23 faktů o přístrojovém zesilovači: Kompletní průvodce!

Úvod do přístrojového zesilovače

Přístrojový zesilovač je konkrétní typ zesilovače, který je odvozen od splnění některých konkrétních účelů. Přístrojový zesilovač poskytuje vyšší zisk, vysoký CMRR (poměr odmítnutí v běžném režimu) a vysoké vstupní impedance. Můžeme tedy říci, že se snaží vlastnit většinu charakteristik ideálního operačního zesilovače.

Přístrojový zesilovač se často nazývá In-Amp nebo InAmp. Tento článek bude podrobně diskutovat o obvodu, designu, vzorcích a rovnicích týkajících se zesilovače instrumentace.

3 zesilovače instrumentace Op-Amp

Typický přístrojový zesilovač se skládá ze 3 běžných operačních zesilovačů. Dva z nich se používají v jedné fázi, zatímco druhá se používá k oddělení fáze. Všechny tři zesilovače fungují jako diferenciální zesilovače a všechny jsou spojeny se zápornou zpětnou vazbou. Protože přístrojové zesilovače se skládají ze 3 zesilovačů, často se jim říká zesilovač tří operačních zesilovačů.

Obvod zesilovače instrumentace

Níže uvedený obrázek představuje typické schéma zapojení přístrojového zesilovače. Pečlivě sledujte obrázek, protože budeme odkazovat na fotografii pro zbytek článku.

Přístrojový zesilovač
Přístrojový zesilovač

Vstupní napětí jsou Vi1 a Vi2.

Odpory jsou R1 (2), R2 (2), R3, R4 (2).

Napětí na svorkách A a B jsou VA, respektive VB.

Proud přes větev R4, R3 a R4 je I.

Výstup zesilovače -1 je Vo1 a výstup zesilovače -2 je Vo2.

Výstup 3rd zesilovač je Vout.

Návrh zesilovače instrumentace

Přístrojový zesilovač je kombinací 3 typických zesilovačů. Jsou připojeny v určitém pořadí k vytvoření přístrojového zesilovače. Můžeme rozdělit design přístrojového zesilovače na dvoudílný.

První část je „Dva vstupy a dva výstupy“. Jsou připojeny dva standardní operační zesilovače, jak je znázorněno na obrázku obvodu zesilovače. Oba mají negativní zpětnou vazbu, protože více stabilizuje obvod. Výstup obou zesilovačů je spojen se třemi odpory.

Druhá část je základní „Diferenciální zesilovač“. Výstup obou předchozích zesilovačů funguje jako vstup pro poslední zesilovač. Výstupy jsou spojeny se dvěma identickými rezistory se zesilovačem. Kladná část je uzemněna a negativní zpětná vazba je spojena se zápornou svorkou a o / p tohoto operačního zesilovače je konečným výstupem zesilovače nástroje.

Odvození instrumentálního zesilovače

Odvozme funkční rovnice a vzorce pro přístrojový zesilovač. Abychom odvodili rovnice, dejte nám vědět, co se děje uvnitř celého přístrojového zesilovače. Jak jsme již zmínili, rozdělení dvou fází tak, budeme to počítat částečně.

V první fázi je vstup poskytován na neinvertující svorky obou zesilovačů. Zesilovač je diferenciální zesilovač. Zjistí tedy rozdíl mezi danými vstupními napětími. Nyní se podívejte na schéma zapojení; vstupní napětí jsou Vi1 a Vi2. Invertující svorka obvodu je spojena se zápornou zpětnou vazbou z výstupu zesilovačů. Řekněme, že invertující svorky obou zesilovačů mají potenciály VA, respektive VB. Objevují se v uzlu spojeném s odporovými liniemi a větví.

Pokud vezmeme v úvahu virtuální zkratové práce, svorky A a B dostávají stejné množství napětí jako vstupy. Můžeme tedy říci, VA = Vi1, VB = Vi2. Celá scéna funguje jako diferenciální zesilovač. To znamená, že rozdíl mezi dvěma vstupními napětími bude zesílen na výstupu. Výstupem budou opět rozdíly mezi napětím obou výstupů. To lze vyjádřit následovně:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Zde k je zisk zesilovače.

Ve druhé fázi se rozdíl zesilovačů přivádí jako vstup pro zesilovač. Zesilovač v této fázi jednoduše funguje jako typický zesilovač. Odpory spojené s informacemi mají stejné hodnoty jako požadavek diferenciálních zesilovačů. Invertující terminál je spojen se zemí a zesilovač má virtuální uzemnění. V další části odvodíme matematické výpočty pro přístrojový zesilovač.

Rovnice zesilovače nástroje

Vstupní napětí jsou Vi1 a Vi2.

Pokud virtuální zkrat funguje, pak VA = Vi1 a VB = Vi2

Nyní neexistuje žádný proudový tok z A a B do odporové větve. Větví prochází pouze typický proud, a to je proud I. 'I' se udává jako:

I = (Vi1 - Vi2) / R3.

Aktuální „I“ lze také vypočítat pomocí analýzy uzlů. Přijde to následovně.

I = (Vo1 - Vo2) / (R4 + R3 + R4)

Nebo (Vo1 - Vo2) = (Vi1 - Vi2) * (R3 + 2R4) / R3

Výše uvedená rovnice vysvětluje fungování prvního stupně. Pro druhý stupeň je výstup operačního zesilovače konečným výstupem přístrojového zesilovače.

Z provozu rozdílového zesilovače můžeme napsat, že

Vout = (R2 / R1) x (Vo2 - Vo1)

Nebo Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Toto je rovnice zesilovače přístrojů nebo výstupní rovnice zesilovače přístrojů. Nyní se podívejte na část odvození tohoto článku. Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2). Získaná rovnice je ve stejném formátu.

Zisk zesilovače instrumentace

Zisk zesilovače se označuje jako faktor, kterým zesilovač zesiluje vstupní signál. Hodnoty odporu představují zisk přístrojového zesilovače. Zisk také závisí na typu použité zpětné vazby. Pozitivní zpětná vazba poskytuje vyšší zisk, zatímco negativní zpětná vazba poskytuje lepší stabilitu systému.

Obecná rovnice zesilovače je Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2), představující zisk jako: „k“.

Zisk zesilovače instrumentace

Jak již bylo zmíněno dříve, zisk zesilovače lze odvodit z výstupní rovnice zesilovače. Výstupní rovnice je následující:

Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Porovnáním této rovnice s následující rovnicí:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Můžeme psát,

k = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) / R3, toto je vzorec zesílení přístrojového zesilovače.

Integrovaný zesilovač instrumentace

Typické zesilovače jsou baleny prostřednictvím integrovaných obvodů nebo integrovaných obvodů. Pokud tedy chceme postavit instrumentální zesilovač pomocí běžných operačních zesilovačů, musíme použít integrované obvody operačního zesilovače. K dispozici je také samostatný integrovaný obvod pro přístrojové zesilovače. Není třeba propojovat jeden operační zesilovač s druhým. Tyto typy integrovaných obvodů se používají komerčně tam, kde se současně používá větší počet integrovaných obvodů.

Modul zesilovače instrumentace

Moduly zesilovačů přístrojů jsou kombinací několika elektronických zařízení a hlavním z nich jsou zesilovače přístrojů. Dva z vynikajících přístrojových zesilovačů jsou AD623, AD620.

Moduly se používají výslovně ve zdravotnických zařízeních s nízkým výkonem, zesilovačem signálu s nízkým výkonem, termočlánky. Některé z charakteristik jsou - a) Poskytují vyšší zisk, b) Lepší stabilitu, c) Nízký výkon d) Vysoká přesnost.

Seznam IC instrumentálního zesilovače

Protože přístrojový zesilovač lze sestavit pomocí různých integrovaných obvodů, vytvořili jsme seznam všech integrovaných obvodů, které lze použít pro instrumentální zesilovače. Čísla IC jsou uvedena v seznamu.

Název ICSpecifikace ICKomentáře
Přístrojový zesilovačINA128Jednočipový.
Zesilovač se dvěma přístrojiINA212816kolíkový IC
Typický operační zesilovačLM324IC měl čtyři zesilovače.
Přístrojový zesilovačAD623Osmpinový IC s jediným přístrojovým zesilovačem
Přesný přístrojový zesilovačAD62416kolíkový IC  
Operační zesilovačIC741Čtyřkolíkový IC a funguje jako jedna jednotka operačního zesilovače.

