Wzmacniacz instrumentalny

Istnieją wynalazki, które są genialne w swojej prostocie. Wzmacniacz instrumentalny jest jednym z nich. Działa podobnie jak wzmacniacz różnicowy, jednak eliminuje jego wady, zachowując niewielki stopień skomplikowania. Wzmacniacze instrumentalne są bardzo szeroko stosowane w najróżniejszych urządzeniach pomiarowych ze względu na kilka bardzo pożądanych zalet, których inne wzmacniacze nie mają.

Największym plusem jest możliwość regulowania wzmocnienia przy zmianie zaledwie jednego rezystora! Wystarczy jeden zwykły potencjometr (najlepiej o charakterystyce logarytmicznej) by szybko zmieniać wzmocnienie w zależności od potrzeb. Ponadto, wzmacniacze instrumentalnie łatwo krzyżują się z układami cyfrowymi, dając zaskakujące możliwości. Przykładem takiej krzyżówki techniki analogowej i cyfrowej są wzmacniacze o wzmocnieniu regulowanym programowo. Są one bardzo powszechne - chociażby w nowszych AVR-ach można sobie ustalić wzmocnienie w przetworniku analogowo-cyfrowym. Istnieją scalone wzmacniacze instrumentalne z interfejsem I2C lub SPI, które można łatwo połączyć z dowolnym mikrokontrolerem. Idąc dalej tą drogą, możemy zbudować urządzenie pomiarowe, które będzie automatycznie zmieniać wzmocnienie i zakresy pomiarowe, by uzyskać zawsze najlepszą rozdzielczość pomiaru. Zatem problemy, które stosując tradycyjne układy były trudne do rozwiązania, przy zastosowaniu nowoczesnych wzmacniaczy stają się banalne. I to jest właśnie postęp techniki!

Kolejną zaletą jest wysoka rezystancja wejściowa, ponieważ sygnały podajemy prosto na wejścia układów scalonych, bez obciążania ich dodatkowymi rezystorami. Wzmacniacz instrumentalny ma także bardzo dobry współczynnik CMRR, czyli dobrze tłumi sygnał wspólny, wzmacniając jedynie różnice między sygnałami wejściowymi. 

Nazwa wzmacniacz instrumentalny pochodzi od angielskiego instrumentation amplifier. W polskiej literaturze spotyka się także nazwę wzmacniacz pomiarowy i jest to ten sam układ.

Zobaczmy schemat wzmacniacza instrumentalnego. Składa się z trzech wzmacniaczy operacyjnych oraz siedmiu rezystorów.

Rezystor Rv zaznaczony strzałką reguluje wzmocnienie. Im większa jest jego rezystancja, tym wzmocnienie jest mniejsze. Gdyby ten rezystor usunąć, pozostawiając przerwę w obwodzie, to wzmocnienie wyniesie 1 (wtedy wzmacniacze wejściowe staną się zwykłymi wtórnikami napięcia), a działanie układu ograniczy się jedynie do odejmowania sygnałów wejściowych.

Jak to działa? Zwróćmy uwagę, że rezystory R1-Rv-R1 tworzą dzielnik napięcia. Co możemy o nim powiedzieć? Co możemy uznać za pewnik? Zacznijmy od przypomnienia sobie pierwszej fundamentalnej zasady, która już wielokrotnie była przytaczana przy okazji omawiania innych wzmacniaczy operacyjnych:

• Zasada 1 - wzmacniacz operacyjny tak oddziaływuje swoim wyjściem na wejście, poprzez ujemne sprzężenie zwrotne, by napięcia na wejściu odwracającym (-) i nieodwracającym (+) były sobie równe

Zatem jeśli napięcia na wejściach są równe, to napięcie na jednej nóżce Rv wynosi tyle, co V1, a na drugiej jest V2. Odejmując V1 i V2 dowiemy się, jakie napięcie panuje na Rv, a dalej, z prawa Ohma obliczymy jaki płynie przez niego prąd. Teraz przypomnijmy kolejną zasadę:

• Zasada 2 - wejścia wzmacniacza nie pobierają prądu

Zatem prąd płynący przez Rv płynie również przez oba rezystory R1, powodując oczywiście powstanie napięć na ich nóżkach, zgodnie z prawem Ohma. Wykonując kilka prostych obliczeń możemy się dowiedzieć, jakie napięcia są na wyjściach górnego i dolnego wzmacniacza operacyjnego. A co z prawą stroną układu? To jest zwyczajny wzmacniacz różnicowy, opisany w poprzednim odcinku cyklu o wzmacniaczach.

Możemy dodać dodatkową regulację wzmocnienia, podobnie jak we wzmacniaczu różnicowym, nieznacznie modyfikując schemat i ustalając wartości R2 oraz R3. Dostajemy w ten sposób dodatkowy mnożnik lub dzielnik, w zależności co nam jest potrzebne.

Choć na schemacie widać trzy wzmacniacze operacyjne, tak naprawdę wzmacniaczy instrumentalnych nie buduje się z tradycyjnych wzmacniaczy operacyjnych i rezystorów. Kupuje się gotowy scalak, który to wszystko już ma w środku, z wyjątkiem oczywiście rezystora Rv. Zintegrowanie wszystkich elementów w jednej obudowie ma dodatkową zaletę - monolityczny kawałek krzemu jest zdecydowanie bardziej stabilny temperaturowo. Ponadto, rezystory w krzemie można trymować laserowo w fabryce scalaków, dzięki czemu są zdecydowanie bardziej precyzyjne niż zwykłe rezystory.

Jeden z czytelników chciał, bym zamieścił jakieś konkretne przykłady wzmacniaczy instrumentalnych. Nie ma problemu - oto jedne z nich. Prawdę mówiąc, jest ich całe mnóstwo i można godzinami przeglądać katalogi producentów.

• AD8221 - dobre parametry za niską cenę
• AD8222 - dwa wzmacniacze instrumentalne w jednej obudowie
• AD8226 - energooszczędny
• AD8220 - wejścia JFET
• AD8228 - dobra regulacja wzmocnienia
• AD8295 - dodatkowe dwa precyzyjne wzmacniacze operacyjne
• AD8429 - niskoszumny