تقویت کننده ابزار دقیق در ولتاژ

تقویت کننده ابزار دقیق در ولتاژ:
تقویت کننده ابزار دقیق (Instrumentation Amplifier) یا In-Amp تقویت کننده تفاضلی با بهره بالا، دارای امپدانس ورودی بالا و خروجی تک ترمینالی است.

این نوع تقویت کننده ها عمدتا برای تقویت سیگنال های تفاضلی بسیار کوچک حاصل از استرین گیج ها (Strain Gauge)، ترموکوپل ها و یا ادوات اندازه گیری جریان در سیستم های کنترل موتور به کار می روند.

برخلاف تقویت کننده های عملیاتی استاندارد که در آن ها بهره حلقه بسته توسط یک مقاومت فیدبک خارجی متصل بین ترمینال های خروجی آن ها و یک ترمینال ورودی (مثبت یا منفی) مشخص می شود، تقویت کننده های ابزار دقیق دارای یک مقاومت فیدبک داخلی هستند که به صورت کامل از ترمینال های ورودی آن ها ایزوله شده است، زیرا سیگنال های ورودی به دو ورودی تفاضلی V1 و V2 اعمال شده اند.

تقویت کننده عملیاتی، دارای نسبت حذف مد مشترک (Common Mode Rejection Ratio) یا CMRR (خروجی صفر برای زمانی کهV2=V1) بسیار خوبی است.

یک مثال از تقویت کننده ابزار دقیق سه اپ امپی با مقاومت ورودی بالا (Zin) در شکل زیر نشان داده شده است.

دو تقویت کننده غیرمعکوس کننده تشکیل طبقه ورودی تفاضلی را می دهند، که مانند یک تقویت کننده بافر با بهره1+2R2/R1 برای سیگنال های ورودی تفاضلی و بهره واحد برای سیگنال های ورودی مد مشترک عمل می کنند.

چون تقویت کننده های A1 و A2، تقویت کننده فیدبک منفی حلقه بسته هستند، می توان انتظار داشت که ولتاژVaبرابر با ولتاژV1باشد.

به همین ترتیب ولتاژVbبرابر با ولتاژV2 است.

چون اپ امپ هیچ جریانی را در ترمینال های ورودی خود دریافت نمی کند، جریان مشابهی باید از طریق شبکه سه مقاومتR1، و دو مقاومتR2 متصل به خروجی اپ امپ جریان یابد که به این معنی است که ولتاژ روی پایه بالای مقاومتR1برابر باV1 و ولتاژ در سر پایین مقاومتR2برابر باV2خواهد بود.

در نتیجه افت ولتاژی در دو سر مقاومتR1به وجود خواهد آمد که برابر با اختلاف ولتاژ بین ورودی هایV1وV2، یعنی ولتاژ ورودی تفاضلی، خواهد بود؛ زیرا ولتاژ در گره جمع کننده هر اپ امپ (VaوVb) برابر با ولتاژ اعمالی به ورودی های مثبت خواهد بود.

اما اگر یک ولتاژ مد مشترک به ورودی های تقویت کننده اعمال شود، ولتاژ در هر دو طرف مقاومتR1 برابر خواهد بود و هیچ جریانی از این مقاومت عبور نخواهد کرد.

چون هیچ جریانی از مقاومتR1 عبور نمی کند، در نتیجه از هر دو مقاومتR2 نیز جریانی عبور نمی کند و هر دو تقویت کننده A1 و A2 مانند تعقیب کننده ولتاژ بهره واحد (بافر) عمل می کنند.

چون ولتاژ ورودی در خروجی تقویت کننده A1 و A2 به صورت تفاضلی در طول شبکه متشکل از 3 مقاومت ظاهر می شود، بهره تفاضلی مدار می تواند فقط با تغییر مقادیرR1، تغییر کند.

ولتاژ خروجی از اپ امپ تفاضلی A3، مانند یک تفریق گر عمل می کند و برابر با مقدار تقویت شده تفاضل دو ورودی (V2-V1) است.

میزان این تقویت با بهره A3 برابر است. توجه کنید که ممکن است بهره واحد باشد (R3=R4). بنابراین عبارت کلی که برای بهره ولتاژ در تقویت کننده ابزار دقیق به دست می آید برابر است با: