Схема дифференциального усилителя на оу: Дифференциальный усилитель на ОУ с однополярным питанием – включение

Операционный усилители в линейных схемах. Часть 3

Всем доброго времени суток. Сегодня публикую третью часть статьи о применении операционных усилителей в линейных цепях. В предыдущих частях я рассказал о инвертирующих и неинвертирующих схемах на основе ОУ. Данная статья будет посвящена дифференциальным или разностным усилителям, которые составляют основу измерительных усилителей.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Дифференциальный усилитель

В одной из статей я рассказывал о дифференциальных усилителях, выполненных на транзисторах. Одной из особенностей таких усилителей является усиление разности сигналов поступающих на входы дифференциального усилителя. Данная особенность позволяет усиливать слабые сигналы, которые замаскированы более сильными сигналами, а также позволяет значительно уменьшить уровень шумов усилительных приборов.

Кроме транзисторных дифференциальных усилителей существует большой класс дифференциальных усилителей выполненных на ОУ. Схема простейшего дифференциального усилителя на ОУ представлена ниже

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.

Данная схема имеет довольно простое устройство и состоит из ОУ DA1 и четырёх резисторов R1, R2, R3 и R4. ОУ DA1 охвачен обратной связью через резисторы R3, R4, а через резисторы R1, R2 поступает входные сигналы.

Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход U_BX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно

в случае, если заземлить вход U_BX1, а сигнал будет поступать на U_BX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит

Если входные сигналы будут поступать на оба входа U_BX1 и U_BX2, то выходное напряжение будет иметь вид

Не трудно заметить, что если оптимизировать схему, чтобы выполнялось следующее соотношение

То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений

Поэтому данный усилитель и назвали дифференциальным, то есть разностным усилителем.

Параметры дифференциального усилителя

Как известно из предыдущей статьи дифференциальный усилитель имеет ряд специфических параметров:

• дифференциальный коэффициент усиления
  
  
  
• коэффициент усиления синфазного сигнала, который возникает из-за несогласованности резисторов
  
  
  
• коэффициент усиления синфазного сигнала, который обусловлен значением коэффициента ослабления синфазного сигнала операционного усилителя (К_ОСС.ОУ)
  
  
  

Тогда общий К_ОСС всей схемы будет иметь вид

Входное сопротивление дифференциального усилителя состоит из суммы сопротивлений по двум входным каналам. Для входа U_BX1, составит

Для входа U_BX2, входное сопротивление составит

Выходное сопротивление дифференциального усилителя рассчитывается так же как и выходные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителя

где R_{BbIX. ОУ} – выходное сопротивление ОУ,

К_ОУ – коэффициент усиления ОУ.

Таким образом, простейший дифференциальный усилитель на ОУ имеет очень простое схемное решение однако и его параметры, в частности, входное сопротивление, очень мало (порядка единиц – десятков кОм), поэтому данная схема находит применение в схемах где точность и влияние выходного сопротивления не играют большой роли. Большее распространение получили дифференциальные усилители, состоящие из нескольких ОУ, которые за свои высокие параметры называют

инструментальными или измерительные усилители.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Основными недостатками вышеописанной схемы дифференциального усилителя являются низкое сопротивление и возникновение трудности изменить коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлений должно быть достаточно точно согласовано.

Первый недостаток связан с тем, что входным сопротивлением дифференциального усилителя являются по сути сопротивления резисторов R1 и R2, которые имеют величину от единиц до десятков кОм. При увеличении величин этих сопротивлений приходится увеличивать сопротивления R3 и R4, что приводит к уменьшению полосы пропускания усилителя и появлению дополнительных шумов. Решением данной проблемы является изолирование и развязка входов дифференциального усилителя при помощи двух повторителей напряжения по схеме неивертирующего усилителя. Схема такого дифференциального усилителя представлена ниже

Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ.

Схема состоит из двух операционных усилителей включённых по схеме повторителя напряжения, входное сопротивление которых очень велико (десятки-сотни МОм), поэтому сопротивление источника сигнала практически не влияет на входное напряжение. На нагрузке R_H итоговое напряжение будет зависеть от разности входных напряжений

Особенностью данной схемы является то, что она имеет дифференциальный выход, то есть сопротивление нагрузки подключается только к выходам операционных усилителей DA1 и DA2

Для решения, проблемы упрощения регулирования коэффициента усиления дифференциального усилителя, может быть применена схема состоящая, как и предыдущая из двух повторителей напряжения с включением на дифференциальном выходе, параллельно сопротивлению нагрузки, дополнительно трёх последовательных резисторов. Данная схема изображена ниже

Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Данная схема состоит из двух ОУ DA1 и DA2, включённых по схеме повторителя напряжения и резисторов R1, R2 и R3, причём R1 = R3 = R.

Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями U_BX1 и U_BX1.

Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит

Так как резисторы R1, R2 и R3 включены последовательно, то такой же ток протекает и через резисторы R1 и R3. Тогда, с учётом того что R1 = R3 = R, выходное напряжение на сопротивлении нагрузки составит

Легко заметить, что выходное напряжение зависит от отношения сопротивлений R1, R2 и R3, поэтому изменяя величину сопротивления резистора R2 можно изменять величину выходного напряжения, а, следовательно, и коэффициент усиления схемы. Приняв отношение сопротивлений R и R2, за некоторый коэффициент пропорциональности можно несколько упростить выражение для выходного напряжения

Вышеописанные дифференциальные усилители имеют один недостаток: работа усилителя возможна только на незаземлённую (плавающую) нагрузку, то есть нагрузка не должна быть соединена с землёй. Для устранения данного недостатка необходимо на выход схемы добавить усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Таким усилителем является простейший дифференциальный усилитель, рассмотренный вначале статьи. Получившаяся схема носит название измерительного или инструментального усилителя.

Измерительный усилитель

Измерительный или инструментальный усилитель находит широкое применение в измерительных схемах и устройствах благодаря тому, что имеют коэффициент усиления, не зависящий от внешних факторов (частоты сигнала, амплитуды, сопротивления нагрузки и т.д.). Кроме того, измерительный усилитель обладает высоким входным сопротивлением (десятки и сотни МОм) и низким выходным сопротивлением (единицы и десятки Ом). Схема измерительного усилителя представлена ниже

Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ.

Измерительный усилитель состоит из трёх операционных усилителей DA1, DA2, DA3 и резисторов обвязки R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7. Данный тип усилителя функционально состоит из двух узлов: буферного каскада на двух повторителях напряжения DA1, DA2 и дифференциального усилителя DA3. В данной схеме резисторы R4, R5, R6 и R7 выбирают одинакового сопротивления для того, чтобы коэффициент усиления выходного дифференциального усилителя был равен единице. Таким образом, при условии равенства сопротивлений резисторов R1 и R3 регулировка коэффициента усиления измерительного усилителя будет осуществляться с помощью резистора R2. В общем же случае коэффициент усиления данной схемы будет определяться следующим выражением

Довольно часто резистор R6 состоит из двух: постоянного и переменного резистора, что очень удобно для более точного согласования резисторов обвязки дифференциального усилителя DA3.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Калейдоскоп схем на операционных усилителях . Искусство схемотехники. Том 1 [Изд.4-е]

Мы предоставляем читателю право самостоятельно проанализировать работу приведенных ниже схем.

4.09. Линейные схемы

Схема с инвертированием по выбору. Схемы, представленные на рис. 4.14, позволяют инвертировать входной сигнал или пропускать его без инвертирования в зависимости от положения переключателя. Положение переключателя определяет также коэффициент усиления по напряжению — он может быть равен или +1, или —1.

Рис. 4.14.

_{Упражнение 4.5. Покажите, что схемы, представленные на рис. 4.14, работают так, как сказано выше.}

Повторитель со следящей связью. В транзисторных усилителях на величину входного импеданса могут влиять цепи смещения; такая же проблема возникает при использовании ОУ, особенно с межкаскадными связями по переменному току, когда ко входу обязательно должен быть подключен заземленный резистор. Схема со следящей связью, представленная на рис. 4.15, позволяет решить эту проблему. Как и в транзисторной схеме со следящей связью (разд. 2.17), конденсатор емкостью 0,1 мкФ вместе с верхним резистором с сопротивлением 1 МОм образует для входных сигналов высокоомную входную цепь. Низкочастотный спад усиления для этой схемы начинается на частоте 10 Гц, на более низких частотах на спаде усиления начинает сказываться влияние обоих конденсаторов и ослабление оценивается величиной 12 дБ/октава.

Замечание: у вас может появиться искушение уменьшить величину входного конденсатора связи, так как его нагрузка привязана к высокому импедансу. Однако, это может привести к появлению пика в частотной характеристике, как в характеристике схемы активного фильтра (см.

разд. 5.06).

Рис. 4.15.

