Калькулятор инструментального усилителя

Инструментальный усилитель

Как работает инструментальный усилитель

Инструментальный усилитель (in-amp) — это прецизионный дифференциальный усилитель, который усиливает разность двух входных напряжений (Uвх+ − Uвх−) и подавляет синфазную составляющую, одинаковую на обоих входах. Именно это делает его незаменимым там, где полезный сигнал — единицы милливольт, а поверх него сидят вольты помех и наводок: мостовые датчики, термопары, шунты тока, длинные экранированные линии. Классическая схема на трёх операционных усилителях сочетает очень высокое входное сопротивление обоих входов с точным усилением, которое задаётся единственным внешним резистором Rg.

G = 1 + 2R/Rg    Uвых = G · (Uвх+ − Uвх−)    G(дБ) = 20·log₁₀ G

Первый каскад — два буферных ОУ с общим резистором Rg между их инвертирующими входами и двумя резисторами обратной связи R. Входы этих буферов включены напрямую, поэтому входное сопротивление in-amp измеряется гигаомами и не нагружает источник сигнала — это принципиальное отличие от резистивного делителя или вычитателя, которые подсаживают датчик своими резисторами и портят точность. Синфазный сигнал проходит первый каскад с усилением, равным единице, а разностный — с усилением 1 + 2R/Rg. Второй каскад, вычитатель на третьем ОУ с четырьмя равными резисторами, окончательно убирает синфазную часть и приводит выход к одиночному (несимметричному) сигналу относительно опорного вывода REF.

Всё усиление разности набирается в первом каскаде и целиком определяется отношением 2R/Rg: два внутренних резистора R подобраны на кристалле, наружу выведен только Rg. Чем меньше Rg, тем больше G; при разомкнутом Rg (Rg → ∞) оба буфера работают как повторители и усилитель отдаёт G = 1. Поскольку в формулу входит только отношение сопротивлений, абсолютный номинал R не важен — важна его стабильность, поэтому внутренние резисторы делают из одного материала на общей подложке, чтобы они «плыли» от температуры одинаково и отношение сохранялось.

Почему хватает одного резистора Rg

Точность дифференциального усиления упирается в согласование резисторов. В простом вычитателе на одном ОУ (см. усиление ОУ) коэффициент ослабления синфазного сигнала CMRR определяется совпадением четырёх резисторов: разброс всего 1 % опускает CMRR примерно до 50 дБ. В трёхоперационной схеме критичные пары резисторов лазерно подгоняют прямо на кристалле, поэтому CMRR легко превышает 100 дБ, а пользователю остаётся один внешний Rg, который на подавление синфазной помехи почти не влияет. У готовых микросхем внутренние резисторы фиксированы, и формула принимает частный вид: у AD620 и AD8221 сумма 2R = 49,4 кОм, поэтому G = 1 + 49,4 кОм/Rg, а у INA128 внутреннее 2R = 50 кОм, то есть G = 1 + 50 кОм/Rg. В этом калькуляторе R задаётся явно, поэтому им считают и дискретную схему, и любую микросхему — достаточно подставить её внутреннее R (половину числителя из даташита). Заводское усиление у интегральных in-amp нормируется с точностью до долей процента и с гарантированным CMRR по частоте, чего повторением на дискретных ОУ и рассыпных резисторах добиться почти невозможно: даже резисторы 0,1 % дадут разброс усиления и посредственное подавление синфазной помехи. Поэтому дискретную схему собирают, лишь когда нужны нестандартные напряжения, ток или мощность, а в измерительных задачах почти всегда выигрывает готовая микросхема.

