Понимание и проектирование измерительного усилителя

Что такое измерительный усилитель?

Измерительный усилитель позволяет инженеру точно настроить усиление схемы изменением всего одного резистора, в отличие от обычного дифференциального усилителя, требующего переборки нескольких резисторов. Построенный на базе дифференциального усилителя, он добавляет единственный регулируемый резистор, дающий это удобство.

Как работает схема

Конструкция объединяет буферизированную дифференциальную входную ступень с тремя дополнительными резисторами, связывающими два буферных каскада. Все резисторы равны, кроме R_gain.

Отрицательная обратная связь в левом верхнем ОУ заставляет напряжение в точке 1 (верх R_gain) совпадать с V_1, а нижний ОУ фиксирует напряжение в точке 2 (низ R_gain) на уровне V_2. Это создаёт падение напряжения на R_gain, равное разнице V_1 и V_2. Поскольку входные токи ОУ пренебрежимо малы, тот же ток течёт через два резистора рядом с R_gain, создавая падение между точками 3 и 4:

Стандартный дифференциальный усилитель справа усиливает это падение в 1 раз — при условии равенства окружающих резисторов.

Зачем нужен измерительный усилитель?

Несмотря на внешнюю сложность, эта конфигурация даёт два главных преимущества:

• Экстремально высокое входное сопротивление на V_1 и V_2, так как каждый подключён прямо к неинвертирую входу своего ОУ.
• Простое управление усилением одним резистором R_gain.

Преобразование алгебры даёт общую формулу коэффициента усиления по напряжению:

На практике достаточно менять только R_gain для изменения дифференциального усиления. Изменение других резисторов тоже меняет усиление, но требовало бы идеально сбалансированных правок для сохранения симметрии. Обратите внимание: установка R_gain в бесконечность (разрыв) даёт минимальное усиление 1.

Главный вывод

• Измерительный усилитель обеспечивает высокое входное сопротивление и лёгкое управление усилением через один резистор, что делает его идеальным для точных измерительных схем.

Дополнительное чтение

• Лист работы по сумматорным и вычитающим схемам на ОУ