Усилители — это электронные цепи, которые увеличивают силу сигнала для более эффективной обработки, измерения или передачи. В аналоговых системах сигналы от датчиков, аудиоисточников или управляющих схем часто слишком слабы для прямого использования, поэтому усилители используются для повышения напряжения, улучшения качества сигнала и подготовки сигнала к следующему этапу. Операционные усилители, дифференциальные усилители и инструментальные усилители обрабатывают сигналы по-разному и применяются в разных ситуациях. В этой статье рассматриваются три типа усилителей, объясняется, как они работают, чем отличаются и как выбрать подходящий для реальных применений.
Что такое операционный усилитель?
Операционный усилитель, или операционный усилитель, — это электронный усилитель, который увеличивает разницу между двумя входными напряжениями и создаёт одно выходное напряжение. Он имеет два входных терминала: неинвертирующий вход (+) и инвертирующий вход (−). Выход меняется в зависимости от разницы напряжений между этими двумя входами.
В практических схемах операционный усилитель обычно используется с внешними компонентами обратной связи, такими как резисторы и конденсаторы. Эти компоненты контролируют усиление, стабильность, пропускную способность и общее поведение схемы. Основная идея операционного усилителя может быть выражена следующим образом:
Vout = Aol(V+ − V−)
где Vout — выходное напряжение, Aol — усиление в замкнутом контуре, V+ — неинвертирующее входное напряжение, а V− — инвертирующее входное напряжение. В реальных приложениях очень высокий коэффициент усиления в замкнутом контуре обычно контролируется отрицательной обратной связью, чтобы схема могла выдавать стабильный и предсказуемый выход.
Что такое дифференциальный усилитель?
Дифференциальный усилитель увеличивает разницу между двумя входными напряжениями и уменьшает сигналы, которые одинаково отображаются на обоих входах. Эти равные сигналы называются сигналами общего режима. По этой причине дифференциальный усилитель полезен, когда важным сигналом является разница напряжений между двумя точками, а не только один сигнал, измеренный по земле.
Базовый дифференциальный усилитель имеет два входа, часто называемые V1 и V2, и один выход. Выход меняется в зависимости от разницы между двумя входами. Если оба входа поднимаются или опускаются вместе из-за шума или помех, усилитель пытается отвергнуть этот общий сигнал и лишь усилить полезную разницу.
Основная идея может быть выражена следующим образом:
Vout = Ad(V2 − V1)
где Vout — выходное напряжение, Ad — дифференциальное усиление, а V2 − V1 — разница напряжений между двумя входными сигналами.
Что такое инструментальный усилитель?
Инструментальный усилитель — это прецизионный усилитель, предназначенный для усиления очень малых дифференциальных сигналов, одновременно отражая шум или нежелательные сигналы, которые одинаково появляются на обоих входах. Он часто используется, когда сигнал поступает от датчиков, поскольку многие датчики создают слабые изменения напряжения, которые требуют точного усиления перед обработкой.
Инструментальный усилитель имеет два входных вывода и обычно один выходной вывод. Как и дифференциальный усилитель, он усиливает разницу между двумя входными напряжениями. Однако он обеспечивает более высокое входное сопротивление, лучшее отклонение в общем режиме и более стабильное усиление по сравнению с базовым дифференциальным усилителем. Это помогает предотвратить нагрузку датчиков и повышает точность измерений.
Основная идея может быть выражена следующим образом:
Vout = G(V2 − V1)
где Vout — выходное напряжение, G — усиление усилителя, а V2 − V1 — дифференциальное входное напряжение.
Операционный усилитель против дифференциального усилителя против инструментального усилителя
| Точка сравнения | Операционный усилитель | Дифференциальный усилитель | Инструментальный усилитель |
|---|---|---|---|
| Тип входа | Может использоваться с односторонним или дифференциальным входом в зависимости от конструкции схемы | Использует два входных сигнала и реагирует на их разницу | Использует два входных сигнала и реагирует на их разницу |
| Тип вывода | Обычно это односторонний выход | Обычно выход с одним концом, но существуют и полностью дифференциальные версии | Обычно это одноконечный выход, в зависимости от конструкции ИС |
| Базовое уравнение | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Контроль усиления | Усиление обычно задаётся внешними резисторами обратной связи | Усиление задаётся коэффициентами резисторов | Усиление часто задаётся одним резистором для настройки усиления |
| Входное сопротивление | Обычно высокий, в зависимости от типа операционного усилителя и конфигурации | Средние или высокие, но базовые конструкции резисторов могут загружать источник | Очень высокая, что делает его подходящим для датчиков |
| Уровень точности | От общего назначения до точности, в зависимости от используемого операционного усилителя | Средняя или хорошая точность | Высокая точность |
| Ошибка смещения | Зависит от выбранного операционного усилителя | На это влияет смещение операционного усилителя и несоответствие резисторов | Обычно низкий смещение и низкий дрейф в прецизионных моделях |
| Пропускная способность | Широкий диапазон, в зависимости от операционного усилителя | Зависит от операционного усилителя, усиления и резисторной сети | Часто ниже, чем у обычных операционных усилителей при высоком усилении |
| Сложность схемы | От простого до среднего | Умеренный | Средний или высокий, но просто при использовании интегрированной ИС |
| Внешние компоненты | Резисторы обратной связи и другие детали в зависимости от конфигурации | Требуется точно согласованные резисторы | Часто требуется только резистор для настройки усиления и несколько опорных деталей |
| Чувствительность к согласованию резисторов | Важна роль в схемах с установкой усиления | Очень важно для точности усиления и CMRR | Проще для пользователей при использовании интегрированных согласованных резисторных ИС |
| Лучшее использование | Общая усиление, фильтрация, буферизация и обработка аналоговых сигналов | Измерение разницы напряжений между двумя точками | Точное измерение сигнала с помощью датчиков |
| Главное преимущество | Очень гибко и широко доступно | Отклоняет распространённые сигналы и измеряет разницы напряжений | Высокая точность, высокий входной импеданс и сильное отклонение в общем режиме |
| Главное ограничение | Не всегда идеально подходит для маленьких сигналов датчиков без дополнительной заботы о проектировании | Точность зависит от согласования резистора и входного сопротивления | Более специализированные и могут стоить дороже, чем обычные операционные схемы |
Ключевые факторы производительности усилителя, которые стоит учитывать
Настройка усиления и точность усиления
Настройка усиления объясняет, как управляется выходное усиление усилителя, а точность усиления — насколько фактическое усиление близко к ожидаемому значению.
• В схеме операционного усилителя усиление обычно задаётся внешними резисторами обратной связи. Например, неинвертирующий операционный усилитель использует отношение резисторов вокруг обратной связи для настройки усиления. Это делает операционные усилители очень гибкими, поскольку одно и то же устройство может использоваться для буферизации, низкого и высокого гейна, фильтрации или кондиционирования сигнала.
• В дифференциальном усилителе усиление также зависит от соотношения резисторов, но согласование резисторов становится более критичным. Если коэффициенты резисторов не совпадают, усилитель может вызвать ошибку усиления и слабое отклонение в общем режиме. Для прецизионных дифференциальных схем конструкторы часто используют резисторы с узкими допусками, такие как детали 0,1% или 0,01%, вместо стандартных резисторов 1%.
• В инструментальном усилителе усиление часто задаётся одним внешним резистором или внутренней сетью усиления, что облегчает достижение стабильного усиления в сенсорных и измерительных схемах. Analog Devices отмечает, что операционные усилители настраиваются через несколько внешних компонентов, тогда как инструментальные усилители обычно настраиваются на усиление через один резистор или выбираемые отводы усиления.
Отторжение в общем режиме и шумоподавление
Отклонение в общем режиме описывает, насколько хорошо усилитель отражает сигналы, появляющиеся на обоих входах одновременно. Это важно, потому что реальные цепи часто улавливают общий шум от линий электропередач, моторов, коммутационных источников питания, длинных проводов датчиков или близлежащих цифровых цепей. Если у усилителя плохое отключение общего режима, часть нежелательного шума может появиться на выходе и снизить точность сигнала.
• Операционные усилители могут отражать сигналы общего режима, но их реальная производительность зависит от конфигурации схемы и конструкции обратной связи.
• Дифференциальный усилитель специально предназначен для усиления разницы между двумя входами, но его CMRR сильно зависит от сопоставления резисторов. Если резисторная сеть не сбалансирована, подавление шума в общем режиме ослабевает.
• Инструментальные усилители обычно обеспечивают самое сильное отклонение в общем режиме, поскольку они предназначены для малых дифференциальных сигналов в шумных условиях. Во многих приложениях с точными датчиками усилители могут иметь значения CMRR от 80 дБ до более 120 дБ, в зависимости от усиления и типа устройства.
Именно поэтому их часто предпочитают для мостовых датчиков, термопар и медицинских или промышленных измерительных сигналов. Analog Devices описывает инструментальные усилители как блоки усиления с дифференциальными входами, часто используемые там, где требуется высокое входное сопротивление и отклонение в общем режиме.
Входное сопротивление и нагрузка на источник
Входное сопротивление показывает, насколько усилитель влияет на источник сигнала. Высокий входной импеданс означает, что усилитель получает очень мало тока от источника, поэтому исходный сигнал сохраняется лучше. Низкий входной импеданс может загрузить источник, снизить измеренное напряжение и создать ошибку сигнала ещё до начала усиления.
