10.3. Дифференциальные и мостовые усилители

Дифференциальные усилители (ДУ) находят применение в качестве масштабирующих преобразователей для датчиков с малым выходным сигналом в условиях сильных промышленных помех, например, термопар, тензометров сопротивлений, емкостных датчиков, датчиков биотоков и т.п.

Простейшая схема ДУ изображена на рис. 10.8. Делитель напряжения на входе используется для того, чтобы коэффициенты усиления сигналов U1 и U2 сделать равными. Выходное напряжение определяется выражением: Uo=(U2-Ul)R2/Rl.

для ее имитации в верхнем источнике напряжение помехи увеличено на 5 мВ. Полученные при этом результаты измерений показаны на рис. 10.11.

Дифференциальные усилители, включенные в мостовую схему и преобразующие приращение сопротивления в напряжение, называются мостовыми. Такие усилители применяются при использовании датчиков, включаемых по мостовой схеме. Различают мостовые усилители с нелинейной и линейной характеристиками.

Схема усилителя первого типа показана на рис. 10.12 [24]. Мостовая схема составлена из резисторов R и резистивного датчика R+r, где r — приращение сопротивления датчика в результате воздействия контролируемого параметра. В общем случае мост может состоять из комплексных сопротивлений — в зависимости от типа датчика (емкостного, индуктивного или чисто резистивного), а его питание осуществляться от источника Up как постоянного, так и переменного тока. Выходное напряжение схемы на рис. 10.12 определяется выражением [24]:

(10.5)

Зависимость Uo от r нелинейна, как и для любого неравновесного моста. Поэтому такая схема применяется только при малых относительных приращениях r/R.

Мостовая схема на рис. 10.13 относится к классу линейных. Ее выходное напряжение определяется выражением [24]:

(10.6).

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое синфазная помеха, как она проявляется в дифференциальном, инвертирующем и неинвертирующем усилителях?

2. Проведите моделирование ДУ на рис. 10.10 при напряжении помехи в обоих каналах 10 В. Измерьте напряжение помехи на выходе (выполняется при минимальном значении полезного сигнала, например 1 мкВ). Если результаты измерения не будут соответствовать данным расчета, объясните причину (внимательно просмотрите список параметров выбранного ОУ, обратив особое внимание на значение Кoсoф)

3. Какая разница между дифференциальными и мостовыми усилителями?

4. Для схемы на рис. 10.12 с помощью формулы (10.5) рассчитайте зависимость Uo=F(r) при изменении г в диапазоне 0,01...0,5 кОм и затем проверьте моделированием при напряжении питания моста Up=l В. Найдите ошибку, допущенную в этой схеме в [24], сравнив ее со схемой на рис. 10.10. После определения ошибки выберите сопротивления резисторов моста такими, чтобы они не оказывали существенного влияния на коэффициент передачи ДУ.

5. Проведите моделирование схемы на рис. 10.13 и проверьте справедливость выражения (10.6). Объясните, за счет чего в этой схеме обеспечивается линейная зависимость выходного напряжения от приращения сопротивления г.