Проектиране на инструментален усилвател

[Mozo]

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ СОФИЯ

ФЕТТ, Катедра “Електронна техника”

Курсов проект
по
“Аналогова схемотехника”

Тема: Проектиране на инструментален усилвател

Съдържание

1. Кратка теоретична постановка………………………………………………………………………………………….3

2. Съставяне на блокова схема и дефиниране на параметрите на стъпалата…………………….5

3. Проектиране и изчисляване на отделните стъпала и части…………………………………………….6

4. Изчисляване на общите характеристики и параметри на устройството……………………….10

5. Симулационно тестване в постояннотокова и честотна област………………………………….….11

6. Графична част…………………………..………………………………………………….....12
6.1. Електрическа схема………………….................................................…………………….12

6.2. Графичен оригинал на печатна платка(разположение на елементите, страна спойки,
страна елементи)…………… …………………………………....………………………….…13

6.3. Спецификация на елементите………………….................………………………………14

7. Използвана литература…………………………………………………………………………………....…15

1. Кратка теоретична постановка:

Инструменталните усилватели (instrumental amplifiers – in-amps) са усилвателни схеми (усилвателни блокове) с въведена отрицателна обратна връзка. Те имат диференциален (симетричен) вход и единичен (несиметричен) изход. Характеризират се с голямо входно съпротивление (Rin+=Rin-=109Ω до 1012 Ω), малък входен поляризиращ ток (IiB<10nA) и голям коефициент на подтискане на симфазни сигнали (CMRR е от 80dB до 120dB). Инструменталните усливатели притежават вградена верига на ООВ, която е изолирана от входните изводи на схемата и коефициента на усилване по напрежение обикновенно се задава от външно включван във веригата на ООВ резистор RGAIN.При тях изходното напрежение може да се изрази по следния начин :

Uо' = АdUid + АсмUicм + U00 = Uо (1 + е см + eнес ), където

Uо е изходното напрежение при идеален измервателен усилвател;

- грешка от синфазния сигнал;

- грешката от несиметриите.

Монолитните измервателни операционни усилватели са много скъпи поради по- сложния технологичен процес, който се използва за постигане на необходимите параметри. В случаите, когато трябва да се усилват слаби сигнали, придружени с голям синфазен сигнал, с успех се използват измервателни усилватели с три и пет операционни усилватели. Основен източник на синфазен сигнал са индуктираните в сигналния кабел напрежения от магнитни и електрически силови полета. В промишлени условия датчикът на сигнал може да бъде отдалечен на десетки метри от входния усилвател. Тогава синфазният сигнал може да се окаже стотици и хиляди пъти по – голям от сигнала от датчика.
В инструменталните усилватели коефициентът на усилване се получава от вътрешна верига на ОВ, която е изолирана от входните изводи на схемата. Обикновено във веригата на ОВ се включва външен резистор, който задава коефициентът на усилване.
Най – общо инструменталните усилватели се използват в сензорни устройства, микрофонни предусилватели, медицински уреди и други. Измервателните усилватели са предназначени да усилват слаби сигнали с голяма точност. Към тях се поставят изисквания за много малка грешка от несиметриите и от синфазния сигнал.

Основната схема на измервателен усилвател, се състои от две стъпала. Входното (първото) стъпало е диференциален усилвател със симетричен вход и симетричен изход с два операционни усилвателя ОУ1 и ОУ2, обхванати с последователна ООВ чрез резисторите R1 , R2 и R3 , които са в неинвертиращо включване. За синфазния сигнал те са повторители на напрежение. Ако към двата входа на схемата се приложи едно и също напрежение Uсм, ток I през резистора R2 няма да протече или напрежението върху R2 ще бъде нула. Тогава напреженията върху резисторите R1 и R3 също ще бъдат равни на нула. Следователно за коефициента на усилване на синфазните сигнали на входното стъпало се получава:
АCM= 1.

Тогава за коефициента СМRR на входното стъпало се получава:
СМRRI=АU1/АСM1 = АU1

Следователно СMRR1 е максимален, когато АU1 има максимална стойност. Коефициентът на потискане на синфазните сигнали на цялата схема се определя

като произведение от коефициентите на потискане на синфазни сигнали на първото и второто стъпало:

Второто стъпало е диференциален усилвател с един операционен усилвател ОУ3, който преобразува изхода на първото стъпало от симетричен в несиметричен.

Обикновено схемата се реализира като R1 =R3 и .

При условие, че това отношение на резисторите е спазено и АU1 има максимална стойност, коефициентът СМRR е максимален. За целта при реализация на схемата се използват резистори с малки производстве­ни
толеранси и често се избира АU1 =АU и AU2 =1 (). Пример­ни ИС на инструментални усилватели са: АD627, INА101,INА111 и АD8221.

Тъй като входното и изходното стъпало в схемата са свързани верижно (стъпално), общият коефициент на усилване се получава като произве­дение от коефициентите на усилване на отделните стъпала. За общото усилване се получава:

При необходимост усилването може да се изменя чрез промяна на резис­тора R2, без това да повлияе на симетрията на схемата.

Целият материал: