A MÉRŐERŐSÍTŐK
MÉRŐERŐSÍTŐK EREDŐ FESZÜLTSÉGERŐSÍTÉSE A mérőerősítők nagy bemeneti impedanciájú, szimmetrikus bemenetű, változtatható erősítésű egységek, melyek szimmetrikus, kisértékű (általában egyen-) feszültségek erősítésére alkalmasak úgy, hogy a szimmetrikus jelet erősítve, a közös módusú jelet nagy mértékben elnyomják. Fő alkalmazási területük a különbségi feszültségmérés pl. érzékelőkben, híderősítőkben, mikrofonerősítőkben, mindezt alacsony ofszet, alacsony ofszetdrift, valamint kis zaj mellett.
Az ideális mérőerősítő főbb tulajdonságai: Bemeneti ellenállás: Közösmódusú elnyomási tényező: Kimeneti ellenállás:
Rbes = ∞ Ek = ∞ Rki = 0
1. ábra
A valóságos mérőerősítő A bemeneti ellenállás (a bemeneti félvezetőktől függő) nagy értéket képvisel. A valóságos mérőerősítő kapcsolási rajzából látható, hogy két láncba kapcsolt fokozatból áll, melyek a következők: • •
Szimmetrikus, nagy bemeneti ellenállású, szimmetrikus kimenetű erősítőfokozat; Különbségképző fokozat (differenciaerősítő).
2. ábra A mérőerősítő kapcsolási rajza
Készítette: Mike Gábor
1/8
A MÉRŐERŐSÍTŐK
A különbségképző fokozat (differenciaerősítő) A teljes áramkör szimmetrikus jelre vonatkoztatott erősítésének megértéséhez először vegyük szemügyre a különbségképzőt.
3. ábra A különbségképző (differenciaerősítő) kapcsolási rajza Végezzük el az erősítés számítását a két bemenet külön-külön vezérlése esetén! a) Erősítés és a kimeneti feszültség az invertáló bemenetre ( U 1 ) adott jel esetén, miközben a neminvertáló bemeneti jel nulla (U 2 = 0) AU 1 = −
R4 R3
U ki1 = −U 1 ⋅
∣ ∣ha U 2 =0 R4 R3
∣ ∣ha U 2 =0 4. ábra
b) Erősítés és a kimeneti feszültség a neminvertáló bemenet ( U 2 ) adott jel esetén, miközben a neminvertáló bemeneti jel nulla (U 1 = 0) AU 2 =
R4 R3 + R4
R ⋅ 4 + 1 = R3
=
R4 R3 + R4
R R ⋅ 4 + 3 = R3 R3
=
R4 R3 + R4
R + R4 R4 = ⋅ 4 R3 R3
U ki 2 = U 2 ⋅
R4 R3
∣ ∣ha U 1 =0
∣ ∣ha U 1 =0 5. ábra
Készítette: Mike Gábor
2/8
A MÉRŐERŐSÍTŐK
A fokozat eredő kimeneti feszültsége ( U 1 és U 2 ismeretében) az a) és b) pontban mért kimeneti feszültségek szuperpozíciójából adódik: U ki1 = U ki1 + U ki 2 = −U 1 ⋅
R4 R R + −U 2 ⋅ 4 = (U 2 − U 1 ) ⋅ 4 R3 R3 R3
Eme eredményből látszik, hogy a differenciaerősítő: • csak a szimmetrikus bemeneti jel ( U 2 −U 1 ) különbségét erősíti; • bemeneti különbségi jel erősítésének mértékét R3 és R4 ellenállások határozzák R4 meg: ; R3 •
•
módusú jelet elnyomja (nem erősíti): ( U 2 = U 1 ) esetén: R R U ki = (U 2 − U 1 ) ⋅ 4 = 0V ⋅ 4 = 0V ; R3 R3 R3 = R4 esetén a kimeneti feszültség pontosan a szimmetrikus bemenetre kapcsolt jel R4 R = (U 2 − U 1 ) ⋅ = (U 2 − U 1 ) . különbsége: U ki = (U 2 − U 1 ) ⋅ R3 R a
közös
Fontos megjegyezni, hogy ezek az eredmények ideális differenciaerősítő esetén érvényesek. A valóságos erősítőparamétereket az ofszetfeszültség, az ofszet driftje és a zajok, valamint az R3 és R4 ellenállások pontossága határozzák meg. A szimmetrikus bemenetű, szimmetrikus kimenetű erősítőfokozat
6. ábra A szimmetrikus erősítő kapcsolási rajza
Készítette: Mike Gábor
3/8
A MÉRŐERŐSÍTŐK
Végezzük el az erősítésvizsgálatot! 1) Az U A kimenet vizsgálata a)
R R R R + R2 U A1 = U 1 ⋅ 2 + 1 = U 1 ⋅ 2 + 1 = U 1 ⋅ 1 R1 R1 R1 R1
∣ ∣ha U 2 =0
U 2 = 0V esetén az A2 műveleti erősítő invertáló bemenete 0V feszültségű, ezért ekkor az A1 egy neminvertáló erősítő.
7. ábra b) U A 2 = −U 2 ⋅
R2 R1
∣ ∣ha U 1 =0
U 1 = 0V esetén az A2 műveleti erősítő egy követő erősítőként funkcionál, ezért ekkor az A1 egy invertáló erősítőként üzemel.
