Усилитель инструментальный: принципы работы и сферы применения
Для измерения электрических параметров, проведения тестов и для работы высокоточных аппаратов требуются усилители с улучшенными и стабильными параметрами. Такие устройства усиления переменных аналоговых сигналов, а также постоянного (медленно изменяющегося) напряжения, входят в категорию инструментальных операционных усилителей (ОУ). Обычно они создаются на интегральных ОУ или на отдельных модулях из дискретных либо интегрированных компонентов. Существуют специализированные инструментальные усилители (ИУ), выполненные на микросхемах. Вместе с экспертами «ЗУМ-СМД» рассмотрим принцип работы и сферы применения ИУ.
Содержание:
Предназначение и принцип работы ИУ
Применяют ИУ для усиления дифференциальных переменных или постоянных (медленно изменяющихся) сигналов. Это прецизионное устройство оптимизировано для безошибочного функционирования в суровых условиях, когда имеют место один или несколько таких факторов:
- широкий диапазон температур эксплуатации с большими перепадами;
- малые мощности входных сигналов компенсируются большим входным сопротивлением усилителя;
- сигнал может быть с большим уровнем шумов — недостаток устраняется высокой способностью подавления синфазных входных напряжений;
- требуется высокоточный показатель усиления в широком диапазоне не только высоких, но и сверхнизких частот;
- высокая скорость нарастания напряжения позволяет быстро и точно удалить ошибки через цепи ООС;
- низкое выходное сопротивление дает возможность работать выходному каскаду непосредственно на нагрузку или активное входное сопротивление электронных устройств без задействования дополнительных предварительных усилителей;
- малое энергопотребление позволяет экономично использовать ИУ в портативных устройствах с батарейным или аккумуляторным питанием;
- высоковольтные и мощные ИУ требуют большого напряжения питания для создания на выходе больших амплитуд сигнала по напряжению, току или мощности.
Сферой применения ИУ могут быть различные датчики, генераторы электродвижущей силы (ЭДС), значение которой может быть очень мало. От результатов чувствительности ИУ и стабильности коэффициента усиления полностью зависит эффективность применения всего устройства. К примеру, датчик какого-нибудь измерительного прибора имеет линейный диапазон чувствительности от нуля до некоторого значения. В таких случаях оконечная чувствительность и точность измерения целиком и полностью будут зависеть от реальных характеристик ИУ. В таких случаях даже очень высокая стоимость (по сравнению с классическими интегральными компонентами) уже не имеет особого значения. Главным является параметр ИУ. В них часто применяют такую топологию, в которой коэффициент усиления имеет строгую зависимость от специального резистора (потенциометра). Это позволяет изготавливать модули с механической подстройкой нужных характеристик.
Другой важной сферой применения инструментальных усилителей являются аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). От точности их преобразующих компонентов, которыми являются ИУ, зависят оконечные характеристики изделия, в которых применен АЦП. Так микропроцессоры, процессоры и микроконтроллеры не могут работать с аналоговыми сигналами, им необходим преобразователь. Так что ИУ, будь они встроенными в чип или выполненные на дискретной микросхеме, в программной технике играют очень важную функцию.
Свойства инструментальных усилителей
Модульные ИУ могут состоять из трех ОУ, а интегральные их варианты — это специализированные ОУ. Они имеют улучшенные характеристики всех или некоторых из этих параметров:
- крайне низкое входное смещение нуля;
- высокий коэффициент усиления;
- малый уровень собственных шумов;
- незначительный температурный дрейф;
- высоким уровнем ослабления синфазного сигнала;
- большое входное сопротивление;
- малое выходное сопротивление.
Параметры многих ИУ зависят от предполагаемой сферы их применения. Например, для компактных портативных устройств требуются чипы усилителей с высокой экономичностью. Тогда как в системе управления, например, мотором или мощным агрегатом такая надобность отсутствует. Также пьезокерамические датчики могут иметь большой потенциал ЭДС, а магнитные или фото датчики, наоборот, крайне малый. Поэтому ОУ классифицируются на виды с основными характеристиками:
- ОУ общего применения с максимально допустимым выходным током до 5 мА, коэффициентом усиления 50 В/мВ и выходным сопротивлением 150–200О м (дифференциальным входным сопротивлением) — 140 УД6 (3 Мом), 140 УД7 (400 кОм) и 140 УД8 (1 Гом);
- Быстродействующие ОУ (с коэффициентом усиления/максимальной частотой) — 574 УД3 (50 В/мВ / 15 МГц), 154 УД4 (8 В/мВ / 30 МГц), MAX 437 (7000 В/мВ / 60 МГц) и AD 8055 (3В/мВ / 300МГц);
- Прецизионные ОУ с входным сопротивлением 60 МОм и выходным 60 Ом (коэффициентом усиления/скоростью нарастания выходного напряжения) — 140 УД21 (1000 В/мВ / 2,5 В/мкс), MAX400 (1000 В/мВ / 0,3В/мкс), ICL7652 (6000 В/мВ/ 0,6 В/мкс), также LMC 6001 (5000 В/мВ / 1,5 В/мкс, а также имеет входное сопротивление >1ТОм);
- Микромощные ОУ способны работать на (низких напряжениях питания/ малым потреблением/ невысоким быстродействием) — MAX438 (от ±3 В до ±5 В/ 75 мкА/ 6 МГц), MAX 480 (от ±0,8 В до ±18 В/ 15 мкА/ 20 кГц), MAX 406 (от 2,5 В до 10 В/ 1,2 мкА/ 20 кГц), AD 8541 (2,7–5,5 В/ 40 мкА / 700 кГц) и 140 УД12 (от ±1,5 В до ±18 В/ от 0,2 мА до 0,03 мА/ от 1 МГц до 200 кГц в зависимости от напряжения питания);
- Высоковольтные и мощные ОУ с коэффициентом усиления 50 В/мВ (20 В/мВ для 1408 УД1) и дифференциальным входным сопротивлением 1 Мом (диапазоном питающего напряжения / скоростью нарастания амплитуды выходного сигнала) — 1408 УД1 (от ±7 В до ±40 В/ 2 В/мкс), 157 УД1 (от ±3 В до ±20 В/ 0,5В/мкс), LM12 (от ±10 В до ±40 В/ 9 В/мкс), 3583 (до ±150 В/ 30 В/мкс), PA031 (от ±15 В до ±75 В/ 10 В/мкс), PA30 (от ±15 В до ±100 В/ 20 В/мкс) и еще PA85/85A (от ±15 В до ±225 В/ 1000 В/мкс, при максимальном быстродействии 20 МГц).
Большую линейку интегральных ИУ чипов выпускает компания Analog Devices. Ее продукция отличается параметрами, обладающими высокой эффективностью использования в различных приложениях. Эти изделия можно приобрести в онлайн-магазине «ЗУМ-СМД».
