Перейти к содержанию

Инструментальный усилитель (INA)

Сигнал тензомоста или шунта — несколько милливольт разности на фоне вольт общего напряжения. Обычный ОУ с четырьмя резисторами справляется с этим плохо. Инструментальный усилитель сделан именно для такой задачи: он усиливает разность, почти не реагирует на общую часть и настраивается одним резистором.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Инструментальный усилитель (instrumentation amplifier, INA) — дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением обоих входов, большим подавлением синфазного сигнала и коэффициентом усиления, который задаётся одним резистором. Классическая схема — на трёх ОУ: два неинвертирующих усилителя на входе и дифференциальный усилитель (вычитатель) на выходе (INA128, разд. 7.3). Выходное напряжение (AN-1401, с. 1):

Uвых=G⋅(U+IN−U−IN)+UREF.U_\text{вых} = G \cdot (U_{+IN} - U_{-IN}) + U_{REF}.

Подобрать резистор усиления и оценить погрешность для INA128, INA333, AD620 и других помогает калькулятор инструментального усилителя.

Как устроен

Входные ОУ A1 и A2 усиливают разность входных напряжений в G раз, а синфазное напряжение пропускают без усиления: их выходы находятся на уровне синфазного напряжения ± G · Uдиф / 2 (AN-1401, с. 4). Вычитатель на третьем ОУ с подогнанными резисторами убирает общую часть и переносит результат на уровень вывода REF. Усиление монолитных INA:

G=1+KRG,G = 1 + \frac{K}{R_G},

где K — сумма двух внутренних резисторов обратной связи входных ОУ: 50 кОм у INA128, 49,4 кОм у INA129 и AD620, 100 кОм у INA333 (INA128, разд. 8.2.2.1; INA333, разд. 7.2).

Свойства, ради которых его берут

  • КОСС растёт с усилением. У INA128 марок P и U гарантированный минимум — 80 дБ при G = 1, 100 дБ при G = 10 и 120 дБ при G = 100 и 1000 (у PA и UA — 73, 93, 110 и 110 дБ).
  • Высокое входное сопротивление обоих входов — источник, например мост Уитстона, почти не нагружается.
  • Один резистор на усиление от 1 до 10 000 — остальные резисторы на кристалле.

Ограничения

Линейный диапазон определяется не только входами, но и внутренними узлами: выходы A1 и A2 должны оставаться в пределах своего размаха, и при большом усилении или синфазном напряжении у края питания усилитель уходит в насыщение, хотя по формуле всё в порядке (INA128, разд. 8.1.1; INA333, разд. 7.4.2). Допустимую область рисуют на плоскости «синфазное напряжение — выходное напряжение» в виде «ромба» (diamond plot, AN-1401); калькулятор строит её для выбранной микросхемы. Вывод REF подключают к источнику с малым сопротивлением, а для входных токов нужен путь к общему проводу. Погрешности инструментального усилителя принято приводить ко входу. Об обычных ОУ — в статье «Операционный усилитель».

Частые вопросы

Чем инструментальный усилитель лучше дифференциального на одном ОУ?

У дифференциального усилителя на одном ОУ входное сопротивление задают резисторы схемы, и сопротивление источника вносит ошибку; подавление синфазного сигнала зависит от точности подбора четырёх резисторов. У инструментального входы — неинвертирующие входы ОУ с высоким сопротивлением, резисторы вычитателя подогнаны на кристалле, а усиление меняется одним резистором RG, не затрагивая подавление синфазной составляющей.

Почему КОСС растёт с усилением?

Входной каскад усиливает разностный сигнал в G раз, а синфазный пропускает с единичным усилением, и вычитатель потом подавляет синфазную часть уже на фоне большего полезного сигнала. Поэтому у INA128 марок P и U гарантированный КОСС — 80 дБ при G = 1 и 120 дБ при G ≥ 100, у марок PA и UA — 73 и 110 дБ (SBOS051G, разд. 6.5).

Что подключать к выводу REF?

Источник с низким выходным сопротивлением: общий провод или выход повторителя. Выходное напряжение отсчитывается от REF, а сам вывод идёт к резистору вычитателя, и последовательное сопротивление разбалансирует его. TI оценивает, что всего 8 Ом в цепи REF снижают подавление синфазного сигнала INA128 примерно до 80 дБ при G = 1.

Источники

  1. Texas Instruments. INA128, INA129 Precision, Low-Power Instrumentation Amplifiers, SBOS051G — разд. 7.3 — схема на трёх ОУ, усиление от 1 до 10 000 одним внешним резистором, КОСС 93 дБ при G ≥ 100; разд. 8.2.2.1, ур. 1–2 — G = 1 + 50 кОм / RG (INA129 — 49,4 кОм), 50 кОм — сумма двух внутренних резисторов обратной связи; разд. 6.5 — КОСС INA12xP/U не меньше 80, 100, 120, 120 дБ, INA12xPA/UA — 73, 93, 110, 110 дБ при G = 1, 10, 100, 1000; разд. 8.1.1 — линейный диапазон ограничен размахом выходов входных ОУ; разд. 8.2 — сопротивление 8 Ом в цепи REF снижает КОСС примерно до 80 дБ при G = 1
  2. Analog Devices. AN-1401 Instrumentation Amplifier Common-Mode Range: The Diamond Plot, Rev. 0 — с. 1 — Uвых = G · Uдиф + UREF, Uдиф = U+IN − U−IN; с. 4 — выходы предусилителя на уровне синфазного напряжения ± G · Uдиф / 2, ограничения по входу и выходу внутренних узлов
  3. Texas Instruments. INA333 Micro-Power, Zero-Drift, Rail-to-Rail Out Instrumentation Amplifier, SBOS445C — разд. 7.1–7.3 — три ОУ с нулевым дрейфом и лазерно подогнанные резисторы, G = 1 + 100 кОм / RG; разд. 7.4.2 — линейный входной диапазон ограничен размахом выходов A1 и A2

Нашли ошибку?

Смотрите также