• Операционные усилители обычно обладают высоким входным сопротивлением, особенно CMOS и JFET-входы. Это делает их полезными для буферизации напряжения и общего обусловления сигналов.
• Дифференциальные усилители могут иметь более низкое эффективное входное сопротивление, поскольку входной сигнал часто проходит через резисторные сети. Это может возникнуть, если сигнал источника слаб или поступает от датчика высокого сопротивления.
• Инструментальные усилители обычно обеспечивают очень высокое и сбалансированное входное сопротивление на обоих входах, что помогает предотвратить нагрузку датчиков.
Точность смещения, дрейфа и измерений
Смещение напряжения — это небольшая нежелательная ошибка напряжения, которая появляется на входе усилителя. Даже когда два входных сигнала равны, реальный усилитель может всё равно создавать небольшую ошибку выхода из-за внутреннего дисбаланса. Эта ошибка становится более серьёзной при измерении очень малых сигналов, таких как выходы датчиков на уровне микровольта или милливольт.
Дрейф означает, что смещение или усиление меняется по мере изменения температуры со временем. Это важно в промышленных, автомобильных и точных измерительных схемах, потому что усилитель может не поддерживать одну фиксированную температуру. Общие операционные усилители могут быть приемлемы для базовой кондиционирования сигнала, но точные операционные усилители и инструментальные усилители лучше подходят при очень низком смещении и дрейфе. Например, некоторые операционные усилители с точностью с нулевым дрейфом могут иметь смещение напряжения в диапазоне субмикровольт и смещение смещения до 0,005 мкВ/°C, в зависимости от устройства. Семейство усилителей OPAx189 от TI — один из примеров, где для измерения точного сигнала указаны очень низкие значения смещения и дрейфа.
Полоса пропускания, скорость нарастания и отклик сигнала
Полоса пропускания показывает диапазон частот, которые усилитель может обрабатывать без значительных потерь сигнала. Скорость увеличения показывает, насколько быстро может изменяться выходное напряжение, обычно измеряемое в В/мкс. Эти два фактора определяют, сможет ли усилитель точно следовать за быстро меняющимися входными сигналами. Если полоса пропускания слишком мала, высокочастотные сигналы становятся слабее. Если скорость увеличения слишком низкая, выход может выглядеть искажённым при быстрой смене сигнала.
Для операционных усилителей полоса пропускания часто связана с произведением усиления и пропускной способности. Это означает, что по мере увеличения коэффициента усиления замкнутого контура полезная пропускная способность обычно уменьшается. Например, если операционный усилитель с обратной связью напряжения имеет произведение полосы усиления 10 МГц, он может обеспечивать около 10 МГц при коэффициенте усиления 1, но только около 1 МГц при коэффициенте усиления 10, в упрощённом случае. Произведение коэффициента усиления и пропускающей способности замкнутого контура является ключевым показателем для многих операционных усилителей с обратной связью напряжения.
Дифференциальные и инструментальные усилители также имеют ограничения по полосе пропускания, особенно при большем усилении. Инструментальные усилители часто оптимизированы для точности и подавления шума, а не для очень высокой скорости, поэтому их полоса пропускания может уменьшаться по мере увеличения усиления. Для быстрых сигналов стоит проверить и пропускную способность, и скорость увеличения в datasheet. Полная полоса пропускания обычно должна быть в несколько раз выше максимальной выходной частоты, чтобы избежать искажений в конструкциях высокоскоростных усилителей
Реальные применения каждого типа усилителя
Применение операционных усилителей
Операционные усилители широко применяются, когда схеме требуется гибкое управление сигналом. Они могут усиливать сигналы слабого напряжения, буферизировать один каскад цепи от другого, фильтровать нежелательные частоты или корректировать сигнал до его передачи на АЦП, микроконтроллер или другую аналоговую схему. Поскольку усиление и функция задаются внешними компонентами обратной связи, один операционный усилитель может поддерживать множество различных функций схемы.
Распространённый пример — LM358. Это двухоперационный усилитель, часто используемый в аналоговых схемах, чувствительных к стоимости. Texas Instruments позиционирует LM358 как двойной рабочий усилитель с частотой 30 В и 700 кГц, что делает его подходящим для общего кондиционирования сигнала, низкочастотного усиления, интерфейсных схем датчиков и базовых аналоговых систем управления. Например, LM358 может усиливать небольшое напряжение датчика до его считывания микроконтроллером, либо служить буфером напряжения, чтобы следующий каскад не загружал источник сигнала.
Операционные усилители также распространены в активных фильтрах, аудиопредусилителях, вольтовых усилителях, усилителях ошибок в блоках питания и схемах обнаружения сигналов, подобных компараторам. Обычно они являются лучшим выбором, когда схеме нужна гибкость, а не максимальная точность измерений.