Zátěžový článek přístrojového zesilovače

Výkon přístrojového zesilovače se po připojení zátěžového článku postupně zvyšuje. Zesilovač poskytuje vyšší CMRR, vyšší vstupní impedance a tím zlepšuje výkon. Podrobné připojení pro přístrojový zesilovač se siloměrem je zobrazeno na následujícím obrázku.

Ofsetové napětí přístrojového zesilovače

Každý operační zesilovač má své offsetové napětí. Ofsetové napětí je definováno jako nutně nutné napětí, které musí být aplikováno mezi dva vstupy, aby se zrušil rozdíl mezi nimi, a tato hodnota offsetu každého operačního zesilovače je uvedena v datovém listu poskytnutém výrobcem. U přístrojových zesilovačů je offsetové napětí výrazně menší, což je žádoucí.

Výstupní křivka výstupního zesilovače

Abychom mohli sledovat výstup přístrojového zesilovače, musíme jej propojit s CRO (Cathode Ray Oscilloscope). Poskytujeme vstup jako sinusové vlny jako dva vstupní signály a práce se měří od posledního zesilovače. Koaxiální sondy jsou spojeny s kolíky, aby sledovaly výstupní vlnovou křivku. Následující obrázek znázorňuje výstup. Výstupem je zesílený rozdíl mezi použitým vstupním napětím.

Přístrojový zesilovač a analogový násobič průběhů Kanál 1 Výstup INA Kanál
Výstupní křivka

Funkce přenosu zesilovače instrumentace

Přenosová funkce systému se týká procesu, který popisuje nebo poskytuje výstup pro každý vstup. Protože zesilovač přijímá dva vstupy a zesiluje je, přenosová funkce bude odrážet to samé. Funkci přenosu lze zapsat jako:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Zde Vi1 a Vi2 jsou dva vstupy a k je zisk.

Zesilovač se dvěma přístroji

Duální přístrojový zesilovač je speciální druh přístrojového zesilovače s velkou přesností. Je navržen určitým způsobem, aby poskytoval vysoký zisk a větší přesnost z minimální velikosti IC. Má také nízké offsetové napětí. Pro širší šířku pásma a připojený externí rezistor může duální zesilovač poskytnout zisk až 10,000 XNUMX.

INA2128 IC se používá jako duální instrumentální zesilovač. Některé z významných aplikací duálního přístrojového zesilovače jsou senzorové zesilovače, lékařské inženýrská zařízenía zařízení na baterie.

Přístrojový zesilovač vs. operační zesilovač

Referenční bodyOperační zesilovačPřístrojový zesilovač
Základní strukturaVytváření tranzistorů s bipolárním spojem nebo tranzistorů s efektem pole s oxidem kovu.Nahromadění tří diferenciálních zesilovačů
ZískatNormální ziskVyšší zisk
Připojení vyrovnávací pamětiK vytvoření obvodu vyrovnávací paměti lze použít operační zesilovač.Vyrovnávací obvod je součástí celého obvodu.
Specifikace ICIC741AD623

Výhody a nevýhody zesilovače instrumentace

Přístrojové zesilovače byly vyvinuty, aby získaly více výhod oproti typickým diferenciálním zesilovačům. Proto se přístrojové zesilovače používají ve většině komerčních aplikací. Má však také některé výhody. Pojďme diskutovat o některých výhodách a nevýhodách zesilovačů přístrojů.

Výhody

1. Přesnost a přesnost v a) Měření dodržování pokynů: Přístrojové zesilovače se používají pro účely testování a měření. Přístrojové zesilovače nemusí odpovídat vstupní impedanci. Proto jsou tak užitečné pro testování. Lepší parametrické hodnoty jako vyšší CMRR, vysoká vstupní impedance také získají výhody.

2. Zisk: Přístrojové zesilovače poskytují vyšší hodnoty pro zisk v otevřené smyčce. Jedná se o jasnější výhodu, která je rovněž základním požadavkem pro zesilovače.

3. Stabilita systému: Uvnitř přístrojových zesilovačů jsou všechny normální operační zesilovače připojeny v záporné zpětné vazbě. Jak víme, negativní zpětná vazba stabilizuje systém; stabilita zesilovače instrumentace je také vysoká.

