Skhemotekhnika_PE

101

УПТП часто называют УПТ – МДМ (модуляция – демодуляция). Структур- ная схема УПТ – МДМ имеет вид, показанный на рис. 6.13.

UΩ	Ω	ω0	UМ
	ω0	Ω
	UОП

УНЧ	ω0	Ω
					/
UМ	Ω		UДМ	≈	UΩ
		ω0
		UОП
G

Рис. 6.13

Низкочастотное	напряжение UΩ = UМ.Ω cos(Ωt) (включая Ω = 0) по-
ступает на модулятор.	От генератора G на модулятор поступает опорное

напряжение UОП = UМ.ОП cos(ω0 t). Модулятор осуществляет перемножение

напряжений

UМ = UΩ UОП.

На выходе модулятора формируется напряжение

UM (ω0,W) = UM .ОП2×UM .Ω cos(ω0 + W)t + UM .ОП2×UM .Ω cos(ω0 - W)t .

Это напряжение далее усиливается бездрейфовым УНЧ и поступает на демодулятор, где выделяется составляющая сигнала, совпадающая по знаку UΩ. Далее фильтром низких частот удаляется высокочастотная со- ставляющая. УПТП усиливает сигнал в сравнительно узкой полосе частот, т.к. для того, чтобы при МДМ сигнал не искажался, необходимо, чтобы ω0 ≥ (10 ¸ 100)Ω.

7 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Во многих измерительных схемах необходимо измерять разность по- тенциалов между двумя точками электрической цепи, каждая из которых имеет ненулевой потенциал относительно общей точки измерительной схе- мы. Для этой цели используются измерительные усилители, которые пред- ставляют собой устройства с дифференциальным входом, построенные так, что они усиливают только разность напряжений, поданных на их входы, и не реагируют на синфазное напряжение. Типичные примеры применения измерительных усилителей (ИУ) приведены на рис 7.1.

Схема на рис. 7.1, а обычна для тензометрии, измерения давления и др. В одно или два плеча мостовой схемы включены тензо-резисторы. Син- фазное напряжение на входах ДУ составляет в этой схеме обычно 1,5¸2,5 В,

102

причем, хотя это напряжение, как правило, стабилизируется, все же воз- можны его изменения в пределах порядка 10 мВ. В то же время часто тре- буется обеспечить чувствительность к небалансу моста на уровне 1 мкВ.

а) б)

	+ E
R1	R3
R2	R4

Ñ
ДУ	UВЫХ

+ U RШ RL

Ñ ДУ UВЫХ

Рис. 7.1

Эта задача требует, чтобы дифференциальный усилитель имел KОСС более 80 дБ. Схема на рис. 7.1, б при измерении тока в проводе, потенциал которого может многократно превосходить напряжение питания усилителя. Это также требует большого KОСС, а также высоких допустимых значений синфазного напряжения.

7.1Измерительный усилитель на одном ОУ

Впростейшем случае в качестве измерительного усилителя может быть использован ОУ в дифференциальном включении (рис. 7.2).

		R2
	R1	Ñ
U2	R3
U1		UВЫХ
		R4
		Рис. 7.2

Подобные схемы называют – ДУ. При выполнении условия R1 / R2 = R3 / R4 усиление дифференциального сигнала намного больше уси- ления синфазного сигнала и KОСС будет максимальным.

Дифференциальный коэффициент усиления при выполнении указанно-

го выше условия

103

K

Д

=

UВЫХ

=

R2

×

1

.

R

R2

1

U

-U

1+

×

1

2

1

R

K

1

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный рассогла- сованием резисторов, равен

KСФ1 = R1R(4 -+R2R3) . R1 R3 R4

Коэффициент усиления синфазного сигнала, обусловленный конеч- ным значением KОСС операционного усилителя, равен

	KСФ2	=		R2
			R1	× KOCC

Здесь KОСС выражается отношением, а не в децибелах. Коэффициент

ослабления синфазного сигнала всей схемы

KОСС = KД / (KСФ1 + KСФ2).

Дифференциальное входное сопротивление

RВХ.Д = R1+ R3.

Поскольку KСФ1 может принимать отрицательные значения и зависит от сопротивлений резисторов схемы, подстройкой резистора R3 может быть достигнуто любое сколь угодно большое значение KОСС. Эта простейшая схема имеет низкое входное сопротивление. Поэтому выходное сопротив- ление источника сигнала влияет на величину дифференциального коэффи- циента усиления и на коэффициент ослабления синфазного сигнала, что почти всегда требует точной настройки параметров схемы. Для изменения

коэффициента усиления нужно одновременно менять сопротивления двух резисторов. Тем не менее, эта простая схема выпускается многими фирмами в виде ИМС. Например, схема ДУ – INA133 и INA143 (Burr-Brown). На кристалле наряду с ОУ имеются 4 согласованных резистора, первые выводы которых соединены попарно с входами ОУ, а другие соединены с выводами ИМС, причем у INA133 резисторы имеют одинаковое сопротивление, а у INA143 R1 и R3 меньше, чем R2 и R4 (рис. 7.2) в 10 раз. Поэтому коэффици- ент передачи дифференциального сигнала у INA133 единица, а у INA143 в

зависимости от схемы подключения резисторов может принимать значения

0,1 или 10. KОСС у INA133 составляет 80 дБ, а у INA143 - 86 дБ.

На рис. 7.3 представлены упрощенные схемы промышленных инте- гральных ДУ, рассчитанных на работу при больших синфазных напряжениях.

На рис. 7.3, а приведена схема, по которой выполнен ДУ INA117 и его модификация AD629 (Analog Devices). Цепь обратной связи замыкается од- ним резистором R2, а для получения большого диапазона синфазных напря- жений использован резистивный делитель напряжения 20:1 для того, чтобы привести входной сигнал ±200 В к допустимому для ОУ диапазону ± 10 В.

104

а)

б)

UВХ –

R1

R4

UВХ +		R3

R2			R2	R5
Ñ	UВХ –	R1	Ñ	R6
		R3
	UВХ +
	UВЫХ			UВЫХ
			R4
R5

Рис. 7.3

Связь между величинами сигналов этой схемы устанавливается урав-

нением

			R4	æ		R2	ö	R2
	UВЫХ =			ç1	+		÷UВХ+ -		UВХ− .
		R	+ R			R P R		R
				è			ø
		3	4			1 5		1

Рабочий диапазон синфазных напряжений для INA117 составляет ±200 В, а для AD629 составляет ±270 В, причем последний имеет встроен- ную защиту от синфазного и дифференциального напряжений до ±500 В. Коэффициент ослабления синфазной составляющей INA117 и AD629 пре- вышает 86 дБ.

7.2 Схема ДУ с делителем в цепи обратной связи

Дифференциальная схема с подогнанными резисторами может обес- печить требуемые характеристики лишь в том случае, если сопротивление источника сигнала равно нулю или, по крайней мере, очень мало. Для изме- рений в мостовых схемах это условие трудно выполнить. Снизить влияние параметров источников сигнала на KД и KОСС можно, увеличив входное со- противление ДУ. Для сохранения высокого значения KД можно применить Т-образную цепь для резисторов обратной связи, показанную на рис. 7.3, б. Если взять R3 = R1 a R4 = R2 + R5 || R6 то дифференциальный коэффициент

усиления составит

K Д =	R2	æ		R5	ö		R5
		ç1	+		÷	+	R .
	R			R
	1	è		6	ø		1

По этой схеме выполнена ИМС INA148. Ее входные резисторы имеют довольно высокое сопротивление (1 МОм), KД = 1, а KОСС = 90 дБ. Диапазон допустимых синфазных напряжений составляет ±200 В. Другой путь заклю- чается в применении дополнительного выходного усилителя, обеспечи- вающего повышение коэффициента усиления. Так устроена микросхема

INA146 (рис. 7.4).

105

R1 R2

R

UВХ –

R

UВХ+

R
Ñ	R	Ñ
		DA2
DA1		UВЫХ
R

UОП

Рис. 7.4

Входной ДУ имеет коэффициент передачи всего 0,1, но за счет этого он допускает входное синфазное напряжение до ±100 В при сопротивлениях входных резисторов по 100 кОм. Коэффициент усиления выходного неин- вертирующего усилителя DA2 устанавливается внешним делителем R1 R2 в пределах 1... 1000, так что KД всей схемы может быть установлен в пределах 0,1 ...100. КОСС этого усилителя не менее 80 дБ.

7.3 Измерительный усилитель на двух ОУ

Для приема и усиления сигналов источников с относительно большим выходным сопротивлением, например мостовых схем, требуются усилители

свходным сопротивлением совершенно иного, гораздо более высокого по- рядка. Значительно большим входным сопротивлением обладают ОУ в не- инвертирующем включении. Схема простейшего измерительного усилителя

снеинвертирующим включением входных ОУ приведена на рис. 7.5.