Применение дифференциальных усилителей
Дифференциальные усилители используются, когда схема должна измерить разницу между двумя точками напряжения вместо измерения одного напряжения относительно земли. Это делает их полезными для измерения тока, вычитания напряжения, сбалансированного приёма сигналов, обратной связи управления мотором и цепей, где на обеих входных линиях появляется нежелательный шум. Сосредоточившись на разнице напряжений, дифференциальный усилитель может уменьшить общий шум и извлечь полезный сигнал.
Реальный пример интегральной схемы — AD8276 от Analog Devices. AD8276 — это усилитель с разницей коэффициента усиления, разработанный для точной обработки сигналов в маломощных приложениях. Он включает внутренние резисторы с лазерной подрезкой, что помогает повысить точность усиления и отторжение в общем режиме по сравнению с простым дифференциальным усилителем с дискретным резистором. Analog Devices указывает AD8276/AD8277 как универсальные разностные усилители с коэффициентом отключения общего режима 86 дБ и низким дрейфом усиления.
В реальных схемах устройство вроде AD8276 может использоваться для измерения тока, точного измерения напряжения, одноконечного преобразования в дифференциальное и промышленного кондиционирования сигналов. Он полезен, когда конструктору требуется точное вычитание между двумя сигналами, но не требуется полная производительность измерения датчика, как у усилителя приборов.
Применение инструментальных усилителей
Инструментальные усилители используются, когда схема должна точно измерять очень малые дифференциальные сигналы, особенно при наличии шума. Они распространены в сенсорных системах, поскольку обеспечивают высокий входной импеданс, стабильное усиление и сильное отклонение в общем режиме. Это помогает предотвратить нагрузку или искажение слабых сигналов датчиков до усиления.
Распространённый пример — INA333 от Texas Instruments. INA333 — это низкомощный, точный инструментальный усилитель, предназначенный для точного измерения сигнала. TI заявляет, что использует трехоперационный усилитель и может устанавливать усиление одним внешним резистором. Это делает его полезным для портативных и сенсорных приложений, где небольшие сигналы требуют чистого усиления.
Инструментальные усилители часто используются с нагрузочными элементами, тензодатчиками, датчиками моста, термопарами, датчиками давления, биомедицинскими датчиками и системами сбора данных. Например, элемент нагрузки может выдать только небольшой сигнал на уровне милливольта при приложении веса. Инструментальный усилитель, такой как INA333, может усиливать этот небольшой дифференциальный сигнал, одновременно отражая шум, улавленный проводами датчика.
Реальный пример выбора усилителя
| Сценарий использования системы | Тип сигнала | Требование к ключу | Рекомендуемый усилитель | Почему это подходит |
|---|---|---|---|---|
| Аудиоусилитель (от микрофона к динамику) | mV до V (одноконечный) | Гибкое усиление, широкая полоса пропускания | Операционный усилитель (например, TL072, LM358) | Обеспечивает усиление сигнала, фильтрацию и буферизацию с простым дизайном |
| Мониторинг тока мотора | mV (через шунт, дифференциал) | Отторжение шума, иммунитет к ШИМ | Дифференциальный усилитель (например, INA240) | Измеряет разницу напряжений и отвергает шум переключения |
| Медицинская система ЭКГ | μV (очень малый дифференциал) | Высокая точность, высокий CMRR | Инструментальный усилитель (например, AD8232) | Усиливает слабые сигналы сильным шумоподавлением |
| Нагрузочная ячейка / Система взвешивания | mV (датчик моста) | Высокий входной импеданс, стабильное усиление | Инструментальный усилитель (например, INA333) | Предотвращает нагрузку датчиков и обеспечивает точное измерение |
| Контроль обратной связи блока питания | V (одноконечный) | Стабильное усиление, быстрая реакция | Операционный усилитель | Используется как усилитель ошибок для регулирования напряжения |
| Промышленный сенсорный интерфейс | mV до V (дифференциальный или одноконечный) | Точность и обработка шума | Операционный усилитель или инструментальный усилитель | Выбор зависит от силы сигнала и уровня шума |
| Датчик тока батареи | mV (дифференциал на нижней или высокой стороне) | Точность, низкий дрейф | Дифференциальный усилитель | Точно измеряет небольшое падение напряжения через шунтовый резистор |
Заключение
Операционные усилители, дифференциальные усилители и инструментальные усилители отвечают разным потребностям сигнала. Используйте операционный усилитель для гибкого усиления, буферизации, фильтрации и общего обусловления сигнала. Используйте дифференциальный усилитель, когда схеме нужно сравнить две точки напряжения или снизить общий шум. Используйте инструментальный усилитель при измерении очень малых сигналов датчика, требующих высокой точности, высокого входного сопротивления и сильного шумоподавления. Выбор подходящего усилителя зависит от типа сигнала, уровня шума, точности, скорости и требований к цепи.
