Файл: Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами.pdf

Температурная нестабильность <0,2% на каждые 10°С коэффициента чувствитель­ ности

Общий усилительный тракт

(Подразумевается усилитель постоянного напряжения и подключенный к нему усилитель переменного напряжения с коэффициентом усиления н „= 1 0 )

8.3.2.2. Особенности использования

НLА111 является высокочувствительным и стабильным из­ мерительным устройством универсального применения. Он при­ годен для работы с полными и полумостовыми измерительными схемами, в которые включаются один, два или четыре активных ИП, в том числе и таких типов, как на полупроводниковых, проволочных или пленочных тензорезисторах.

Использование приборов с малой чувствительностью и рас­ ширение диапазона измерений в сторону меньших величин стало возможным лишь благодаря разработке усилителя переменного напряжения. На основе устройств HLA111 и HLS151 или HLS171 можно создать высокочувствительную многоканальную измери­ тельную установку. По сравнению с безусилительными прибо­ рами чувствительность в рассматриваемом случае возросла в 100 раз для статических и в 1000 раз для динамических изме­ рений. В приборе предусмотрена возможность совместной ра­ боты с автоматическим переключателем точек (каналов) измерений MU121, предназначенным для тензометрических ИП. Верхняя граничная частота HLA111 практически соответствует граничной частоте известных ранее устройств, работающих с не­ сущей частотой 50 кГц. В большинстве случаев граничные

частоты измерений определяются собственно НГ1, подключа­ емыми к HLA111. Весь усилительный тракт можно использовать самостоятельно, если на входное гнездо «Ext.» прибора подать измерительный сигнал. Это создает возможности многоцелевого применения устройства, например для измерений температуры. В случаях, когда не предъявляются особые требования к точно­ сти измерений, для отсчета измеренных величин используют встроенный указатель. Пределы измерений определяют по шкале переключателя входного делителя напряжения. Для пре­ цизионных измерений используют дополнительные, более точные приборы, например такие, как цифровой вольтметр, автомати­ ческий самопишущий компенсатор и другие приборы требуемых классов точности.

Для динамических измерений предусмотрены выходные ка­ налы с сопротивлением 600 Ом, к которым подключают фильтры. К прибору можно также подключать шлейфовый осциллограф. Обеспечена защита выходных каналов от длительного короткого замыкания. Для уменьшения влияния контура земли вход при­ бора соединяют с его заземленным корпусом.

8.3.3. Усилители постоянного напряжения

Так как питание мостовых схем тензорезисторных измери­ тельных устройств производится постоянным током и речь в большинстве случаев идет об измерениях статических величин, то для усиления измерительных сигналов необходимо исполь­ зовать усилители постоянного напряжения. Для построения усилителя используются схемы модуляции — демодуляции или схемы с непосредственными связями. Вследствие высоких аппа­ ратурных затрат на реализацию модуляционного принципа, а также необходимости обеспечить граничную частоту динамиче­

лителя с непосредственными связями, который вкратце описы­ вается ниже.

8.3.3.1. Схемно-техническое выполнение

Принципиальная схема усилителя (используемого в HLA111) с входным и выходным делителями представлена на фиг. 8.20. Точками а — Ь усилитель в приборе HLA111 подключен к блоку HLS101, схема которого изображена на фиг. 8.5.

Входной делитель. Этот делитель обеспечивает деление вход­ ного напряжения четырьмя ступенями по 10 дБ в каждой. Его сопротивление равно 10 кОм. Отклонение сопротивления в пре­ делах + 0,5% вызывает погрешность деления, равную + 1 % . Входное сопротивление усилителя между точками е — / состав­ ляет не менее 250 кОм. При этом величина сопротивления Re

блока 1TLS101. С другой стороны, при замкнутом в точках с — d мосте и Ri = 150 Ом в каждом положении делителя входное сопротивление усилителя соответствует сопротивлению эквива­ лентного генератора, равного 2175 ...2180 Ом. В крайних (/ и 7)

П е р е к л ю ч а т е л ь f

Фиг. 8.20. Принципиальная схема усилителя постоянного тока.

