Измерительный (инструментальный) усилитель

Измери́тельный усили́тель

,
инструмента́льный усилитель
,
электрометри́ческий вычитатель
[1] [2] — разновидность дифференциального усилителя с улучшенными параметрами, пригоден для использования в измерительном и тестирующем оборудовании.

К таким характеристикам относят: очень малое входное смещение, малый температурный дрейф, малый собственный шум, высокий коэффициент усиления, регулируемый в широких пределах всего одним резистором, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, очень высокие входные сопротивления, малый входной ток.

Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

Применяются в измерительной технике, обработке сигналов различных датчиков и др.

Описание электрической схемы [ править | править код ]

Классическая электрическая схема измерительного усилителя показана на рисунке. Измерительный усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель. Для повышения входного сопротивления входной каскад строят на двух отдельных усилителях. Входной каскад представляет собой дифференциальный усилитель, выполненный на двух связанных через резистор R g a i n > неинвертирующих усилителях. Второй каскад — обычный дифференциальный инвертирующий усилитель с высоким подавлением синфазного сигнала [3].

Буферные входные неинвертирующие усилители увеличивают входное сопротивление (импеданс) низкоимпедансного выходного дифференциального инвертирующего усилителя как для дифференциального, так и для синфазного сигналов, так как сигнал подается непосредственно на вход входных операционных усилителей имеющих очень малые входные токи. Резистор R g a i n >> — общий для обоих входных неинвертирующих усилителей, изменением величины его сопротивления изменяют коэффициент усиления инструментального усилителя.

Коэффициент усиления выходного дифференциального инвертирующего усилителя равен [1] [4] [5] [6] [7] :

K U d = R 3 R 2, >=>>,> 2>3>

дифференциальный коэффициент усиления напряжения всей схемы:

K U = K U d ⋅ K U b = V o u t V 2 − V 1 = ( 1 + 2 R 1 R g a i n ) R 3 R 2. =K_ >cdot K_ >= >>-V_<1>>>=left(1+ <2R_<1>over R_ >> ight) over R_<2>>.> 3>2>

Простой усилитель без лишних понтов [2014]

Целью создания представленной ниже схемы было, получение простого, довольно качественного, надежного и не привередливого усилителя. Усилитель изначально делался как усилитель для сабвуфера, но это не означает что данный усилитель плохо звучит во всем остальном диапазоне — нет! Схема достаточно качественная, даже более качественная, чем качество среднестатистического усилителя, схемы которых представлены в интернете.

Схема усилителя представляет собой типичную схему топологии Лина. Ничего нового, все упрощено практически до предела. Особенность схемы, одновременно в простоте и повторяемости схемы — усилитель начинает работать сразу после сборки и не нуждается даже в регулировке тока покоя. Усилитель имеет защиту от короткого замыкания в нагрузке. Схема модернизирована в 2020 году.

На схеме показан усилитель с двумя парами выходных транзисторов, но возможно установить до четырех пар транзисторов, печатная плата прилагается.

Технические характеристики представленной выше схемы: Частотный диапазон относительно 1 кГц (-1дБ) = 4 — 110 000 Гц Частотный диапазон относительно 1 кГц (-3дБ) = 2 — 200 000 Гц Максимальная выходная мощность (Нагрузка 4Ом, 1кГц, +/-40В, при двух парах выходных транзисторов) = 150 Вт Максимальная выходная мощность (Нагрузка 4Ом, 1кГц, +/-40В, при четырех парах выходных транзисторов) = 380 Вт THD+N (-1дБ от максимальной мощности, 1кГц, 4Ом) = 0,006% Диапазон питающих напряжений (при двух парах выходных транзисторов) = +/- 20В … +/- 45В Диапазон питающих напряжений (при четырех парах выходных транзисторов) = +/- 20В … +/- 60В

Усилитель не требователен к элементной базе.

Резисторы, кроме дополнительно указанных на схеме, выбираем рассчитанные на мощность 0,25Вт. Лучше применять металлопленочные резисторы из-за их меньшего шума. Можно применять как советские МЛТ, так и любые их китайские аналоги. Стремиться применять высокоточные резисторы нет необходимости, потому-что значительного влияния на конечный результат это не окажет. Допустимо применять резисторы с допуском 10%.

