176. Инструментальный усилитель: три ОУ, ослабление синфазного, путь для входных токов

Мост, термопара, шунт в плюсовом проводе — во всех случаях полезный сигнал это разность двух напряжений, а сами напряжения могут быть где угодно в пределах питания. Разностное включение одного ОУ из 56.5 для этого слабо: у него низкое входное сопротивление и ослабление синфазного сигнала целиком зависит от разброса четырёх резисторов.

Числа ниже — модель ngspice на расширенной макромодели ОУ из раздела 164.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
instrumentation amplifier	инструментальный усилитель
difference amplifier	разностный усилитель
common-mode voltage	синфазное напряжение
common-mode rejection ratio (CMRR)	ослабление синфазного сигнала
gain-setting resistor (RG)	резистор, задающий усиление
reference (REF) pin	вывод опоры
input bias current return path	путь возврата входных токов
resistor matching / ratio tolerance	согласование резисторов
input common-mode range	диапазон синфазного сигнала на входе

176.1 Схема на трёх ОУ

Первый каскад — два неинвертирующих усилителя с общим резистором между инвертирующими входами: разность усиливается, синфазное проходит без усиления. Второй каскад — разностный с единичным усилением: он вычитает то, что осталось.

Усиление первого каскада 1 + 2R / Rg. В модели R = 24,7 кОм и Rg = 1 кОм, то есть 50,4; модель при разности 10 мВ даёт на выходе 50,37 — расхождение от конечного усиления самих ОУ.

Резистор Rg — один и снаружи: меняя его, меняют усиление всего узла, и при этом ничего не «разбалансируется». Это главное отличие от разностного каскада, где усиление задают четыре резистора сразу.

176.2 Ослабление синфазного и разброс резисторов

Синфазное напряжение меняем от 0,4 до 2,9 В при нулевой разности. Три варианта:

Ключевой момент: уход выхода во второй и третьей строках одинаков, но у инструментального усилителя он делится на усиление 50,4, а одиночный разностный в третьей строке работает с усилением 1 — отсюда разница в 50 раз (34 дБ). Честное сравнение — на равном усилении: разностный каскад с усилением 50 и тем же 1 % даёт 73,7 дБ, ослабление синфазного у него тоже растёт с усилением. Инструментальный выигрывает у него лишь около 6 дБ. Его настоящие преимущества — вход, не нагружающий источник (у разностного с усилением 50 вход — это его резисторы 10 кОм), и один резистор усиления. Готовая микросхема с подогнанными лазером резисторами даёт 100…120 дБ и не требует подбора.

Второе следствие: усиление разностного каскада тоже зависит от разброса. При точных резисторах модель даёт 50,37, при 1 % в одном из четырёх — 50,00, то есть 0,74 % ошибки усиления. Для АЦП это 30 кодов из 4096.

176.3 Входным токам нужен путь

У входов усилителя есть входные токи (раздел 164.1), и им нужно куда-то течь. Если источник изолирован — термопара, тензомост без заземления, датчик на длинном кабеле, — пути нет, и входы уплывают.

Без пути возврата входные токи 100 нА уводят источник за пределы питания, первый каскад упирается в шину, и на выходе — опора вместо сигнала. Два резистора по 1 МОм от каждого входа к опоре (или к земле, если сигнал однополярный) решают задачу и почти не влияют на измерение: через каждый течёт входной ток и доля утечки — в модели 0,17 и 0,18 мкА. Разность входных токов ошибки не даёт: источник низкоомный, и она замыкается через него — при 100 и 110 нА выход 2,1535 В против 2,1537 В. Иначе с разделительными конденсаторами на входе: у каждого входа свой путь, и разность токов становится ложным сигналом ΔI · R: 10 нА · 1 МОм = 10 мВ — весь сигнал примера. В модели с конденсаторами, где сам источник по постоянному току отрезан, выход тот же — 2,1535 В. Там R выбирают по допустимой ошибке: R ≤ Uдоп / ΔI.

176.4 Опора и что к ней подключать

Вывод опоры задаёт, относительно чего считается выход: при однополярном питании это середина (раздел 162), при измерении в плюс — земля. Важное правило: опору подают низкоомным источником — буфером или стабилизатором. Делитель из двух резисторов без буфера включается последовательно с резистором разностного каскада, нарушает согласование и рушит ослабление синфазного сигнала — ровно так же, как разброс в 1 %.

Готовая микросхема инструментального усилителя даёт:

• подогнанные резисторы и ослабление синфазного 100…120 дБ;
• один внешний резистор усиления;
• нормированный диапазон синфазного сигнала на входе — его всегда проверяют по графику в документации, особенно у однополярного питания.

176.5 Грабли

Показания моста плывут при изменении питания. Слабое ослабление синфазного: собрано на разностном каскаде с усилением 1 и резисторами 1 % — 46 дБ.

Собрали инструментальный, а ослабление всё равно низкое. Опора подключена к делителю без буфера или резисторы второго каскада разные.

Выход стоит на опоре и не реагирует на сигнал. Изолированный источник без пути возврата входных токов.

Усиление отличается от расчётного на доли процента. Разброс резисторов второго каскада: 1 % в одном даёт 0,74 % усиления.

Сигнал есть, но при некоторых напряжениях моста пропадает. Вышли за диапазон синфазного сигнала на входе — смотреть график в документации.

176.6 Итоги

• Инструментальный усилитель на трёх ОУ: усиление 1 + 2R / Rg = 50,4, модель даёт 50,37 при разности 10 мВ.
• Разброс 1 % в одном резисторе: 80,1 дБ у инструментального против 46,0 дБ у одиночного разностного с усилением 1 — разница ровно на усиление первого каскада. С тем же усилением 50 разностный даёт 73,7 дБ: выигрыш инструментального — около 6 дБ, а главное — вход без нагрузки на источник.
• Точные резисторы в модели дают 134 дБ; ошибка усиления от того же разброса — 0,74 %.
• Изолированному источнику нужен путь возврата входных токов: без него источник уходит на −1,96 В и выход застревает на опоре, с двумя резисторами 1 МОм выход верный — 2,154 В.

Дальше: раздел 176а «Токовая петля 4–20 мА: приём датчика и выход на ПЛК» — как принять датчик по току на АЦП и выдать 4–20 мА на вход ПЛК.