В классической реализации схемы деления напряжения пополам используются два резистора с одинаковыми номиналами. Резисторы с допуском 1% обеспечивают точность выходного напряжения делителя 2%. Для большинства приложений такая точность является более чем достаточной, а цена решения низкой. Однако, когда необходима максимальная точность, этот подход требует соответствующих точных резисторов и может стать дорогостоящим. Добавление обратной связи вокруг инструментального усилителя с конечным коэффициентом усиления дает схему деления на 2 с дополнительным преимуществом буферизованного выхода (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Простая схема деления на 2 на основе инструментального усилителя.

Работа схемы проста. Измерительный усилитель имеет единичное усиление, поэтому напряжение между его входами равно напряжению между V_REF и V_OUT:

V_OUT – V_REF = V_IN(+) – V_IN(–).

Но, рассматривая схему на Рисунке 1, можно увидеть, что V_OUT = V_IN(–) и V_REF = 0. Подставляя это в предыдущую формулу, получаем

V_OUT = V_IN(+) – V_OUT,

2V_OUT = V_IN(+),

или

V_OUT =1/2 V_IN(+).

Таким образом, мы имеем схему деления на 2. Одна из интересных особенностей этого решения состоит в том, что входное и выходное напряжения смещения инструментального усилителя также делятся на 2.

Можно собрать макет схемы, используя инструментальные усилители LT1167 или LTC2053 (Рисунок 2). Хотя в тестах нет необходимости, можно ввести RC-цепочку в петлю обратной связи, чтобы ограничить шум и гарантировать поведение доминирующего полюса. Для проверки смещения микросхемы LT1167 подайте 0 В на вход V_IN(+), а напряжение на входе V_IN(–) чередуйте между 0 В и V_OUT. Этот тест подтверждает, что обратная связь уменьшает общее напряжение смещения вдвое. При делении 10 В до 5 В микросхема LT1167 дает ошибку 100 мкВ. При делении 2.5 В до 1.25 В с помощью более точной микросхемы LTC2053 ошибка уменьшается до почти неизмеряемого значения 2.5 мкВ. Используя охлаждающий спрей и фен, можно увеличить эту ошибку до 15 мкВ. Однако, возможно, не меньший интерес представляют результаты, рассчитанные для наихудшего случая.

Рисунок 2.	Практическая реализация схемы на Рисунке 1, использующая микросхемы LT1167 (а) и LTC2053 (б).

Расчеты для наихудшего случая показывают, что в диапазоне температур от 0 до 70 °C при входном напряжении 10 В и выходном напряжении 5 В максимальная ошибка, вносимая микросхемой LT1167, составляет 1.22 мВ. Этому числу соответствует общая температурная ошибка 224 ppm. Чтобы гарантировать такую точность, уход номинала каждого резистора в диапазоне температур не должен превышать 112 ppm. В случае использовании резистивного делителя потребовалась бы точность начального согласования их сопротивлений порядка 50 ppm при температурных коэффициентах лучше 1 ppm/°C.

Расчеты для наихудших условий работы микросхемы LTC2053 при входном напряжении 2.5 В и выходном напряжении 1.25 В дают максимальную ошибку 80 мкВ в диапазоне температур от 0 до 70 °C. Этому числу соответствует общая температурная ошибка 64 ppm. Резисторы, которые гарантировали бы такую ошибку, должны в диапазоне температур иметь максимальное отклонение сопротивления 32 ppm. Потребовалось бы начальное согласование сопротивлений примерно 15 ppm (0.0015%) и согласование температурных коэффициентов лучше 0.25 ppm/°C. В любом случае резисторы такого класса были бы чрезвычайно дорогими, если бы вообще были доступны. Кроме того, усилители обеспечивают дополнительные преимущества в виде высокого входного сопротивления и буферизованного выходного напряжения. Более того, в расчетах ошибок учитывалось влияние входного напряжения смещения, тока смещения, ошибки усиления и коэффициента подавления синфазного сигнала, которые все равно добавил бы операционный усилитель в схеме с резистивным делителем.

1. Datasheet Analog Devices LT1167
2. Datasheet Analog Devices LTC2053