Введение
Электронный усилитель, компонент схемы; усилители для измерительного и электронного испытательного оборудования.
amplifiers for measurement and electronic test equipment
An instrumentation amplifier (sometimes shorthanded as in amp or InAmp) is a type of differential amplifier that has been outfitted with input buffer amplifiers, which eliminate the need for input impedance matching and thus make the amplifier particularly suitable for use in measurement and test equipment. Additional characteristics include very low DC offset, low drift, low noise, very high open loop gain, very high common mode rejection ratio, and very high input impedances. Instrumentation amplifiers are used where great accuracy and stability of the circuit both short and long term are required. Although the instrumentation amplifier is usually shown schematically identical to a standard operational amplifier (op amp), the electronic instrumentation amplifier is almost always internally composed of 3 op amps. These are arranged so that there is one op amp to buffer each input (+, −), and one to produce the desired output with adequate impedance matching for the function. The most commonly used instrumentation amplifier circuit is shown in the figure. The gain of the circuit is
The rightmost amplifier, along with the resistors labelled and is just the standard differential amplifier circuit, with gain and differential input resistance The two amplifiers on the left are the buffers. With removed (open circuited), they are simple unity gain buffers; the circuit will work in that state, with gain simply equal to and high input impedance because of the buffers. The buffer gain could be increased by putting resistors between the buffer inverting inputs and ground to shunt away some of the negative feedback; however, the single resistor between the two inverting inputs is a much more elegant method: it increases the differential mode gain of the buffer pair while leaving the common mode gain equal to 1. This increases the common mode rejection ratio (CMRR) of the circuit and also enables the buffers to handle much larger common mode signals without clipping than would be the case if they were separate and had the same gain. Another benefit of the method is that it boosts the gain using a single resistor rather than a pair, thus avoiding a resistor matching problem and very conveniently allowing the gain of the circuit to be changed by changing the value of a single resistor. A set of switch selectable resistors or even a potentiometer can be used for , providing easy changes to the gain of the circuit, without the complexity of having to switch matched pairs of resistors. The ideal common mode gain of an instrumentation amplifier is zero. In the circuit shown, common mode gain is caused by mismatch in the resistor ratios and by the mismatch in common mode gains of the two input op amps. Obtaining very closely matched resistors is a significant difficulty in fabricating these circuits, as is optimizing the common mode performance. An instrumentation amplifier can also be built with two op amps to save on cost, but the gain must be higher than two (+6 dB). Instrumentation amplifiers can be built with individual op amps and precision resistors, but are also available in integrated circuit from several manufacturers (including Texas Instruments, Analog Devices, and Renesas Electronics). An IC instrumentation amplifier typically contains closely matched laser trimmed resistors, and therefore offers excellent common mode rejection. Examples include INA128, AD8221, LT1167 and MAX4194. Instrumentation amplifiers can also be designed using "indirect current feedback architecture", which extend the operating range of these amplifiers to the negative power supply rail, and in some cases the positive power supply rail. This can be particularly useful in single supply systems, where the negative power rail is simply the circuit ground (GND). Examples of parts utilizing this architecture are MAX4208/MAX4209 and AD8129/AD8130.
Усилитель приборов (иногда сокращенно как InAmp) — это тип дифференциального усилителя, оснащенный входными буферными усилителями, что устраняет необходимость в согласовании входного импеданса и делает усилитель особенно подходящим для использования в измерительном и испытательном оборудовании. Дополнительные характеристики включают очень низкий постоянный ток смещения, низкий дрейф, низкий уровень шума, очень высокий коэффициент усиления в разомкнутом контуре, очень высокое подавление синфазного сигнала и очень высокие входные импедансы. Усилители приборов используются там, где требуется высокая точность и стабильность схемы как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе. Хотя схема усилителя приборов обычно идентична схеме стандартного операционного усилителя (ОУ), электронный усилитель приборов почти всегда внутренне состоит из 3 ОУ. Они расположены таким образом, что один ОУ буферизирует каждый вход (+, −), а один формирует желаемый выход с адекватным согласованием импеданса для данной функции. Наиболее часто используемая схема усилителя приборов показана на рисунке. Усилитель справа, вместе с резисторами, обозначенными как и , представляет собой стандартную дифференциальную схему усилителя с коэффициентом усиления и дифференциальным входным сопротивлением. Два усилителя слева — это буферы. При отключенном (разомкнутой цепи) они являются простыми буферами с коэффициентом усиления, равным единице; схема будет работать в этом состоянии, с коэффициентом усиления, просто равным и высоким входным импедансом благодаря буферам. Коэффициент усиления буфера можно увеличить, установив резисторы между инвертирующими входами буфера и землей, чтобы отвести часть отрицательной обратной связи; однако одиночный резистор между двумя инвертирующими входами является более элегантным решением: он увеличивает дифференциальный коэффициент усиления пары буферов, оставляя коэффициент усиления синфазного сигнала равным 1. Это увеличивает коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) схемы и позволяет буферам обрабатывать гораздо большие синфазные сигналы без искажений, чем если бы они были разделены и имели тот же коэффициент усиления. Еще одним преимуществом этого метода является то, что он увеличивает коэффициент усиления, используя один резистор вместо пары, что позволяет избежать проблем с согласованием