Идеальный преобразователь тока в напряжение. Напомним, что простейший преобразователь тока в напряжение — это всего-навсего резистор. Однако у него есть недостаток, который состоит в том, что для источника входного сигнала входное сопротивление такого преобразователя не равно нулю; этот недостаток может оказаться очень серьезным, если устройство, обеспечивающее входной ток, имеет очень малый выходной рабочий диапазон или не может обеспечить постоянство тока при изменении выходного напряжения.

Примером может служить диодный фотоэлемент (фотодиод), или солнечная батарея. Небольшой светочувствительностью обладают даже обычные диоды в прозрачных корпусах, которые используются почти в любой схеме (известно немало историй о загадочном поведении схем, которое в конце концов было объяснено этим эффектом). На рис. 4.16 представлена хорошая схема для преобразования тока в напряжение, в которой потенциал входа поддерживается строго равным потенциалу земли. Инвертирующий вход имеет квазинуль потенциала; это очень хорошо, так как фотодиод может создавать потенциал, равный всего нескольким десятым долям вольта. Представленная схема обеспечивает преобразование тока в напряжение в отношении 1 В на 1 мкА входного тока.

(В ОУ с биполярными плоскостными транзисторами на входах иногда между неинвертирующим входом и землей включают резистор; его функции мы определим, когда будем обсуждать недостатки операционных усилителей).

Рис. 4.16.

Безусловно, этот преобразователь тока в напряжение можно с таким же успехом использовать с элементами, через которые протекает ток при наличии положительного напряжения возбуждения, например U_KK. В такую схему часто включают фотоумножители и фототранзисторы (оба элемента под воздействием света начинают потреблять ток от положительного источника питания (рис. 4.17).

Рис. 4.17.

 _{Упражнение 4.4. Используя ОУ типа 411 и измерительный прибор на 1 мА (полный размах шкалы), разработайте схему «идеального» измерителя тока (т. е. с нулевым входным импедансом) с полным размахом шкалы, рассчитанным на 5 мА. Разработайте схему так, чтобы входной сигнал никогда не превышал +150 % полного размаха шкалы. Предположите, что диапазон выходного сигнала для ОУ типа 411 составляет +13 В (источники питания +15 В), а внутреннее сопротивление измерительного прибора равно 500 Ом.}

Дифференциальный усилитель. На рис. 4.18 представлена схема дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого равен R₂/R₁. В этой схеме, как и в схеме источника тока с согласованными резисторами, для получения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого лучше всего при первом удобном случае создать запас резисторов с сопротивлением 100 кОм и точностью 0,01 %.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен единице, но этот недостаток легко устранить за счет последующих усилительных каскадов (с несимметричным входом). Более подробно дифференциальные усилители рассмотрены в гл.

7.

Рис. 4.18. Классический дифференциальный усилитель.

Суммирующий усилитель. Схема, показанная на рис. 4.19, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка X имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен U₁/R + U₂/R + U₃/R, отсюда U_вых = — (U₁ + U₂ + U₃). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми; если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа, на каждом из которых напряжение равно +1 В или 0 В; входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8. Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2,5 и 1,25 кОм, то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входе.

Эту схему нетрудно расширить до нескольких цифр. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифро-аналогового преобразования, правда, на входе преобразователя обычно используют другую схему (резистивную сетку R — 2R).

Рис. 4.19.

_{Упражнение 4.5. Постройте схему цифро-аналогового преобразователя на две десятичные цифры, подобрав соответствующим образом входные резисторы для суммирующего усилителя. Цифровой вход должен представлять собой две цифры; каждый вход должен состоять из четырех шин, соответствующих значениям 1, 2, 4 и 8, из которых формируется десятичная цифра. Потенциал входной шины может быть равен потенциалу земли или +1 В, т. е. восемь входных шин соответствуют числам 1, 2, 4, 8, 10, 20, 40 и 80. В связи с тем, что диапазон выходного сигнала ограничен значениями ± 13 В, нужно сделать так, чтобы выходное напряжение (в вольтах) составляло одну десятую часть числа на входе.}

Предусилитель для электромагнитного звукоснимателя. Предусилитель для звукоснимателя по стандарту RIAA представляет собой пример усилителя с частотной характеристикой особого вида. При записи звука на пластинку амплитудная характеристика имеет почти плоский вид; с другой стороны, электромагнитный звукосниматель реагирует на скорость движения иглы в бороздке диска, следовательно, усилитель воспроизведения должен иметь подъем частотной характеристики на низких частотах. Такую характеристику обеспечивает схема, показанная на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Операционный усилитель в схеме предусилителя звуковых частот для электрофонов с электромагнитной головкой и коррекцией частотной характеристики по стандарту RIAA.

График представляет собой частотную характеристику усилителя воспроизведения (построенную относительно значения коэффициента усиления 0 дБ при частоте 1 кГц), точки перегиба графика отмечены в единицах времени. Заземленный конденсатор емкостью 47 мкФ уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до единицы, в противном случае он был бы равен 1000; как упоминалось выше, это делается для того, чтобы устранить усиление входного сдвига по постоянному току. Использованная в примере интегральная схема типа LM833 представляет собой сдвоенный ОУ, предназначенный, для использования в звуковом диапазоне («золотой» для данного примера является схема типа LM1028, которая в 13 дБ раз тише ив 10 дБ раз дороже, чем схема типа 833!).

Усилитель мощности (бустер). Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить мощный транзисторный повторитель (рис. 4.21).

Рис. 4.21.

В примере использован неинвертирующий усилитель, но повторитель можно подключать к любому операционному усилителю. Обратите внимание, что сигнал обратной связи снимается с эмиттера; следовательно, обратная связь определяет нужное выходное напряжение независимо от падения напряжения U_БЭ. При использовании этой схемы возникает обычная проблема, связанная с тем, что повторитель может только отдавать ток (для n-р-n-транзистора). Как и в случае транзисторного повторителя, проблема решается применением двухтактного варианта схемы (рис. 4.22).

Рис. 4.22.

В дальнейшем мы покажем, что ограниченная скорость, с которой может изменяться напряжение на выходе (скорость нарастания), накладывает серьезные ограничения на быстродействие усилителя в переходной области и вызывает переходные искажения. Если усилитель будет использоваться в системе с малым быстродействием, то смещать двухтактную пару в состоянии покоя не нужно, так как переходные искажения будут в основном устранены за счет обратной связи. Промышленность выпускает несколько типов интегральных схем усилителей мощности для операционных усилителей, например LT1010, ОРАб33 и 3553. Эти двухтактные усилители с единичным коэффициентом усиления работают на частотах до 100 МГц и выше, их выходной ток равен 200 мА. Их смело можно охватывать петлей обратной связи (см. табл. 7.4).

Источник питания. Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью (рис. 4.23).

Рис. 4.23.

Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного транзистора». Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10 В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:

1. Делитель, с которого снимается выходное напряжение, может быть выполнен в виде потенциометра, тогда выходное напряжение можно будет регулировать.

2. Для ослабления пульсаций на зенеровском диоде (стабилитроне) резистор с сопротивлением 10 кОм полезно заменить источником тока. Другой вариант состоит в том, чтобы смещение зенеровского диода задавать от выходного сигнала; в этом случае вы с пользой применяете стабилизатор, который построили. Замечание: если вы захотите воспользоваться этим трюком, то внимательно проанализируйте вашу схему и убедитесь в том, что она запускается, когда на нее подается питание.

3. Схема, подобная рассмотренной, может быть повреждена при возникновении короткого замыкания на выходе. Это связано с тем, что при этом ОУ стремится обеспечить протекание через составной транзистор очень большого тока. В стабилизированном источнике питания всегда следует предусматривать схему для ограничения «аварийного» тока (более подробно вы познакомитесь с этим вопросом в разд. 6.05).

4. Промышленность выпускает разнообразные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении, начиная от освященных временем интегральных схем типа 723 до недавно появившихся 3-выводных регулируемых стабилизаторов с внутренними средствами ограничения тока и ограничения по перегреву (см. табл. 6.8–6.10). Эти устройства, в которых имеются встроенные температурно-компенсированный источник эталонного напряжения и проходной транзистор, так удобны в работе, что операционные усилители общего назначения теперь почти никогда не используются в стабилизаторах напряжения. Исключением являются случаи, когда стабильное напряжение нужно сформировать внутри схемы, уже имеющей стабилизированный источник напряжения.

В гл. 6 мы подробно поговорим о стабилизаторах напряжения и источниках питания и рассмотрим специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве стабилизаторов напряжения.

4.10. Нелинейные схемы

Усилитель с переключением мощности. В тех случаях, когда нагрузка может переключаться, т. е. может быть либо подключена, либо отключена, к операционному усилителю можно подключить транзистор, который работает как переключатель. На рис. 4.24 показано, как это можно сделать.

Рис. 4.24.