положениях переключателя входного делителя к усилителю ока­ зывается приложенным только сопротивление эквивалентного генератора (Ru — 2180 Ом). Крайние положения делителя ис­ пользуются для установки электрического «нуля» следующего за ним усилителя.

Транзисторный усилитель. Это обычный операционный уси­ литель с двумя входами (базы транзисторов Т1 и Т2) и с за­ земленным выходом (точки g — h). Усилитель содержит два непосредственно связанных друг с другом дифференциальных усилительных каскада и оконечный каскад, включенный по схеме с общим коллектором (схема Дарлингтона [2]). В усили­ теле используются планарные кремниевые я-р-я-транзисторы. Транзисторы Т1 — Т2 и ТЗ — Т4 типа SF131 тщательно подо­ браны попарно и им обеспечены одинаковые температурные условия. Оконечный каскад (Т5, Тб) выполнен на транзисторах SF123. В усилителе используется сильная отрицательная обрат­ ная связь. Выходной сигнал усилителя имеет ту же полярность, что и входной.

К обоим входам усилителя приложено сопротивление экви­ валентного генератора одной и той же величины, а именно 2175 — 2180 Ом. При протекании тока базы через сопротивление эквивалентного генератора на нем образуется соответствующее падение напряжения, колебания которого при изменениях со­ противления вызывают расстройку усилителя. Для уменьшения этого нежелательного явления через базовые сопротивления

зом, чтобы потенциалы на базах транзисторов, и прежде всего транзистора 77, стали нулевыми. В этом случае изменения со­ противления генератора (входного делителя) уже не приводят больше к смещению нулевого уровня усилителя. Постоянство сопротивления генератора при всех положениях входного дели­ теля дает дополнительную гарантию того, что и при небольших подстройках Ri2 при переключениях пределов измерений не произойдет сдвига нулевого уровня.

Входной фильтр низких частот, образованный сопротивле­ нием генератора 2175 Ом и конденсатором Ci = 1000 пФ, обес­ печивает подавление паразитных сигналов высоких частот, например помех, наводимых в неэкранированных соедини­ тельных линиях ИП местными радиопередатчиками и излучате­ лями. Верхняя граничная частота фильтра (спад на 3 дБ) лежит около 73 кГц; напряжение помехи на частоте 10 кГц ослабляется до 1 %.

Питание усилителя осуществляется двумя источниками на­ пряжения + 12 и —12В с электронной стабилизацией. Постоян­ ное входное напряжение для стабилизаторов поступает от сете­ вого понижающего трансформатора и диодного выпрямителя. Стабилизированное напряжение изменяется всего на 0,275% при изменении напряжения сети на 10%. Ток, потребляемый усили­ телем в стационарном режиме, равен примерно 24 мА. Токи и соотношения потенциалов в схеме усилителя в основном опре­ деляются напряжениями питания и сопротивлениями резисто­ ров, а характеристики транзисторов, за исключением напряже­ ний эмиттер — база U B e , при этом почти не оказывают влияния. Коллекторный ток транзисторов первого дифференциального

Выходной делитель обеспечивает двухступенчатое, по 10 дБ, деление выходного напряжения усилителя. Наряду с входным делителем он используется для выбора пределов измерений и позволяет выдерживать благоприятное соотношение между

измерительным сигналом и дрейфом нулевого уровня как на входе, так и на выходе усилителя. Выходной делитель обеспе­ чивает согласование усилителя с подключаемым к нему встро­ енным указателем, а также с внешними показывающими и ре­ гистрирующими приборами. Сопротивления /?2э — Къь выбраны таким образом, что в любом из трех положений переключателя делителя при подключении к выходным точкам делителя i — / нагрузки до 1 кОм его входное сопротивление в точках g — h составляет 650 Ом. Когда делитель подключен к выходу усили­ теля, сопротивление между точками i — / составляет 150 Ом, так как выходное сопротивление усилителя с отрицательной обрат­ ной связью равно примерно 6 Ом.

8.3.3.2. Дрейф нулевого уровня

Принципиальный недостаток всех усилителей постоянного тока и напряжения состоит в наличии более или менее значи­ тельного дрейфа нулевого уровня. Это очень важный параметр операционных усилителей, который характеризует степень при­ годности их использования в измерительных и регулирующих устройствах. Под дрейфом нулевого уровня (или нулевой точки) понимают появление или изменение напряжения на выходе уси­ лителя при отсутствии полезного сигнала на его входе, обуслов­ ленное воздействием внешних (и внутренних) влияющих вели­ чин и старением элементов схемы. Следовательно, производимая после затухания переходного процесса установка нуля выход­ ного напряжения (Rn на фиг. 8.20) в общем случае сохраня­ ется недолго. Для лучшего сравнения различных усилителей их дрейф чаще всего приводят к входному сигналу, поскольку смещение нулевой точки можно представлять себе как резуль­ тат воздействия некоторого входного сигнала. Такой вообража­ емый входной сигнал, как правило, всегда подразумевается, когда речь идет о дрейфе.

Основными факторами, вызывающими дрейф нулевой точки усилителя, являются температурные воздействия и изменения питающего напряжения; кроме того, оказывают влияние старе­ ние элементов, влажность воздуха и т. п. Все эти причины вызы­ вают в усилителе с непосредственными связями смещение рабо­ чих точек схемы и как следствие — изменение нулевого уровня. При разработке усилителей постоянного напряжения стараются путем выбора оптимальной схемы и целесообразной конструкции усилителя добиться возможно меньшего дрейфа. Поэтому в большинстве транзисторных усилителей постоянного напряже­

ния предусматривается дифференциальное усиление на входе, а также во втором и, возможно, втретьем каскаде. Характерными

для дифференциального усилительного каскада являются еле-

дующие признаки: наличие двух, в идеальном случае полностью идентичных транзисторов с общим эмиттерным сопротивлением; равные по сопротивлению коллекторные нагрузки; два входа; пропорциональность выходного напряжения разности входных сигналов; значительное подавление синфазных помех при высо­ коомном сопротивлении в эмиттерной цепи. Вследствие симмет­ ричности схемы некоторые причины дрейфа нуля взаимно компенсируются, например температурно-зависимые напряжения эмиттер — база транзисторов (около 2 мВ/°С). Для достижения лучшей компенсации необходимо, чтобы усиление по току, напряжение на участке эмиттер — база и их температурные зависимости были бы у обоих транзисторов первого дифферен­ циального каскада по возможности близкими. В первом каскаде следует использовать наилучшую (по характеристикам и их равнозначности) пару транзисторов (во втором можно исполь­ зовать несколько худшую пару), так как шумы именно первого каскада оказывают основное влияние на дрейф нуля усилителя в целом. Другие возможности уменьшения дрейфа состоят в вы­

сторов со стабильным сопротивлением (металлизированных резисторов с малым температурным коэффициентом R\^ и Ri6). Резистор с переменным сопротивлением Rn служит для вырав­ нивания остаточной несимметрии каскада и для установки электрического нуля усилителя в целом. Все указанные средства уменьшения дрейфа нуля используются в усилителе измери­ тельного устройства HLA111.

Чрезвычайно важной конструктивной мерой для уменьшения дрейфа нуля является совместное размещение тщательно подо­ бранной пары транзисторов в общий медный или алюминиевый корпус (пассивный термостат). Это делается не с целью отвода тепла, а для того чтобы по возможности обеспечить одинаковую температуру обоих транзисторов. Так, уже при разнице темпера­

с его корпусом, корпуса транзисторов следует изолировать от корпуса пассивного термостата. Кожух из пенопласта, которым накрывается транзисторный блок, служит для защиты послед­ него от влияния окружающего воздуха. Заметим, что приведен­ ный ко входу дрейф напряжения нулевого уровня отрицательной обратной связью не устраняется. Вследствие изменения усиле­ ния меняется, естественно, и величина дрейфа выходного на­ пряжения усилителя. Для уменьшения влияния питающего напряжения на дрейф нулевого уровня питание усилителя осуществляют электронно-стабилизированными напряжениями

(2 X 12 В).