резисторов и удобно изменять коэффициент усиления схемы, изменяя значение одного резистора. Для этого можно использовать набор переключаемых резисторов или даже потенциометр для , обеспечивая простое изменение коэффициента усиления схемы без необходимости переключать соответствующие пары резисторов. Идеальный коэффициент усиления синфазного сигнала приборового усилителя равен нулю. В показанной схеме коэффициент усиления синфазного сигнала возникает из-за несоответствия соотношений резисторов и из-за несоответствия коэффициентов усиления синфазного сигнала двух входных ОУ. Получение очень близких по значениям резисторов является значительной трудностью при изготовлении этих схем, как и оптимизация характеристик синфазного сигнала. Усилитель приборов также может быть построен с использованием двух ОУ для снижения стоимости, но в этом случае коэффициент усиления должен быть больше двух (+6 дБ). Усилители приборов могут быть построены с использованием отдельных ОУ и прецизионных резисторов, но также доступны в виде интегральных схем от нескольких производителей (включая Texas Instruments, Analog Devices и Renesas Electronics). Интегральная схема усилителя приборов обычно содержит точно согласованные резисторы, настроенные лазером, и, следовательно, обеспечивает отличное подавление синфазного сигнала. Примеры включают INA128, AD8221, LT1167 и MAX4194. Усилители приборов также могут быть спроектированы с использованием "архитектуры непрямой обратной связи по току", которая расширяет диапазон рабочих напряжений этих усилителей до отрицательной шины питания, а в некоторых случаях и до положительной шины питания. Это может быть особенно полезно в системах с одним источником питания, где отрицательная шина питания является просто землей (GND) схемы. Примерами компонентов, использующих эту архитектуру, являются MAX4208/MAX4209 и AD8129/AD8130.
amplifiers for measurement and electronic test equipment
An instrumentation amplifier (sometimes shorthanded as in amp or InAmp) is a type of differential amplifier that has been outfitted with input buffer amplifiers, which eliminate the need for input impedance matching and thus make the amplifier particularly suitable for use in measurement and test equipment. Additional characteristics include very low DC offset, low drift, low noise, very high open loop gain, very high common mode rejection ratio, and very high input impedances. Instrumentation amplifiers are used where great accuracy and stability of the circuit both short and long term are required. Although the instrumentation amplifier is usually shown schematically identical to a standard operational amplifier (op amp), the electronic instrumentation amplifier is almost always internally composed of 3 op amps. These are arranged so that there is one op amp to buffer each input (+, −), and one to produce the desired output with adequate impedance matching for the function. The most commonly used instrumentation amplifier circuit is shown in the figure. The gain of the circuit is
The rightmost amplifier, along with the resistors labelled and is just the standard differential amplifier circuit, with gain and differential input resistance The two amplifiers on the left are the buffers. With removed (open circuited), they are simple unity gain buffers; the circuit will work in that state, with gain simply equal to and high input impedance because of the buffers. The buffer gain could be increased by putting resistors between the buffer inverting inputs and ground to shunt away some of the negative feedback; however, the single resistor between the two inverting inputs is a much more elegant method: it increases the differential mode gain of the buffer pair while leaving the common mode gain equal to 1. This increases the common mode rejection ratio (CMRR) of the circuit and also enables the buffers to handle much larger common mode signals without clipping than would be the case if they were separate and had the same gain. Another benefit of the method is that it boosts the gain using a single resistor rather than a pair, thus avoiding a resistor matching problem and very conveniently allowing the gain of the circuit to be changed by changing the value of a single resistor. A set of switch selectable resistors or even a potentiometer can be used for , providing easy changes to the gain of the circuit, without the complexity of having to switch matched pairs of resistors. The ideal common mode gain of an instrumentation amplifier is zero. In the circuit shown, common mode gain is caused by mismatch in the resistor ratios and by the mismatch in common mode gains of the two input op amps. Obtaining very closely matched resistors is a significant difficulty in fabricating these circuits, as is optimizing the common mode performance. An instrumentation amplifier can also be built with two op amps to save on cost, but the gain must be higher than two (+6 dB). Instrumentation amplifiers can be built with individual op amps and precision resistors, but are also available in integrated circuit from several manufacturers (including Texas Instruments, Analog Devices, and Renesas Electronics). An IC instrumentation amplifier typically contains closely matched laser trimmed resistors, and therefore offers excellent common mode rejection. Examples include INA128, AD8221, LT1167 and MAX4194. Instrumentation amplifiers can also be designed using "indirect current feedback architecture", which extend the operating range of these amplifiers to the negative power supply rail, and in some cases the positive power supply rail. This can be particularly useful in single supply systems, where the negative power rail is simply the circuit ground (GND). Examples of parts utilizing this architecture are MAX4208/MAX4209 and AD8129/AD8130.
Усилитель инструментального управления без обратной связи
Усилитель без обратной связи – это дифференциальный усилитель с высоким входным импедансом, разработанный без внешней сети обратной связи. Это позволяет уменьшить количество усилителей (один вместо трех), снизить уровень шума (отсутствует тепловой шум, вносимый резисторами обратной связи) и расширить полосу пропускания (не требуется частотная компенсация). Инструментальные усилители с рубящей стабилизацией (или нулевым дрейфом), такие как LTC2053, используют схему переключения на входе для устранения ошибок смещения по постоянному току и дрейфа.