Инструментални усилватели

Инструменталният усилвател (наричан още измервателен усилвател) е диференциален усилвател с характеристики, подходящи за измервателни цели: много малки стойности на дрейфа и на шума, много високи коефициенти на усилване и на подтискане на синфазен сигнал, много високо входно съпротивление.

Типичен пример за инструментален усилвател, произвеждан от Analog Devices във вид на интегрална схема, е AD620.

Характеристики на AD620:
  Захранване: от ±2.3 V до ±18 V
  Консумация: 1,3 mA.
  Усилване: от 1 до 10000 (задава се с един външен резистор)
  Шум: 0.28 µVp-p (от 0.1 Hz до 10 Hz)
  Честотна лента:
    120 kHz (при усилване 100)
    800 kHz (при усилване 10)
  Подтискане на синфазен сигнал: 100 dB

Класическа симетрична структурна схема на инструментален усилвател от три операционни усилвателя:

Съществува и схема на инструментален усилвател от два операционни усилвателя:

Коефициентът на подтискане на синфазен сигнал е толкова по-голям, колкото по-голямо е усилването на инструменталния усилвател.

Една от областите на приложение на инструменталните усилватели е медицинската електроника - устройства за електрокардиография, електроенцефалография, електромиография.

Проведох експерименти за наблюдение на биоелектрични сигнали от човешкото тяло с инструментален усилвател от два операционни усилвателя. Използвах два операционни усилвателя OP07CP и захранване ±3V от две литиеви батерии CR2450. Коефициентът на усилване по напрежение е 500 пъти.

Входовете на усилвателя са свързани с две никелирани метални пластинки, върху които човек допира по един пръст на лявата и дясната ръка. Това са сухи, нефиксирани електроди, които обикновено не се използват в медицината, поради нестабилността и високото преходно съпротивление, но са по-практични. Полученият биоелектричен сигнал от пръстите на ръцете има ниво от порядъка на 1mVp-p

Изходът на усилвателя е свързан към звуковия вход (Line In) на компютър.

Поради строгите изисквания за безопасност е напълно неприемливо да съществува галванична връзка със захранващата мрежа ~220V. Затова използвах лаптоп, работещ на батерия, към който е включен USB -аудио интерфейс и усилвателят е включен към неговия Line In вход. Полученият биоелектричен сигнал е смес от електрическите сигнали на мускулите на ръцете и кардиограмата.

Динамична спектрограма на биоелектричния сигнал между пръстите на лявата и дясната ръка:

Белите вертикални ленти в дясната част на спектрограмата са се появили, когато пръстите са били допрени до електродите и очевидно са породени от "кардиографския" сигнал.