Основное внимание необходимо уделить качеству конденсаторов, которые стоят на пути прохождения сигнала (С1 и С5). В роли этих конденсаторов лучше выбрать наиболее качественное из возможных. Это не обязательно, но к этому по возможности нужно стремиться. В качестве С5 лучше применить не полярный электролит (можно полярный). Стоит избегать электролитов фирм Elzet, Chang и других китайских «брендов». Не в коем случае нельзя применять электролиты производства СССР — они уже давно высохли и не могут обеспечить своих параметров. Конденсаторы С9, С10, С11, С12, С3, С4 – электролиты, фильтр питания. Их качество особой роли не играет, но опять же стоит избегать левых китайских контор, а так же высохших советских конденсаторов. Напряжения этих конденсаторов необходимо выбирать в соответствии с напряжением питания. Конденсаторы С13, С14 – пленочные, не полярные. Напряжение так же следует выбирать в соответствии с напряжение питания. Их качество так же сильного значения не имеет, но лучше выбрать что-нибудь по лучше.

По транзисторам особо нечего говорить. Самое главное правило – это применять то, что указано на схеме и сюрпризов не будет. Не стоит применять транзисторы-аналоги производства СССР

Усилитель работает в классе AB и поэтому нуждается в довольно серьезном охлаждении. Качественной характеристикой радиатора является площадь его поверхностей и толщина основания. Для отвода 1Вт тепла необходимо примерно 12-18см2 площади радиатора (для алюминия и его сплавов). Толщина основания — чем больше, тем лучше. Необходимую площадь радиатора можно рассчитать по формуле: S=Pвых*(1-КПД)*(12..18), где Pвых — выходная мощность усилителя. Для 150Вт’ного усилителя площадь радиатора должна находится в пределах: от S=150*(1-0,6)*12=720см2, до S=150*(1-0,6)*18=1080см2. При применении активного отвода тепла (вентилятора или нескольких вентиляторов), можно существенно уменьшить необходимую площадь радиатора. Но следует помнить что вентилятор — это шум и пыль.

Катушка на выходе представляет собой 15-20 витков провода сечением 1-1,5мм2, на диаметре 8мм. Точность изготовления катушки большого значения не имеет.

От величины напряжения питания усилителя в первую очередь зависит выходная мощность усилителя. Зная сопротивление нагрузку и требуемое значение выходной мощности можно по графику приведенному ниже выбрать необходимое напряжение питания усилителя.

С двумя парами транзисторов на выходе я не рекомендую увеличением напряжения питания выше +/- 45В вне зависимости от сопротивления нагрузки. Разумный предел выходной мощности для двух пар данных выходных транзисторов — 150Вт. При использовании четырех пар выходных транзисторов, допускается поднимать напряжение питания до +/-60В, при этом выходная мощность на нагрузке 4Ом составит 380Вт.

Усилитель не нуждается в какой-либо настройке или регулировке и начинает работать сразу же после сборки. Если усилитель после первого включения не работает правильно: постоянное напряжение на выходе, перегрев, дым, самовозбуждение, тут скорее всего ваша вина. Для начала необходимо проверить монтаж, качество пайки, отмыть плату от канифоли или других флюсов. Проверьте все номиналы резисторов на совпадение со схемой, сверьте цоколевку транзисторов.

Печатная плата усилителя выглядит следующим образом:

Плата имеет раздельную землю для сигнальных цепей и силовых цепей, что позволяет полностью исключить появление фона.

Точки подключения на плате:IN — вход сигнала. sGND — входная земля (земля от источника сигнала). OUT — выход усилителя. GND — один контакт для подключения к земле блока питания, второй — минусовой выход усилителя к АС. +/-U — шины для подключения источника питания усилителя.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
VD1, VD2, VD3, VD4, VD5, VD6	Выпрямительный диод	1N4148	6	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT1, VT2, VT4, VT8, VT11	Биполярный транзистор	2N5401	5	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT3, VT5, VT7, VT9, VT10	Биполярный транзистор	2N5551	5	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT6	Биполярный транзистор	BD135	1	или КТ815	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT12, VT14	MOSFET-транзистор	IRFP240	2	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT13, VT15	MOSFET-транзистор	IRFP9240	2	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R1	Резистор	470 Ом	1	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R2	Резистор	10 Ом	1	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R3, R8	Резистор	22 кОм	2	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R4	Резистор	150 Ом	1	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R5, R7	Резистор	47 Ом	2	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R6, R14	Резистор	15 кОм	2	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R9	Резистор	680 Ом	1	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R10, R11, R15, R18, R19, R21, R24	Резистор	100 Ом	7	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R12	Резистор	7.5 кОм	1	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R13	Резистор	750 Ом	1	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R16, R17, R20	Резистор	22 Ом	3	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R22, R23	Резистор	1 кОм	2	0.25Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R25, R26, R27, R28	Резистор	0.22 Ом	4	2Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C1	Конденсатор	4.7 мкФ	1	Пленочный	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C2, C7, C8	Конденсатор	470 пФ	3	Керамический	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C3, C4	Электролитический конденсатор	220 мкФ	2	50-63В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C5	Электролитический конденсатор	220 мкФ	1	16В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C6	Конденсатор	47 пФ	1	Керамический	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C9, C10, C11, C12	Электролитический конденсатор	1000 мкФ	4	50-63В	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
C13, C14	Конденсатор	1 мкФ	2	Пленочный. 100В и более	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
L1	Катушка индуктивности	1 мкГн	1	15-20 Витков. 1-1,5мм2. 8мм диаметр	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
						Добавить все

Прикрепленные файлы:

• publp 2k17.lay (208 Кб)
• publp 4 2k17.lay (297 Кб)

Теги:

• УНЧ
• Sprint-Layout

Вывод коэффициента усиления инструментального усилителя [ править | править код ]

При этом анализе предполагается, что все операционные усилители идеальные, то есть с бесконечным коэффициентом усиления, нулевыми входными токами и нулевым напряжением входного смещения.

На выходе первого каскада на первом операционном усилителе (на рисунке слева сверху) выходное напряжение:

V i 1 = V 2 + ( 1 + R 1 R g a i n ) ⋅ ( V 1 − V 2 ), <1>=V_<2>+left(1+ over R_ >> ight)cdot left(V_<1>-V_<2> ight),> 1>

и на выходе второго операционного усилителя (слева снизу):

V i 2 = V 1 + ( 1 + R 1 R g a i n ) ⋅ ( V 2 − V 1 ). <2>=V_<1>+left(1+ over R_ >> ight)cdot left(V_<2>-V_<1> ight).> 1>

Эти выражения следуют из того, что за счет обратной связи и собственного бесконечно большого коэффициента усиления операционного усилителя напряжения на инвертирующих входах точно равны входным напряжениям на неинвертирующих входах а резисторы R 1 <1>>

и R g a i n >> образуют соответствующие делители напряжения.

Классический измерительный усилитель

Измерительный усилитель — это продвинутая разновидность дифференциального усилителя, рассмотренного ранее

. Такие усилители также называют инструментальными. Классическая схема измерительного усилителя приведена на следующем рисунке:

Этот усилитель, так же, как и просто дифференциальный усилитель используется для усиления разностного сигнала и подавления паразитного синфазного (т.е. приходящего сразу на оба входа) сигнала.

Плюсами этой схемы является то, что входной каскад на 2-х ОУ обеспечивают большой дифференциальный коэффициент усиления и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов без какого-либо особо точного согласования резисторов.

Дифференциальный коэффициент усиления первого каскада определяется формулой

Второй каскад представляет из себя обычный дифференциальный усилитель. Дифференциальный коэффициент усиления которого равен 1, а коэффициент усиления синфазного сигнала равен практически 0.

Как видите паразитный синфазный сигнал, приходящий на оба входа усилителя на первом каскаде не усиливается, а на втором подавляется. При этом не обязательно, чтобы выходной ОУ имел большой КОСС, и также не обязательно прецизионное согласование резисторов R между собой, что не допустимо для обычного дифференциального усилителя.

Измерительный усилитель — полная схема

Самые часто используемые операционные усилители — сдвоенные. Т.е. Два ОУ в одном корпусе. Соответственно при использовании двух корпусов, один ОУ остается невостребованным. Предлагаю рассмотреть еще одну схему, в которой 4-ый ОУ будет приносить значительную пользу. К тому же измерительный усилитель чаще строится именно по такой схеме.

Добавленный нижний операционник используется как “защитный”. Усиленный синфазный сигнал этого операционника может быть использован для ослабления эффектов емкости кабеля и утечек. При таком включении защитный выход должен быть соединен с экраном входного кабеля. При этом важно, что больше экран не должен никуда быть подключен. И тем более не должен быть заземлен.

В случае, если Вы хотите вынести резистор, задающий коэффициент усиления на переднюю панель регулировок (что не рекомендуется), делать это следует экранированным кабелем, экран которого так же следует подключить к защитному выходу.

Общий коэффициент усиления показан на схеме. Типичными значениями элементов схемы можно назвать следующие —

• R1 — 100 Ом
• R2 — 50 кОм
• R3 — 10 кОм
• R4 — 10 кОм
• Входные резисторы — по 1 кОм.

Резисторы R3 и R4 задают коэффициент второго каскада, который представляет из себя обычный дифференциальный усилитель, и был описан в статье: Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение.

В скором времени запланировано изготовить несколько таких усилителей. Так что скоро здесь появится разведенная печатная плата