A műszererősítők felépítése

Feszültségek különbségének erősítésére alkalmas az alábbi egyszerű kapcsolás:

A kimeneti feszültség elvileg csak a bemeneti feszültségek különbségétől függ:

Ha tehát

akkor a kimeneti feszültség:

így nem függ a V_CM úgynevezett közös módusú jeltől, ami a két jele közös részének tekinthető. A gyakorlatban több probléma is felmerülhet:

• A közös módusú erősítés (V_CM erősítése) nem nulla, mert az ellenállások értéke nem pontos, más az arány a visszacsatoló körben és a nem-invertáló bemeneti feszültségosztó esetében.
• A V₁ és V₂ jelforrások kimeneti ellenállása soros eredőt képez az erősítő bemeneti ellenállásaival. Így lecsökkentik az erősítést, és ha nem egyeznek pontosan, akkor rontják a közös módusú elnyomást.
• A V₁ és V₂ jelforrások nem egyforma terhelésűek, V₁ esetén R₁ (az invertáló bemenet a Miller hatás miatt gyakorlatilag zéró ellenállású csomópont), V₂ esetén R₁+R₂ a terhelő ellenállás, ami aszimmetriát jelent.
• Minél nagyobb erősítésre van szükség, annál kisebb lehet az R₁ ellenállások értéke, mert R₂ növelésének is lehet korlátja. Így érzékenyebbé válik a kapcsolás a jelforrások kimeneti ellenállásainak értékére és tűrésére.

Követő erősítőkkel kiküszöbölhető a bemeneti ellenállás problémája:

Azt is megtehetjük, hogy az erősítést áttesszük a bemeneti fokozatra:

Ez utóbbi kapcsolásnál hátrányos, hogy a közös módusú jel az első fokozatoknál túlvezérlést is okozhat, a kivonás csak az erősítés után történik.

Bár a közös modusú elnyomás ezeknél a megoldásoknál már nem függ a jelforrások kimeneti ellenállásától, a kapcsolásban felhasznált ellenállások pontosságára ugyanannyira érzékeny, mint az egyszerű kivonó erősítő.

A műszererősítőt úgy kapjuk, hogy a legutóbbi kapcsolásnál megszüntetjük a bemeneti fokozatok bemeneti oldali ellenállásainak földelését. Látni fogjuk, hogy ez jelentősen megnöveli a közös módusú elnyomást és csökkenti a túlvezérlés problémáját is. Ezen kívül a kimeneti különbségképző fokozatnál a földpont helyett egy V₀ referenciafeszültséget használunk, ami a kimeneti jel nulla különbséghez tartozó feszültségértékét teszi állíthatóvá. Így tehát a következőhöz jutunk:

A kapcsolás analízise elég egyszerű. A műveleti erősítők invertáló és nem-invertáló bemenetei közötti feszültségkülönbség a negatív visszacsatolás miatt zérus. Ebből következően az R_G ellenálláson V₂-V₁ feszültség esik, így a rajta folyó áram:

A műveleti erősítők bemenetébe áram nem folyik, így ez az áram folyik a V_B pontból a V_A felé három ellenálláson keresztül. Ezért egyszerűen felírhatjuk ezeknek a csomópontoknak a feszültségeit:

Jelöljük a jelek közös részét V_CM-el, a különbségüket, pedig ΔV-vel, azaz V₁ = V_CM-ΔV/2 és V₂ = V_CM+ΔV/2. Ezzel a fenti egyenlet:

Láthatjuk, hogy a bemeneti fokozatok a közös módusú jelet egyszeresen, a különbséget viszont az alábbi arányban erősítik:

A kimeneti fokozat ezek különbségét különbségét képezi (egyelőre feltételezzük, hogy V₀ = 0 V):

A szuperpozíció tételének alkalmazásával könnyen megkaphatjuk V₀ hatását is. Ekkor V_A-t és V_B-t nullának vesszük, így V₀ egy felező osztóra kerül, aminek a kimenete kétszeres erősítéssel jut a kimenetre. Végül tehát a műszererősítő kimeneti feszültségére ezt kapjuk:

A V₀ jelforrás belső ellenállása nagyon kicsi kell legyen (például egy feszültségkövető kimenete), mert ellenkező esetben romlana a közös módusú elnyomás és a pontosság. Az A/D konverterek általában unipoláris jeleket fogadnak a 0 V..V_ref tartományban. Ennek megfelelően hasznos lehet a V₀=V_ref/2 beállítás, mert ekkor pozitív és negatív különbségek is mérhetővé válnak, nem szükséges negatív tápfeszültség sem.

Integrált műszererősítők

Műszererősítőket integrált áramkör formában is gyártanak. Célszerű ezek használata a belső precíz ellenállásegyezés és a kompakt kivitel miatt. Az áramköri rajzjelük nagyon hasonló a műveleti erősítőéhez, a további kivezetések az erősítést beállító ellenálláshoz és a kimeneti referenciaszintet beállító bemenethez tartoznak. Ezeken kívül, ahogy műveleti erősítők esetén is, a tápfeszültség kivezetései is láthatóvá tehetők.

Alkalmazások

Árammérés

Áram mérésére gyakran használnak áramérzékelő ellenállásokat. Az ellenállásoknak kicsinek kell lennie, hogy ne befolyásolja számottevő mértékben az áramkör működését, ezen kívül tipikusan az ellenállás egyik kivezetése sem földelt. Ennek megfelelően feszültségkülönbség erősítésére van szükség. Ezt megoldhatjuk kivonó erősítővel, ahogy az alábbi ábra mutatja.

Ez a kapcsolás egyszerűsége mellett azért lehet hasznos, mert a bemeneti jelek akár az erősítő tápfeszültségénél nagyobbak is lehetnek. Ekkor az erősítés korlátozott, akár egynél kisebb, így kellően nagy feszültségkülönbség mérésére alkalmas.

Ha a feszültségkülönbség kicsi, és az ellenállás végpontjain fellépő feszültség a műszererősítő bemeneti tartományába esik, akkor előnyösebb műszererősítőt használni.

Mérőhíd-szenzorok jelkondicionálása

A műszererősítők egyik fontos alkalmazása mérőhidak jelének erősítése. Legismertebb ilyen típusú szenzorok a mérlegcellák és a nyomásszenzorok. Az ellenállások külső hatásra kicsit változnak, így a híd két kimeneti pontján kis feszültségkülönbség jön létre nagy közös módusú komponens mellett.

Az ellenálláshíd kimenetei közötti feszültségkülönbség

A műszererősítő kimeneti feszültsége így

Feszültségkülönbség erősítése

A jelforrást reprezentálhatja földfüggő vagy lebegő feszültséggenerátor is. Földfüggő jelek esetén arra kell ügyelni, hogy a műszererősítő mindkét bemenetén olyan jelszint legyen, ami a megengedett bemeneti jeltartományban van. Ezt az erősítők adatlapja specifikálja. A műszererősítő bemenetei közé ugyanakkor nem köthetünk lebegő feszültséggenerátort, például termoelemet, ahogy az alábbi ábra mutatja:

Ebben az esetben a bemeneti differenciálerősítők nem kapnak megfelelő meghajtást, nem záródik a bemeneti áramköri rész, így a kimeneti feszültség sem vesz fel jó értéket. A megoldás az, hogy a jelforrás egyik pontját a földpontra, vagy ehhez képest stabil potenciálú pontra kötjük egy opcionális ellenálláson keresztül.