При соблюдении условия R2 / R3 = R5 / R4 выходное напряжение мож-

но найти по формуле

æ		R2		R2 + R5		ö	+	−
UВЫХ = ç1	+		+			÷	(UВХ -UВХ ).
		R		R
è		3			1	ø
В частном случае, когда R2 = R3 = R4 = R5, отношение принимает вид
		æ		RR2	ö	ВХ+ -UВХ− ).
UВЫХ	= 2ç1+				÷(U
		è		1	ø

R5

UВХ –

	106
R1
R4		R2
Ñ	R3	Ñ
DA1		DA2	UВЫХ

UВХ +

Рис. 7.5

По схеме на рис. 7.5 изготавливается ИУ с полевыми транзисторами на входах INA155. Внешним резистором устанавливается дифференциаль- ный коэффициент усиления в пределах 10 ¸ 50. Усилитель имеет KОСС = 92 дБ. Входной ток – 1 пА.

7.4 Измерительный усилитель на трех ОУ

Улучшить характеристики схемы дифференциального усилителя мож- но, включив между источником сигнала и каждым из входов неинверти- руюший повторитель (рис. 7.2). Повторители выполняют роль буфера, в ре- зультате чего входное сопротивление измерительного усилителя повысится, и влияние выходного сопротивления источников сигнала на дифференци- альный коэффициент усиления и KОСС практически будет устранено. При этом требуется большой KОСС и в повторителях и в выходном ОУ. Лучшими характеристиками обладает схема, приведенная на рис. 7.6 и принятая в ка- честве стандартной схемы измерительного усилителя.

Полагаем, в начале, что UОП = 0. Как видно из рис. 7.6, напряжение на резисторе Rp составляет U1 – U2. Отсюда следует, что

		æ		R2 + R1	ö	(U1	-U2 ).
	U1/ -U2	/ = ç1	+		÷
				RP
		è			ø

Эта разность преобразуется дифференциальным усилителем на трех ОУ в напряжение UВЫХ относительно общей точки (земли). Обычно выби- рается R2 = R1 и R3 = R4= R5 = R6. В таком случае дифференциальный коэф-

фициент усиления

K Д =1+ 2R2 .

RP

При UОП ≠ 0 выходное напряжение смещается на эту величину

UВЫХ −UОП = K Д (U1 −U2 ).

107

U2	Ñ	U2	R3	R4
	DA1
			R1
				Ñ
			RP	DA3
				UВЫХ
	Ñ		R2	R6
			R5
U1	DA2	U1		UОП

Рис. 7.6

Коэффициент усиления синфазного сигнала из-за разбаланса резисто-

ров

KСФ1 = R6R(3 − R4R5) . R3 R5 + R6

Коэффициент усиления синфазного сигнала из-за конечного значения KОСС схемы на трех ОУ

KСФ2 = 1 / KОСС(ОУ-3).

Общий KОСС измерительного усилителя определяется соотношением

KОСС = KД / (KСФ1 + KСФ2).

Измерительные усилители на трех ОУ имеют KОСС выше, чем схемы на двух ОУ. Они выпускаются в виде ИМС с внутренними согласованными резисторами (AD620, LM363, 1CL7605 и др.). Обычно эти ИМС имеют вы- воды для подключения внешнего резистора RР, которым задается диффе- ренциальный коэффициент усиления, а также вход опорного напряжения «ОП», который используется во многих приложениях.

Шумовые характеристики промышленных моделей измерительных усилителей на трех ОУ имеют некоторые особенности. Низким внутренним шумом обладают только входные усилители. Шум выходного ОУ значи- тельно больше. Поэтому ИУ с большим коэффициентом усиления имеет шум, приведенный к входу, значительно меньший, чем тот же ИУ с единич- ным усилением. То же самое можно сказать и о смещении нуля.

Преимущества измерительных усилителей на одном и трех ОУ

(табл. 7.1).

108

Таблица 7.1

На одном ОУ		На трех ОУ
• KОСС может быть подстроен внеш-	•	Высокий	KОСС	без
ним резистором до очень больших		подстройки.
значений.	•	Высокое		входное
• Могут быть достигнуты высокие ра-		сопротивление.
бочие значения синфазных и диф-	•	Коэффициент усиления уста-
ференциальных входных напряже-		навливается одним резистором.
ний.
• Низкая стоимость.

