3.2 Ип на базе операционных усилителей

3.2.1 Операционный усилитель как элемент ип

Как было показано в п. 2.4, введение отрицательной обратной связи стабилизирует параметры ИП, и, в частности, усилителей. Поэтому логично использовать для создания измерительных усилителей усилители с большим коэффициентом усиления, выпускаемых промышленностью в виде готовых микросхем, называемых операционными усилителями (ОУ). Коэффициент усиления большинства типов ОУ находится в диапазоне от 50000 до сотен тысяч, причем максимален он на постоянном токе. С ростом частоты входного сигнала коэффициент усиления понижается.

Будем рассматривать серийную микросхему ОУ как черный ящик, имеющий входы и выход. Итак, серийный ОУ (рисунок 3.1) имеет два входа (инверсный и прямой входы) для подключения информационных сигналов и один выход. Питание усилителя, как параметрического ИП, осуществляется через два входа; на один из них подается плюс от источника питания постоянного тока (+ Е_ПИТ), на другой вход минус другого источника питания (- Е_ПИТ). Противоположные выходы двух источников питания объединяются и подключаются к общей шине. В приводимых далее в тексте схемах ИП на базе ОУ цепи питания условно не будут показываться: будем считать, что питание подано в соответствии с документацией на ОУ.

Входной сигнал может быть подан на один из двух входов - на инверсный или прямой. Если вход, на который входной сигнал не подается, заземлить, то получится усилитель с одним входом. Подача входного сигнала на инверсный вход (прямой заземлен) приводит к появлению на выходе сигнала обратной полярности относительно входного, т.е. при сигнале положительной полярности на входе выходной сигнал ОУ имеет отрицательную полярность. Подача сигнала на прямой вход вызывает появление на выходе ОУ сигнала той же полярности. В принятой модели ОУ будем считать коэффициент усиления стремящимся к бесконечности.

Из приведенного краткого описания функционирования ОУ становится понятно, что для стабилизации характеристик ИП на его базе, необходимо (см. п. 2.4), в простейшем случае, заземлить прямой вход микросхемы операционного усилителя, а все внешние цепи, включая цепи обратной связи, подключать к инверсному входу и выходу ОУ. Тем самым будет обеспечено функционирование отрицательной обратной связи – основы снижения мультипликативной составляющей основной погрешности, или, другими словами, будет обеспечено постоянство коэффициента усиления ИП.

Рассмотрим общую блок-схему операционного усилителя с элементами входных цепей и цепи обратной связи, приведенной на рисунке 3.2.

На этом рисунке Ui (t) (i = 1, 2, ... , n) — входные напряжения; i_i (t), i_o(t) — токи во входных цепях и цепи обратной связи микросхемы А1 операционного усилителя, R_i — входные со­противления, R₀ — сопротивление цепи обратной связи; входное сопротивление инверсного входа ОУ обозначим Rg. Аргумент t указывает, что сигналы в общем случае изменяются во времени; K —коэффициент усиления усилителя без обратной связи; U_g - напряжение на входе ОУ.

При больших значениях K и Rg и ограниченной величине Uвых(t) напряжение Ug(t) в суммирующей точке очень мало и близко к нулю, поскольку напряжение, поступающее с выхода усилителя на вход по цепи ОС вычитается из входного напряжения. Как следствие, входной ток i_g(t), протекающий через инверсный вход ОУ, очень мал, и его можно практически считать равным нулю, т. е. i_g(t) ≈ 0.

Запишем для суммирующей точки уравнение равенства токов по закону Кирхгофа (сумма втекающих в узел токов равна сумме вытекающих):

. (3.1)