Как выбрать Rg на практике

Обычно задача обратная: известно нужное усиление, а найти надо Rg = 2R/(G − 1). Точное значение почти никогда не попадает в стандартный номинал, поэтому его округляют до ближайшего из ряда E96 или набирают парой резисторов. Погрешность Rg входит в усиление напрямую: ошибка резистора 1 % при большом G даёт около 1 % ошибки коэффициента, и её обычно калибруют программно уже после АЦП. Поэтому под Rg берут металлоплёночный резистор с малым допуском (0,1 %) и низким температурным коэффициентом — экономия на нём прямо съедает точность всего тракта. Второй тонкий момент — температура: внешний Rg и внутренние R сделаны из разных материалов, их температурные коэффициенты не совпадают, поэтому температурный дрейф усиления растёт вместе с G. Отсюда практическое правило: не гнаться за G в тысячи, а разумную часть усиления оставить на следующий каскад. Есть и шумовая цена большого усиления: при крошечном Rg собственный шум и напряжение смещения входного каскада умножаются на весь G, так что к выходу приходит не только полезный сигнал, но и усиленный дрейф нуля. Учитывайте и полосу — произведение усиления на полосу постоянно, так что при большом G полоса падает (оценить её помогает калькулятор полосы ОУ), а расчётный выход всегда ограничен напряжением питания.

Типовые значения Rg (при 2R = 49,4 кОм, AD620)

Для самой распространённой микросхемы AD620 внутреннее 2R = 49,4 кОм фиксировано, поэтому Rg однозначно задаёт усиление. Ниже — опорные точки: нужный G, необходимый Rg и то же усиление в децибелах.

Где применяют — и где не годится

Главная вотчина in-amp — измерительные мосты. С тензодатчиком в мосте Уитстона он поднимает милливольтовый разбаланс до уровня, удобного для АЦП. Так же он снимает сигнал с токового шунта — усиливает падение на низкоомном резисторе, не привязываясь к его потенциалу относительно земли, — а ещё с термопар и термосопротивлений PT100. Отдельная тонкость — опорный вывод REF: если завести на него не землю, а половину напряжения питания, однополярный in-amp сможет отдавать сигнал обеих полярностей, что удобно при питании от одного источника. Не годится in-amp там, где нужен только фиксированный G = 1 или простой инвертор (это переплата за точность), где сигнал уже большой и симметричен относительно земли (хватит обычного ОУ) и на высоких частотах — из-за падения полосы с ростом усиления. Не забывайте также про путь для входных токов смещения: если оба входа «висят» через ёмкостную развязку без резистора на землю, буферы уходят в насыщение — нужен возврат по постоянному току. Если усиление удобнее выразить в децибелах, отношение переводит калькулятор децибел.

Пример

На значениях по умолчанию R = 25 кОм и Rg = 1 кОм усиление G = 1 + 2·25000/1000 = 1 + 50 = 51. В децибелах это 20·log₁₀ 51 ≈ 34,2 дБ. При входной разности Uдифф = 10 мВ выход равен G·Uдифф = 51·10 мВ = 510 мВ. Обратная задача: чтобы получить G = 100 при тех же R = 25 кОм, нужен Rg = 2·25000/(100 − 1) = 50000/99 ≈ 505 Ом — ближайший номинал из ряда E96 равен 511 Ом (даст G ≈ 98,8).

См. также: усиление ОУ · тензодатчик · мост Уитстона · токовый шунт · все калькуляторы

Как рассчитать усиление инструментального усилителя?

В классической схеме на трёх ОУ усиление задаётся формулой G = 1 + 2R/Rg, где R — внутренние резисторы, Rg — внешний резистор усиления. Выходное напряжение Uвых = G·(Uвх+ − Uвх−). Введите любые два из R, Rg, G — третье рассчитается автоматически.

Зачем нужен инструментальный усилитель?

Инструментальный усилитель точно усиливает разность двух входных напряжений и подавляет синфазную помеху (общую для обоих входов). Это делает его незаменимым для сигналов датчиков — тензомостов, термопар, токовых шунтов — особенно при длинных проводах.

Как одним резистором Rg задать усиление?

В интегральных инструментальных усилителях (например AD620) внутренние резисторы подобраны на заводе, а усиление меняется единственным внешним резистором Rg: чем он меньше, тем больше усиление. Для AD620 G = 1 + 49,4 кОм/Rg.