Инструментальный усилитель — это тип дифференциального усилителя, который оснащен входными буферами, которые исключают необходимость согласования входного импеданса, таким образом создавая усилитель, в основном подходящий для использования в испытательном оборудовании и измерениях. Его дополнительные функции включают низкий дрейф, очень низкое смещение по постоянному току, низкий уровень шума, очень высокое усиление разомкнутого контура, очень высокое подавление синфазных помех и очень высокое входное сопротивление. Инструментальные усилители используются там, где требуется высокая стабильность и точность схемы как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

Хотя инструментальный усилитель обычно равен стандартному операционному усилителю, электронный инструментальный усилитель всегда находится внутри и состоит из 3 операционных усилителей. Они собраны таким образом, что есть один операционный усилитель для буферизации каждого входа (+, -) и один для генерации желаемого выхода с достаточным согласованием импеданса для функции. У нас есть общее выражение для общего коэффициента усиления по напряжению в инструментальном усилителе Av = (1 + 2R / Rgain). Мы можем изменить дифференциальный коэффициент усиления инструментального усилителя, просто изменив номинал одного резистора: Rgain.

Идеальное синфазное усиление усилителя равно нулю. Усиление синфазного сигнала происходит из-за несовпадения номиналов резисторов с одинаковыми номерами и из-за несовпадения коэффициентов усиления синфазного сигнала двух входных операционных усилителей. Поиск очень точно согласованных резисторов является важной трудностью при изготовлении этих схем, так же как и оптимизация синфазных характеристик входных операционных усилителей. Инструментальный усилитель также может быть построен с двумя операционными усилителями, чтобы собрать стоимость и увеличить CMRR, но коэффициент усиления должен быть выше 2 (+6 дБ).

Инструментальные усилители могут быть построены с использованием операционных усилителей и прецизионных резисторов, но также доступны в интегральных схемах от многих производителей (включая отечественные полупроводники, линейные технологии, аналоговые устройства и интегральные продукты). ИС инструментального усилителя обычно включает в себя точно согласованные резисторы, вырезанные из лазера, и поэтому предполагает отказ от синфазного сигнала.

Инструментальные усилители также могут быть спроектированы с использованием «архитектуры с обратной связью по постоянному току», которая увеличивает разнообразие режимов работы этих усилителей до отрицательной шины питания и, в некоторых случаях, до положительной шины питания. В основном это может быть полезно в системах с одиночным питанием, где отрицательная шина питания имеет только заземление (GND).

Входной усилитель без связи представляет собой дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением, не имеющий внешней цепи обратной связи. Это позволяет уменьшить количество усилителей, уменьшить шум (отсутствие теплового шума, создаваемого резисторами обратной связи) и увеличить полосу пропускания (нет необходимости в частотной компенсации).

Представление монолитного усилителя, используемого в качестве интерфейса для измерения биоимпеданса с четырьмя электродами, наблюдается с помощью имеющегося в продаже измерителя импеданса, установленного на самобалансирующемся мосту. Ошибки из-за особенностей входного каскада измерителя импеданса при использовании без входного каскада были на много порядков больше, чем измеряемая величина. Испытание проводилось на реплике электрической схемы кожи и электродов в диапазоне частот от 20 Гц до 1 МГц.

При сбалансированном импедансе электрода точность, достигаемая для частот до 100 кГц, может быть менее 0,1 градуса для фазы импеданса и 0,2% для величины импеданса, что находится в пределах указанного базового диапазона точности измерителя LCR, используемого для измерения. На частотах выше 100 кГц ошибки увеличиваются и превышают соответствующую точность измерителя LCR. Настоящее исследование показывает, что использование инструментального усилителя в качестве входного каскада с тщательным измерителем LCR может значительно повысить точность измерения четырехэлектродного биоимпеданса на низких частотах.

Инструментальный усилитель должен устранять большой сигнал помех, который является общим для двух проводов (синфазный сигнал), и усиливать малоразностный (дифференциальный) сигнал. Инструментальный усилитель полезен, чтобы иметь возможность изменять коэффициент усиления схемы усилителя без необходимости изменять более одного номинала резистора, что необходимо для предыдущей конструкции дифференциального усилителя. Конфигурация этого усилителя превосходна и может использоваться большим количеством людей, которые хотят устранить необходимость согласования входного импеданса и сделать усилитель особенно подходящим для использования в испытательном и измерительном оборудовании.

Поделиться ссылкой: