Инструментальный усилитель

Дифференциальный усилитель на одном ОУ (рис. 1.6) имеет низкое входное сопротивление, что допустимо при его использовании с низкоомными источниками сигналов, например, с тензометрическим мостом. Однако он непригоден для работы с высокоомными источниками сигналов. В этом случае проблема усиления сигнала решается путем использования инструментального (или измерительного) усилителя, схема которого представлена на рис. 1.7.

Рисунок 1.7 – Инструментальный усилитель

В структуру инструментального усилителя входят два неинвертирующих усилителя, подключенных к входам базового дифференциального усилителя (по одному на вход). Сопротивления R1 неинвертирующих усилителей (рис. 1.4) соединены друг с другом для исключения связи с точкой заземления схемы. Коэффициент усиления синфазного напряжения определяется из рассмотрения двух входных повторителей независимо от простого дифференциального усилителя. Предположим, что U₄=U₅, согласно правилу 1, напряжение U₄ появляется на инвертирующих входах обоих ОУ. Это означает, что оба вывода резистора R₃ находятся под одним и тем же напряжением, и, следовательно, ток через R₃ равен нулю. Согласно правилу 2, равен нулю и входной ток ОУ, так что через резистор R₄ не протекает никакого тока. Таким образом, напряжение U₄ появляется на выходах обоих ОУ и коэффициент усиления синфазного напряжения равен 1.

Для определения коэффициента усиления дифференциального напряжения предположим . Тогда падение напряжения на резисторе R₃ равно U₄ – U₅. Под действием этого падения напряжения через R₃ протекает ток, и по правилу 2 тот же самый ток будет протекать через оба резистора R₄. Для выходного напряжения имеем

, (1.8)

в то время как входное напряжение

(1.9)

Коэффициент усиления дифференциального сигнала равен

(1.10)

КОСС определяется значением коэффициента усиления дифференциального сигнала, так как коэффициент усиления синфазного напряжения равен 1. Равенство единице коэффициента усиления синфазного напряжения для первого каскада инструментального усилителя указывает на то, что значение этого параметра для всего усилителя равно 0, поскольку на входах второго каскада действуют одинаковые напряжения.

Перемножая коэффициенты усиления каскадов (1.7 и 1.10), получим общий коэффициент усиления инструментального усилителя

(1.11)

Инструментальный усилитель имеет высокое входное сопротивление и высокий КОСС, его коэффициент усиления можно регулировать путем изменения сопротивления резистора R₃.