Масштабирующие преобразователи тока и напряжения на операционных усилителях

 

На входе прибора обычно включают измерительный преобразователь, осуществляющий преобразование измеряемой аналоговой величины в цифровой сигнал. В качестве вых сигнала выбирают напряжение постоянного тока в пределах 5…10 В.

Операционный усилитель включенный по схеме инвертора:

Существует понятие идеального Операционного усилителя, у которого входные токи , сопротивления , K_y высок. Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью равен бесконечности.

В этих условиях ток источника сигнал не может протекать по входным цепям ОС. Таким образом этот ток будет протекать только по резистору обратной связи.

В этом случае на R_ос создается напряжение:

.

При этом: .

Коэффициент обратной связи: .

Таким образом, для идеального операционного усилителя коэффициент усиления практически полностью определяется соотношением значений резисторов , при условии, что идеальный источник сигнала имеет R_c=0.

В реальных операционных усилителях погрешность инвертирующего усилителя определяется величинами U_см0, а также I_вх+, I_вх1 и конечным значением K₀.

С учетом этих факторов выходное напряжение инвертирующего усилителя равно:

.

Уменьшить погрешность усилителя можно за счет применения усилителя с меньшими входными токами и с большим коэффициентом усиления, а также за счет уменьшения сопротивлений R₁, R₂, R_ос при обеспечении равенства:

.

Входное сопротивление инвертирующего ОУ практически равно R₁, поэтому при проектировании измерителей тока R₁ = R_вх. Измеряемый ток от источника тока протекает через резистор R_ос и напряжение на выходе усилителя:

/

Нижний предел измеряемого тока ограничивается наличием тока смещения i_см-. При работе с источником тока R_c >> R_ос, поэтому усиление по напряжению такой схемы равно:

,

т.е. погрешность из-за наличия напряжения смещения нуля мала.

При измерении малых токов сопротивление R_ос должно быть достаточно велико и шумовые токи внести значительные погрешности в выходной сигнал. Поэтому обычно параллельно резистору R_ос включают конденсатор, снижающий уровень высокочастотных шумов.

Для построения цифровых вольтметров часто применяется неинвертирующее включение операционного усилителя.

 

В этой схеме напряжение обратной связи U_ос определяется как: .

Идеальный усилитель в этой схеме включения имеет коэффициент усиления по напряжению:

.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя достаточно велико: .

В большинстве случаев погрешности, вызванные сопротивлением источника сигнала, определяются не входным сопротивлением усилителя, а наличием входных токов i_см+ и i_см-, которые создают падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала. Для уменьшения влияния температурного дрейфа входных токов необходимо выбирать сопротивление резистора R₃ = R₁||R₂.