8. ábra U A értéke a két esetben adódott kimeneti feszültségek szuperpozíciójából adódik: U A = U A1 + U A 2 = U 1 ⋅
Készítette: Mike Gábor
R1 + R2 R −U2 ⋅ 2 R1 R1
4/8
A MÉRŐERŐSÍTŐK
2) Az U B kimenet vizsgálata a) U B1 = −U 1 ⋅
R2 R1
∣ ∣ha U 2 =0
U 2 = 0V esetén az A1 műveleti erősítő egy követő erősítőként funkcionál, ezért ekkor az A2 egy invertáló erősítőként üzemel.
9. ábra R R R R + R2 b) U B 2 = U 2 ⋅ 2 + 1 = U 2 ⋅ 2 + 1 = U 2 ⋅ 1 R1 R1 R1 R1
∣ ∣ha U 1 =0
U 1 = 0V esetén az A1 műveleti erősítő invertáló bemenete 0V feszültségű, ezért ekkor az A2 egy neminvertáló erősítő.
10. ábra U B értéke a két esetben adódott kimeneti feszültségek szuperpozíciójából adódik: U B = U B1 + U B 2 = −U 1 ⋅
Készítette: Mike Gábor
R2 R + R2 R + R2 R +U2 ⋅ 1 = U2 ⋅ 1 − U1 ⋅ 2 R1 R1 R1 R1
5/8
A MÉRŐERŐSÍTŐK
A kimeneti szimmetrikus feszültség a két feszültség különbsége: R + R2 R R + R2 R U ki = U B − U A = U 2 ⋅ 1 − U 1 ⋅ 2 − U 1 ⋅ 1 − U 2 ⋅ 2 = R1 R1 R1 R1 = (U 2 − U 1 ) ⋅
R + R2 R2 R1 + R2 R = + ( U 2 − U 1 ) ⋅ 2 = ( U 2 − U 1 ) ⋅ 1 + R1 R1 R1 R1
R + 2 R2 R 2R 2R = (U 2 − U 1 ) ⋅ 1 + 2 = (U 2 − U 1 ) ⋅ 1 + 2 = ( U 2 − U 1 ) ⋅ 1 R1 R1 R1 R1
Belátható, hogy a szimmetrikus erősítő (ideális esetben): •
a különbségi jelet erősíti;
•
az erősítés mértéke a szimmetrikus jelre vonatkoztatva: 1 +
•
2 R2 ; R1 a közös módusú jelre vonatkoztatott feszültségáttétele mindig 1.
Kapcsoljuk a szimmetrikus erősítőfokozatot kimenetéhez a differenciaerősítőt, majd írjuk a kapcsolási rajzba az erősítésértékeket! Határozzuk meg a teljes mérőerősítő erősítését!
2 R2 1 + R1
R4 R3
11. ábra A láncba kapcsolt fokozatok erősítése (a különbségi jelre vonatkoztatva): 2R AusN = ∑ AU = ( Aszimm.er . ⋅ Adiff .er . ) = 1 + 2 R1
Készítette: Mike Gábor
R4 ⋅ R3
6/8
A MÉRŐERŐSÍTŐK
Ebből következik, hogy a kimeneti feszültség:
2R R U ki = (U 2 − U 1 ) ⋅ 1 + 2 ⋅ 4 R1 R3
A mérőerősítő működésbeli előnye abból fakad, hogy különválasztott a szimmetrikus feszültségerősítés és a különbségképzés funkciója. Látható az is, hogy az első fokozat közös módusú feszültségáttétele mindig 1-szeres, miközben a szimmetrikus feszültség erősítése rendkívül nagyra is beállítható. R2 R 2R R AusN = + 1 ⋅ 4 = 1 + 2 ⋅ 4 R1 R3 R2 R3 2
12. ábra szimmetrikus vezérlés
13. ábra közös módusú vezérlés Mindezek tükrében látható, hogy a mérőerősítő: • • •
a bemeneti szimmetrikus feszültséget erősíti; a közös módusú jelet elnyomja; az eredő szimmetrikus feszültségerősítés egyetlen elem ( R1 ) változtatásával kézben tartható, hogy az R1 értéke és az erősítés értéke között nem lineáris a kapcsolat, hanem hiperbolikus.
Készítette: Mike Gábor
7/8
A MÉRŐERŐSÍTŐK
Példa:
legyen
R2 = 10kΩ , R3 =10 k Ω
és
R4 =10 k Ω .
14. ábra A mérőerősítő erősítése egyetlen elem értékének parabolikus függvénye, vagyis az erősítést R1 változtatásával tarthatjuk kézben. Számítsuk ki szimmetrikus feszültségerősítést!
(
AusN = 1+
2R 2 R4 2⋅10 k Ω 10 k Ω 20000 Ω 20000Ω R1 R1 + 20000Ω ⋅ = 1+ ⋅ = +1= + = R 1 R3 R1 10 k Ω R1 R1 R1 R1
) (
)
Vegyük fel a feszültségerősítés - R1 karakterisztikát, vagyis vizsgáljuk meg a feszültségerősítést R1 függvényében! AusN =
20000 Ω +1 R1
y=
20000 +1 x
15. ábra Ajánlott irodalom: INA217 mikrofonerősítő; Getting the most out of your IA design
Készítette: Mike Gábor
8/8
