ОУ специального назначения

Мостовая схема дифференциального усилителя

. Дифференциальные усилители предназначены для усиления разностных сигналов. Их особенностью является то, что усиленный выходной сигнал пропорционален разности напряжений на двух входах. При этом синфазные помехи, которые одновременно поступают на входы, ослабляются на 100–120 дБ. Они, как правило широкополосные (частотная полоса от 60 до 3000 МГц) и мало шумящие (плотность собственного шума – единицы нВ/Гц^1/2). Широко используются для усиления сигналов от мостовых схем и дифференциальных пар чувствительных элементов.

(28)

Рис. 11 Принципиальная электрическая схема моста

. Мостовую схему применяют тогда, когда под действием изменений в контролируемом объекте или процессе чувствительный элемент изменяет свою электропроводность, емкость или индуктивность, в общем случае – свой электрический импеданс. Электрическая схема моста показана на рис.11 Здесь – стабилизированный источник напряжения; U_{диф} – дифференциальное выходное напряжение. Импедансы Z_1, Z_2, Z_3, Z_4 могут быть активными, реактивными или комплексными. Выходное напряжение равняется нулю только тогда, когда мост "сбалансирован", т.е. когда выполняется соотношение

(29)

(30)

При изменении импеданса любого из плеч моста его баланс нарушается, и на выходе появляется разность напряжений. Обычно изменяется лишь один импеданс – импеданс чувствительного элемента. В методе дифференциальной пары для компенсации влияния таких внешних факторов, как температура, давление, сторонние электрические или магнитные поля используют 2 одинаковых чувствительных элемента, которые симметрично включают в разные плечи моста (например, и ). Один из них "следит" за контролируемым объектом или процессом, а другой изолирован от него. Тогда все сторонние внешние факторы одинаково влияют на оба чувствительных элемента и не приводят к разбалансировке моста. Одинаково реагировать на изменения внешних факторов должны также импедансы и , их обычно делают идентичными. Разбалансировка моста и выходное напряжение определяются в таком случае лишь изменениями в контролируемом объекте или процессе.

. Принципиальную схему автоматической нуль-балансировки моста можно представить в виде:

Напряжение с выхода дифференциального усилителя подается на регулятор , который в зависимости от знака этого напряжения может изменять величину импеданса в ту или другую сторону. Лишь когда мост полностью сбалансирован, напряжение на выходе усилителя равно нулю, и импеданс перестает изменяться. Регулятор выдает на свой выход величину изменения импеданса , которая пропорциональна изменению импеданса чувствительного элемента . Благодаря автоматической нуль-балансировке, чувствительный элемент все время работает при неизменном напряжении, и никаких нелинейностей, связанных с изменением напряжения на нем, не возникает.

В реальных ОУ не удается одновременно приблизиться ко всем идеальным параметрам. Поэтому наряду с ОУ широкого потребления, которые выпускаются многомиллионными тиражами, и в которых в равной мере оптимизированы одновременно все параметры, ныне разработаны и выпускаются также ОУ специальных типов с оптимизацией одного-двух важнейших параметров:

• прецизионные (или высокоточные) ОУ, в которых минимизируются напряжение смещения (разность потенциалов на входах в мкВ, при которой выходное напряжение точно равно нулю) и его долговременный и температурный дрейф (в мкВ/месяц и мкВ/°С); стараются сделать максимальными коэффициент усиления напряжения (1 В/мкВ и выше), коэффициенты подавления синфазных помех (КПСП) и помех по шинам питания;
• быстродействующие ОУ, в которых стремятся сделать наибольшими предельную частоту усиления (на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением на средних частотах), скорость роста выходного напряжения (В/мкс) и минимизировать время установления (время, на протяжении которого после изменения входного напряжения устанавливается новое стационарное значение выходного напряжения с точностью до 0,1%);
• ОУ с минимальным потреблением мощности, в которых при сохранении функциональных параметров максимально уменьшают ток потребления от источника питания и рассеиваемую мощность;
• ОУ с минимальным собственным шумом, в которых стремятся по возможности уменьшить приведенные ко входу среднеквадратичные напряжение и ток шума (в нВ/Гц^1/2 и пА/Гц^1/2);
• мощные ОУ, в которых для непосредственного управления каким-либо сигнализатором обеспечивают большой выходной ток, малое выходное сопротивление, большую суммарную выходную мощность, устойчивость против короткого замыкания выхода.

Дата добавления: 2014-01-15