7.5 Применение измерительных усилителей

Однокристальные ИУ могут использоваться для тех же целей, что и отдельные операционные усилители. Отличаясь от последних более про- стой схемой включения, высоким KОСС, симметрией входов, измерительные усилители позволяют получить более высокое качество схем, чем обычные ОУ, при соизмеримой стоимости.

Источник тока, управляемый напряжением

Как мы уже знаем, схема преобразователя напряжение – ток Хоуленда весьма критична к соотношению сопротивлений резисторов. Необходи- мость согласования большого количества резисторов делает эту схему не- пригодной для серийного производства. А применение высокоточных рези- сторов приводит к существенному ее удорожанию. На измерительном уси- лителе получается очень изящное решение задачи (рис. 7.7).

–								UВЫХ	R1
UВХ RP
						ИУ

+

UОП

DA1

IВЫХ

RL

Рис. 7.7

Принцип действия схемы прост

UBX · KД = UBЫX – UОП = IВЫХ · R1.

Полагая входной ток операционного усилителя равным нулю, полу-

чим

IL = IВЫХ = UBX · KД / R1.

109

Усилитель переменного напряжения

Симметричный относительно земли вход измерительного усилителя позволяет снизить долю синфазной помехи (от внешних электрических по- лей) в его выходном напряжении. Это делает привлекательным применение ИУ, в частности, в звукотехнике в качестве предусилителей микрофонов.

Поскольку в звукотехнике не требуется усиливать медленно меняющиеся составляющие сигналов, нужно преобразовать ИУ в усилитель напряжения переменного тока. Это можно сделать по схеме, приведенной на рис. 7.8.

–
UВХ	RP	ИУ	UВЫХ
+		R1
		С1

UОП

DA1

Рис. 7.8

Отрицательная обратная связь через интегратор подавляет сигналы низких частот.

UBX · KД = UBЫX + UВЫХ / (s · τИ).

где s – комплексная переменная; τИ = RC – постоянная времени интегратора.

Передаточная функция схемы		s ×τ И
W (s) = UВЫХ = K			.
UВХ	Д 1+ s ×τ И

Прием слабых сигналов

При приеме слабых сигналов от удаленных датчиков необходимо при- нимать серьезные меры для снижения влияния внешних помех. Особенно

трудноустранимыми являются синфазные помехи промышленной частоты 50 Гц. Подавление этих помех фильтрами приводит к искажениям полезных сигналов. Экранирование проводов с заземлением экрана - малоэффектив- но. Хорошие результаты дает создание на экране потенциала, совпадающе- го с синфазной составляющей напряжения входного сигнала. Схема соеди- нения приведена на рис. 7.9.

110

R1

DA1

RP/2
ИУ	UВЫХ
RP/2
UОП

Рис. 7.9

Резистор, которым устанавливают коэффициент усиления ИУ, заме- няется двумя последовательно включенными резисторами половинного со- противления, и их общая точка через буферный повторитель соединяется с экраном. Буфер необходим для устранения прохождения сигнала от экрана к ИУ. Резистор R1, сопротивлением несколько сот Ом включают для того, чтобы уменьшить емкостную составляющую нагрузки буфера. Эта схема широко применяется в тензометрии и электрокардиографии.

8 ШИРОКОПОЛОСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Широкополосные интегральные ОУ находят применение в аппарату- ре, предназначенной для усиления или преобразования аналоговых и циф- ровых сигналов, спектры которых занимают очень широкую полосу частот. Это может быть аппаратура многоканальных телекоммуникационных сис- тем (например, систем многоканальной связи или многоканальной телемет- рии), аппаратура систем обработки и передачи изображений (например, те- левизионных и радиолокационных). Как правило, спектры сигналов в по- добных системах либо занимают полосу от нулевых частот до десятков ме- гагерц (импульсные и видеосигналы), или группируются в виде боковых полос вокруг несущей частоты в десятки и сотни мегагерц (например, сиг- налы с модуляцией амплитуды, частоты или фазы несущей).

К широкополосным усилителям предъявляются повышенные требо- вания в отношении верхней граничной частоты усиления, частоты среза и скорости нарастания выходного напряжения. Дополнительные требования к ОУ этого класса обусловлены характером нагрузки, на которую они в большинстве случаев работают. Как правило, это проводные линии связи с низкоомным (порядка 50 Ом) волновым сопротивлением, несогласованные отрезки ВЧ-кабелей, электростатические отклоняющие системы широкопо- лосных осциллографов и т.д. Во всех подобных применениях от усилителя требуется большой выходной ток (до долей или единиц ампер) и устойчивая