計装用増幅器の理解と設計
計装用増幅器とは?
計装用増幅器(インストルメンテーションアンプ)は、従来の差動増幅器が複数の抵抗変更を必要とするのに対し、わずか1つの抵抗を変更するだけで回路の利得を微調整できるようにします。差動増幅器の基盤の上に、この利便性を解き放つ単一の可変抵抗を追加した構成です。

回路の動作原理
この設計は、バッファされた差動段と、2つのバッファ段を接続する3つの追加抵抗を組み合わせます。すべての抵抗はR_gainを除いて等しい値です。
左上のOp-Ampの負帰還により、点1(R_gainの上端)の電圧がV_1に一致し、下側のOp-Ampにより点2(R_gainの下端)がV_2に固定されます。これによりR_gain両端にV_1とV_2の差に等しい電圧降下が生じます。Op-Ampの入力電流は無視できるため、R_gainに隣接する2つの抵抗には同じ電流が流れ、点3と4の間の電圧降下は以下のように与えられます:

右側の標準的な差動増幅器がこの降下を利得1で増幅します(周囲の抵抗が等しい場合)。
なぜ計装用増幅器を使うのか?
レイアウトは複雑に見えますが、この構成には2つの主要な利点があります:
V_1とV_2で極めて高い入力インピーダンス。それぞれが自分のOp-Ampの非反転入力に直接接続されるため。R_gainによるシンプルな単一抵抗利得調整。
代数を整理すると、全体の電圧利得式は:

実際には、R_gainのみを変更すれば差動利得を変更できます。他の抵抗を調整しても利得は変えられますが、回路を対称に保つためには完全にバランスの取れた変更が必要です。R_gainを無限大(開放)に設定すると、最小利得の1になります。
重要なポイント
- 計装用増幅器は高入力インピーダンスと単一抵抗による容易な利得制御を提供し、精密測定回路に最適です。
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