4. Škálovatelnost: Přístrojové zesilovače jsou neuvěřitelně škálovatelné. Poskytuje možnost škálovat signál na vstupní úrovni. Proto je celkové zesílení mnohem větší než u jiných zesilovačů. Z tohoto důvodu je rozsah škálování také vysoký.

5. Přístupnost: Přístrojové zesilovače se dodávají v integrovaných obvodech. K dispozici jsou osmikolíkové integrované obvody. Je tedy snazší manipulovat a používat. Během amplifikace také není třeba brát mnoho faktorů. Uživatel musí dobře znát vstupní signál. Najdeme nevýhody přístrojových zesilovačů.

Nevýhody

1. Přístrojový zesilovač trpí problémem dálkového přenosu. Zesilovač má tendenci mísit původní signály se zvuky, pokud je vstupní signál odesílán pro rozšířený rozsah komunikace. Problém lze vyřešit, pokud lze typ kabelu improvizovat tak, aby byl šum v primárním stupni zrušen nebo do přenosového vedení nepronikl žádný hluk.

Charakteristiky zesilovače instrumentace

Podívejme se na vlastnosti přístrojových zesilovačů na první pohled.

  • Instrumentační zesilovače jsou diferenciální zesilovače složené ze tří operačních zesilovačů.
  • Poskytuje vyšší zisk otevřené smyčky než typické operační zesilovače.
  • Má vyšší CMRR, vyšší vstupní impedanci, nízké offsetové napětí, nižší výstupní impedance, takže se blíží ideálnímu operačnímu zesilovači.
  • Přístrojové zesilovače poskytují vyšší přesnost a přesnost při použití při testování a měření.
  • Přístrojové zesilovače jsou k dispozici v integrovaných obvodech pro komerční účely.

2 operační zesilovač

Typické přístrojové zesilovače se skládají ze 3 zesilovačů, ale je také možné vyrobit přístrojový zesilovač pomocí dvou operačních zesilovačů. Níže uvedený obrázek znázorňuje a 2 op amp Obvod přístrojového zesilovače založený na přístroji.

Anotace 2021 04 11 135148
Dva operační zesilovací obvody zesilovače

analýza šumu přístrojového zesilovače

K dispozici jsou určité typy přístrojových zesilovačů pro měření nejslabšího signálu v hlučném prostředí. Jsou známy jako hlukové přístrojové zesilovače. Tyto typy přístrojových zesilovačů se používají pro analýzu šumu.

Přístrojový zesilovač pro snímání proudu

Na trhu pro snímání proudu jsou k dispozici samostatné zesilovače snímání proudu. Ale přístrojový zesilovač může také pracovat se snímáním proudu. Primární rozdíl mezi těmito dvěma zesilovači je ve vstupní topologii.

Často kladené otázky

1. Proč používat přístrojový zesilovač?

Odpověď: Přístrojové zesilovače poskytují vyšší zisk, vyšší CMRR, vyšší vstupní impedance, nižší výstupní impedance. Můžeme tedy pozorovat, že má velmi blízké vlastnosti ideálního operačního zesilovače. Proto se používá přístrojový zesilovač.

2. Kdy použít přístrojový zesilovač?

Odpověď: Instrumentační zesilovače jsou vyžadovány pokaždé, když uživatel vyžaduje vyšší zesílení s lepší stabilitou systému pro zesílení signálu. Pokud uživatel potřeboval velmi přesné výsledky testování a měření, přichází jako řešení přístrojový zesilovač.

3. Co je přístrojový zesilovač pro siloměr?

Odpověď: Výkon přístrojového zesilovače se po připojení zátěžového článku postupně zvyšuje. Zesilovač poskytuje vyšší CMRR, vyšší vstupní impedance a tím zlepšuje výkon. Podrobné připojení pro přístrojový zesilovač se siloměrem je zobrazeno na následujícím obrázku. (Bod k poznámce - Připojte celou zem.

4. Co je to schéma zapojení přístrojového zesilovače pro biosignál se ziskem tisíce?

Odpověď: Standardní připojení přístrojového zesilovače poskytuje specifický zisk. Ale přidání externího rezistoru vám dá podporu tisíc.

