Следующий пример дает представление о типичном порядке величин для такого усилителя с обратной связью. Если для создания усилителя, преобразующего ток в напряжение используется операционный усилитель с параметрами R'i = 1 МОм, R'0 = 100 Ом и А0 = 105 и сопротивление резистора обратной связи равно R =10 кОм, то эквивалентный усилитель с обратной связью будет обладать входным сопротивлением Ri=0,1 Ом, выходным сопротивлением Ri = 0,001 Ом и коэффициентом передачи v0 / ii = -10 кОм.
Когда напряжение сигнала слишком мало для непосредственного измерения, его сначала усиливают с помощью усилителя напряжения. Простая схема такого усилителя приведена на рис. 3.38(а). Эту схему можно получить из схемы, изображенной на рис. 3.37(а), с учетом того, что схема на рис. 3.38(а) – это та же самая схема, что и на рис. 3.37(а), но с резистором R1, включенным последовательно со входом. При помощи этого резистора R1 входное напряжение vi преобразуется в ток ii = vi/R1, а затем ток, как и раньше, преобразуется в выходное напряжение v0. Таким образом, общий коэффициент усиления напряжения равен
.
Согласно рис. 3.38(а) входное сопротивление Ri такой схемы равно R1. Это может не отвечать требованиям, предъявляемым к измерительному усилителю в целом ряде применений, так как усилитель напряжения должен иметь как можно большее входное сопротивление. Поэтому предпочтение может быть отдано альтернативной схеме, приведенной на рис. 3.38(b). Эту схему также можно считать результатом преобразования предыдущей схемы. Найдем ток, протекающий через R1. Так как коэффициент усиления операционного усилителя А0 очень велик, входным напряжением можно пренебречь при условии, что усилитель работает в линейном режиме, а значение его выходного напряжения находится где-то между напряжениями источников питания. Поэтому напряжение в точке соединения резисторов R1
Рис. 3.38. Усилитель напряжения. (а) Инвертирующий усилитель напряжения. (b) Неинвертирующий усилитель напряжения.
и R2 будет следовать за входным напряжением vi (будет происходить компенсация). Тогда ток, протекающий по резистору R1 должен равняться i = -vi / R1; этот же ток течет по резистору R2. Поэтому коэффициент усиления напряжения этого усилителя оказывается равным
.
В противоположность случаю, который имеет место в схеме на рис. 3.38(а), входное сопротивление усилителя «напряжение – напряжение», представленного на рис. 3.38(b) значительно больше вследствие того, что входное напряжение непрерывно автоматически компенсируется (см. также рис. 3.30(а)).
Вычисление входного сопротивления Ri неинвертирующего усилителя напряжения дает:
.
При R'0<<R1 +R2 и А0>>1+R2/R1 приходим к следующему приближенному равенству:
.
Схема на операционном усилителе с параметрами R'i = 1 МОм и А0 = 105 и обратной связью, рассчитанной так, чтобы результирующий коэффициент усиления Аt равнялся 100, имеет входное сопротивление Ri = 1 ГОм. Чем меньше значение Аt, тем больше Ri.
Мы приходим к схеме с
очень глубокой обратной связью. Замыкая накоротко резистор R2 в усилителе
напряжения, схема которого дана на рис.3.38(b), и совсем
удаляя резистор R1, получим
коэффициент усиления напряжения Аt=1.
Такой усилитель напряжения с единичным коэффициентом усиления (повторитель)
часто применяется для согласования большого выходного импеданса измеряемого
объекта с малым входным импедансом измерительной системы. Повторитель очень
хорошо подходит для этой цели, поскольку имеет исключительно большой входной
импеданс и очень малый выходной импеданс. Хотя коэффициент усиления напряжения
равен всего лишь единице, этот усилитель все же может значительно усиливать мощность
измеряемого сигнала. Мощность Рi, потребляемая
повторителем на входе, равна 
. Если входное сопротивление
измерительной системы равно Rm, то она будет потреблять мощность 
. Так как v0 ≈ vi, коэффициент усиления мощности равен 
. По этой причине схему, приведенную на рис. 3.38(b),
часто называют буфером напряжения.
В разделе 2.3.3.3 мы видели, что помех, вызванных токами в петлях заземления, можно избежать, применяя усилитель напряжения с дифференциальным каскадом на входе. Усилитель такого типа чувствителен только к разности потенциалов между его входными клеммами и нечувствителен к синфазному сигналу. На рис. 3.39 показано другое применение усилителя с дифференциальным входом. В данном случае выходной сигнал моста, образованного тензодатчиками, определяется только разностью напряжений vd и не зависит непосредственно от напряжений vlи v2. Эквивалентная схема Тевенина приведена на рис. 3.39(b). Разностное напряжение vdопределяется соотношением:
.
Синфазное напряжение vcравно
.
Выходное сопротивление моста R0равно (R2-ΔR2)/R. Если ΔR<<R, то R0≈R. Усилитель напряжения, подключенный к выходу моста, должен быть чувствительным только к напряжению vd. Такой тип усилителя называется дифференциальным усилителем. Синфазный сигнал vc таким усилителем почти полностью подавляется.
Малая часть синфазного сигнала все же будет попадать на выход. По определению коэффициент передачи Ас синфазного сигнала vc в дифференциальном усилителе равен
.
Рис. 3,39. Измерение напряжения на выходе моста с помощью дифференциального усилителя, (а) Схема моста с четырьмя тензодатчиками. (b) Эквивалентная схема: vc =vs/ 2, vd = vs ΔR/R и R0 =(R2 - ΔR2)/R . (с)Дифференциальный усилитель (ДУ).
В свою очередь, коэффициент усиления Ad дифференциального сигнала vd равен
.
Критерием подавления синфазного сигнала является Коэффициент Ослабления Синфазного Сигнала (КОСС). Этот коэффициент определяется как отношение таких значений синфазного сигнала v и дифференциального сигнала vd, каждое из которых дало бы на выходе одно и то же значение выходного сигнала v0. Одним словом,
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.