ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И МОСТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ

8.0. Введение

Наилучшим усилителем для измерения, контроля и управления является измерительный усилитель. Схема его содержит несколько операционных усилителей и прецизионные резисторы, что делает ее исключительно стабильной и пригодной в случаях, когда важна точность. В настоящее время существует большое число интегральных микросхем измерительного усилителя и модульных вариантов в одном корпусе. К сожалению, они сравнительно дороги (ino 10-100 долл. за штуку). Однако там, где требуются качество и точность, измерительный усилитель оправдывает затраченные сред- ства, так как его характеристики нельзя даже сравнивать с характеристиками среднего операционного усилителя - настолько они лучше, чем у последнего.

Ближайшим родственником измерительного усилителя является недорогой дифференциальный усилитель. С него мы и начнем данную главу, чтобы показать, в каких случаях дифференциальный усилитель может быть лучше, чем обычный инвертирующий или неинвертирующий усилитель. Добавив к дифференциальному усилителю некоторые дополнительные элементы, мы получаем измерительный усилнте.!1ь, обсуждаемый но второй части этой главы. В последних разделах рассмотрены мостовые усилители, объедн-няющие в себе одновременно измерительный и дифференцпаль-ный усилители.

8.1. Основная схема дифференциального усилителя

8.1.1. Введение. Дифференциальный усилитель дает возможность измерять, а также усиливать слабые сигналы, замаскированные намного более сильными сигналами. Каким образом он выполняет эту задачу, показано в разд. 8.2; но сначала рассмотрим, как выполнена основная схема дифференциального усилителя, и проанализируем его характеристики.

Четыре прецизионных резистора с допуском в 17о и операционный усилитель дают нам дифференциальный усилитель (рис. 8.1). Он имеет два входных зажима, обозначенных на схеме как вход (-) и вход { + ) в соответствии с наименованием ближайших к ним выводов ОУ. Если Е] заменить короткозамкнутой цепью, то

тв=100нОм

Вход (-)

Входе*) R J

Рис. 8.1. Осиовиая схема дифференциального усилителя.

для источника Еч схема будет выглядеть как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным -т. Следовательно, при этом на выходе будет напряжение -mEi. Теперь представим себе, что замкнут накоротко источник £2; тогда £1 делился между резисторами R и mR, и на входе (--) ОУ оказывается напряжение £im/(l-fm). Для этого напряжения схема представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления (l-bm). Напряжение на выходе, вызванное наличием £i, равно этому напряжению £im/(l-bm), умноженному на коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (1-Ьт), т. е. тЕ\, следовательно, £i усиливается схемой в m раз. Когда на входах (-Ь) и (-) присутствуют оба напряжения, £i и £2 соответственно, напряжение на выходе усилителя

(8.1)

->то уравнение показывает, что выходное напряжение дифференци-лльного усилителя С/вых пропорционально разности напряжений, приложенных ко входам { + ) и (-). Коэффициент m называется дифференциальным коэффициентом усиления; определяется он со-тношением сопротивлений резисторов в схеме. Пример 8.1 11.1 схеме рис. 8.1

mR 100 кОм

1 кОм

100.

Найти, чему равно [/вых, если £i=10 мВ и а) £2 =10 мВ, б) £2=0 мВ и

It) £2=-20 мВ.

Решение. В соответствии с (8.1) имеем; а) С/вых=100 (10 мВ-10 мВ)=0- ) С/вы1=100(10 мВ-О мВ) = 1 В; в) £/вых=100[10 мВ-(-20 мВ)] = 1,00Х ХЗО мВ==3 В.

Как и следовало ожидать, при EiEi выходное напряжение равно нулю. Другими словами, для синфазного входного напряжения С/вых = 0. Рассмотрим более детально понятие о синфазном напряжении.

8.1.2. Синфазное напряжение. Как уже говорилось, при Ei = E2 на выходе должно быть напряжение, равное О В. Проще всего эти входные напряжения можно уравнять, соединив оба входа усилителя и подав на них напряжение от источника, как показано на рис. 8.2. Это напряжение называется синфазным входным напряжением Есинф. При таком соединения Uux будет равно О, если равны между собой отнощения сопротивлений резисторов mR и R, задающих коэффициент усиления инвертирующего усилителя, и резисторов mR и R цепи делителя напряжения [на входе ( + )]. На практике равенства этих отношений добиваются установкой последовательно с одним из резисторов потенциометра (например, так, как показано на рис. 8.2). Этот потенциометр подстраивают так, чтобы С/вых стало пренебрежимо мало. При этом коэффициент усиления синфазного напряжения С/вых/£синф приближается к 0. Именно это свойство дифференциального усилителя позволяет выделить слабый сигнал из сильной помехи. Можно построить схе-

/77/?

Входе-) иОм

100 к Ом

Вход г-ь; 7Т

1кОм

-синф

10 В

Р Подстройка

Рис. 8.2. Схема балансировки (симметрирования) дифференциального усилителя для полного подавления синфазного сигнала.

му таким образом, что сильный нежелательный сигнал (помеха) будет синфазным входным напряжением, а слабый полезный сигнал - дифференциальным. Тогда на выходе дифференциального усилителя мы будем иметь усиленную копию только дифференциального входного напряжения.

8.2. Дистанционное измерение напряжения

8.2.1. Измерение усилителем с несимметричным входом. Естественно было бы попытаться усилить сигналы от удаленного источника Евх так, как это показано на рис. 8.3, а. На этой схеме генератор сигналов подключен к усилителю двумя проводами с сопротивлением Rap 1 и Rnp 2. Третий зажим генератора сигналов соединен с землей. По возвратному проводу заземления с сопротивлением Ra неизбежно будут протекать возвратные токи от других устройств, подключенных к тому же силовому фидеру, что и измерительный усилитель. Величина этих токов может быть порядка ампер, и они создают на проводе заземления падение напряжения (Уз- Влияние С/з на работу схемы хорошо видно из упрощенных схем рис. 8.3,6 и е. Так как Us выделяется также на Rnp 2, это сопротивление можно не учитывать и Us оказывается включенным последовательно с £вх, как показано на рис. 8.3, е. Понятно, что напряжение с частотой сети или сигналы шумов, выделяющиеся на проводе заземления, усиливаются схемой во столько же раз, как и полезный сигнал Евх- Напряжение на выходе, возникшее благодаря наличию Us, может быть нэ-много больше, чем то, которое дает Евх (на рис. 8.3,6 они равны соответственно 10 и 1 В). Применим теперь для измерения Евх дифференциальный усилитель и покажем, что в этом случае усиливается только Евх, тогда как Us симметрируется и подавляется.

8.2.2. Измерение дифференциальным усилителем. На рис. 8.4, а генератор сигналов подключен к входным зажимам дифференциального усилителя. И в этой схеме токи в проводе заземления создают на нем падение напряжения Us. Однако, как видно из пис. 8.4,6, это напряжение шумов приложено к дифференциальному усилителю синфазно, а в разд. 8.1.2 мы видели, что синфазное :1апряжение дифференциальный усилитель не усиливает. Таким образом, в соответствии с тем, что установлено в разд. 8.1.1., дифференциальный усилитель может усилить слабый сигнал {Евх = = 10 мВ), который в нормальных условиях был бы перекрыт (замаскирован) намного большим сигналом (С/з=0,1 В).

Продольная помеха - по терминологии, принятой в СССР. -/7рил(. ред.

Генератор сигналов

/(другим 1=0.1 Ом

лотреБитмяи *

--*- /С земле

---- cujroou

Возвратный тон в sf пробой зоземлешл = /4

/Омв

ио,1в

,А/00Еел-/оо1А.

ирреренциалдм/й илител

Генератор сиг алов

/(другим МтреВителям

ВозВратный ток ВпроВоде заземления

силовой сети

Us,.400eJMR

Рнс. 8.4. Схема измерения сигналов от удаленного источника с применением дифференциального усилителя.

с - полная схема; б - упрощенная схема, из которой видно, что V - синфазное иапря-жонни. которое не усиливается дифференциальным усилителем.

8.3. Улучшение основной схемы дифференциального усилителя

8.3.1. Увеличение входного сопротивления. Описанный выше дифференциальный усилитель имеет два недостатка: у него низкое входное сопротивление, а кроме того, трудно изменять его коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлении должно быть точно согласовано. Первый из указанных недостатков устраняется изоляцией или развязкой входов повторителями напряжения. Это