5. Jaký je pracovní princip přístrojového zesilovače?

Odpověď: Pracovní princip přístrojového zesilovače je stejný jako princip diferenciálního zesilovače. Vezme vstupní napětí a zesílí rozdíl, aby tento zesílený rozdíl poskytl jako výstup.

V podstatě: Výstup = zisk * (Vstup1 - Vstup2)

6. Jaké jsou výhody použití přístrojového zesilovače oproti běžnému diferenciálnímu zesilovači při měření nízkých signálů a napětí?

Odpověď: Výhody jsou -

  • Přesnost a preciznost v a) Měření dodržování pokynů: Přístrojové zesilovače se používají pro účely testování a měření. Přístrojové zesilovače nemusí odpovídat vstupní impedanci. Proto jsou tak užitečné pro testování. Lepší parametrické hodnoty jako vyšší CMRR, vysoká vstupní impedance také získají výhody.
  • Zisk: Přístrojové zesilovače poskytují vyšší hodnoty pro růst otevřené smyčky. Jedná se o jasnější výhodu, která je rovněž základním požadavkem pro zesilovače.
  • Stabilita systému: Uvnitř přístrojových zesilovačů jsou všechny normální operační zesilovače připojeny v záporné zpětné vazbě. Jak víme, negativní zpětná vazba stabilizuje systém; stabilita zesilovače instrumentace je také vysoká.
  • Škálovatelnost: Přístrojové zesilovače jsou neuvěřitelně škálovatelné. Poskytuje možnost škálovat signál na vstupní úrovni. Proto je celkové zesílení mnohem větší než u jiných zesilovačů. Z tohoto důvodu je rozsah pro změnu měřítka vysoký.
  • Přístupnost: Přístrojové zesilovače přicházejí v integrovaných obvodech. K dispozici jsou osmikolíkové integrované obvody. Je tedy snazší manipulovat a používat. Během zesílení také není mnoho faktorů, které je třeba zvládnout. Uživatel musí dobře znát vstupní signál.

7. Proč je CMRR důležitý v přístrojovém zesilovači?

Odpověď: CMRR je základní parametr pro měření výkonu operačního zesilovače. CMRR odhaduje, jaké množství signálu v běžném režimu se objeví ve výstupním měření. Instrukční zesilovač, který je operačním zesilovačem výslovně používaným pro účely měření a testování, by měl mít nejnižší CMRR. Je to základní potřeba operačního zesilovače; jinak to ovlivní měření.

8. Jaký je rozdíl mezi přístrojovým zesilovačem a invertující sčítačkou pomocí dvou operačních zesilovačů?

Odpověď: Rozdíl bude ve fungování a také v parametrických hodnotách. Vstupy pro přístrojový zesilovač nejsou nikdy dodávány do invertujících svorek. Budou tedy změny. Také přístrojové zesilovače mají vyrovnávací obvody a jejich zpětné vazby jsou negativní zpětné vazby, které zvyšují stabilitu systému. Existují tedy obrovské odchylky od skutečných výsledků.

9. Jaký je účel vyrovnávací paměti v přístrojovém zesilovači?

Odpověď: Vyrovnávací paměť uvnitř přístrojového zesilovače je užitečná v mnoha ohledech. Vyrovnávací paměť zvyšuje vstupní impedanci, což je velmi nutné. Rovněž eliminuje rozdíl mezi dvěma vstupními napětími; hodnota offsetového napětí se tak sníží. Ovlivňuje také CMRR.

10. Jaká jsou dobrá pravidla pro sestavování přístrojových zesilovačů?

Odpověď: Neexistují žádná tak tvrdá a rychlá pravidla pro navrhování nebo budování přístrojových zesilovačů. Existují však některé osvědčené postupy. Některé z nich jsou: a) návrh obvodu symetricky, b) implementace zisku v první fázi, c) posouzení faktorů CMRR, vlivů termočlánků a hodnot odporu, d) návrh druhé fáze.

11. Jak odstranit offsetové napětí v přístrojovém zesilovači?

Odpověď: Ofsetové napětí libovolného zesilovače je odstranitelné napájením nastavitelného proudu ze zdroje napětí. Mezi proud a operační zesilovač by měl být umístěn vysoce ceněný rezistor.

Další článek týkající se elektroniky klikněte zde