связью по току», которая расширяет рабочий диапазон этих усилителей до отрицательной шины питания, а в некоторых случаях - до положительной шины питания. Это может быть особенно полезно в системах с однополярным питанием, где отрицательная шина питания является просто заземлением цепи (GND). Примеры частей, использующих эту архитектуру: MAX4208 / MAX4209 и AD8129 / AD8130.

Типы

Инструментальный усилитель без обратной связи

Инструментальный усилитель без обратной связи это дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением, разработанный без внешней цепи обратной связи. Это позволяет уменьшить количество усилителей (один вместо трех), снизить шум (резисторы обратной связи не создают тепловых шумов) и увеличить полосу пропускания (частотная компенсация не требуется). Стабилизированные прерыванием (или с нулевым дрейфом) инструментальные усилители, такие как LTC2053 используйте входной импульсный переключатель для устранения ошибок смещения постоянного тока и дрейфа.

Смотрите также

• Электронный портал

• Изоляционный усилитель
• Применение операционных усилителей

Рекомендации

1. Р.Ф. Кафлин, Ф.Ф. Дрисколл Операционные усилители и линейные интегральные схемы (2-е изд. 1982 г.) ISBN  0-13-637785-8) с.161.
2. Мур, Дэвис, Коплан Строительный научный аппарат (2-е изд., 1989 г. ISBN  0-201-13189-7) с.407.
3. Смитер, Пью и Вулард: «Анализ CMRR инструментального усилителя с 3 ОУ», Электронные письма, Том 13, Выпуск 20, 29 сентября 1977 г., стр. 594.
4. "Не влюбляйтесь в один тип инструментальных усилителей - 2002-05-30 07:00:00". EDN. Получено 28 октября 2014.
5. «Усилители для биоэлектрических событий: конструкция с минимальным количеством деталей». Biosemi.com. Получено 3 октября 2011.

внешняя ссылка

• Интерактивный анализ инструментального усилителя
• Инструментальный усилитель Opamp
• Инструментальный усилитель
• Уроки в электрических цепях - Том III - Инструментальный усилитель
• Практический обзор синфазных и инструментальных усилителей
• Инструментальный усилитель
• Руководство разработчика по инструментальным усилителям (3-е издание)
• Три - это толпа инструментальных усилителей
• Решения, схемы и применения инструментальных усилителей
• Дифференциальные усилители CMOS с фиксированным усилением без внешней обратной связи для широкого диапазона температур (криогеника)