Обратите внимание на диод, который предотвращает пробой перехода база-эмиттер (на выходе ОУ легко может возникнуть отрицательное напряжение, превышающее —5 В). Для некритичных условий подойдет мощный транзистор типа 2Ν3055. Если ток в схеме может превышать 1 А, то рекомендуем использовать составной транзистор Дарлингтона (или мощный полевой МОП-транзистор).

Активный выпрямитель. Если амплитуда сигналов меньше, чем падение напряжения на диоде, то выпрямлять такие сигналы с помощью диодно-резистивной схемы нельзя. Как правило, для выпрямления таких сигналов прибегают к помощи ОУ и помещают диод в цепь обратной связи (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Простейший активный выпрямитель.

Для положительного напряжения U_вх диод обеспечивает отрицательную обратную связь; выходной сигнал за счет диода повторяет сигнал на входе, причем исключается влияние падения напряжения U_БЭ. При отрицательном напряжении U_вх операционный усилитель переходит в режим насыщения и напряжение U_вых становится равным потенциалу земли. Для получения меньшего выходного импеданса (при нуле на выходе) можно взять резистор R с меньшим сопротивлением, но это ведет к увеличению выходного тока операционного усилителя. Лучше всего использовать на выходе схемы повторитель на ОУ так, как показано на рис. 4.25, при этом выходное сопротивление будет очень небольшим независимо от величины сопротивления R.

Представленная схема обладает недостатком, который сказывается при работе с быстро изменяющимися сигналами. Выходной сигнал операционного усилителя не может изменяться бесконечно быстро, в связи с этим восстановление при переходе из режима насыщения в активный режим (выходной сигнал проходит через нуль в направлении снизу вверх) занимает некоторое время, в течение которого состояние выхода является неправильным. Это явление иллюстрируется графиком на рис. 4.26.

Рис. 4.26. Проявление эффекта конечной скорости нарастания в простейшем активном выпрямителе.

Выходной сигнал (жирная линия) в точности представляет собой выпрямленный входной сигнал (тонкая линия), за исключением короткого интервала времени после увеличения входного напряжения относительно 0 В. На этом интервале операционный усилитель стремительно выходит из режима насыщения, при котором напряжение на его выходе было равно — U_ЭЭ, поэтому напряжение на выходе схемы равно потенциалу земли. Для операционного усилителя общего назначения типа 411 скорость нарастания (максимальная скорость изменения выходного сигнала) составляет 15 В/мкс; следовательно, восстановление при переходе из режима насыщения в активный режим занимает приблизительно 1 мкс — это может привести к серьезным выходным ошибкам для быстрых сигналов.

Положение дел можно исправить, если воспользоваться модификацией рассмотренной схемы (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Улучшенный активный выпрямитель.

Благодаря диоду Д₁ с отрицательными входными сигналами схема работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Для положительных входных сигналов диод Д₂ ограничивает выходное напряжение первого ОУ по уровню, который ниже потенциала земли на величину падения напряжения на диоде, и так как диод Д₁ смещен в обратном направлении, то U_вых равно потенциалу земли. Эта схема дает лучший результат, так как при переходе входного сигнала через нуль напряжение на выходе изменяется всего лишь на удвоенную величину падения напряжения на диоде. В связи с тем что напряжение на выходе операционного усилителя должно измениться только на 1,2 В, вместо того чтобы изменяться на величину U_ЭЭ, динамическая ошибка при переходе через нуль уменьшается более чем в 10 раз. Кстати говоря, этот выпрямитель является инвертирующим. Если же выходной сигнал должен быть неинвертированным, то к выходу нужно подключить инвертор с единичным коэффициентом усиления.

Характеристики приведенных здесь схем будут лучше, если использовать в них операционные усилители с большой скоростью нарастания. Скорость нарастания влияет на характеристики простых усилителей напряжения. Здесь стоит остановиться и рассмотреть, чем реальные ОУ отличаются от идеальных, так как это различие влияет, как мы уже упоминали выше, на разработку схем с операционными усилителями. Если вы будете знать, в чем состоят недостатки операционных усилителей и как они влияют на разработку схем и на их характеристики, то это поможет вам правильно выбирать ОУ и эффективно разрабатывать схемы на их основе.

Что такое дифференциальный усилитель?

Изменено: 9 февраля 2021 г.

Статьи категории

Содержание

Что такое дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель является одной из важных схем в аналоговых системах и схемах. Это электронный усилитель, который имеет два входа и усиливает разность напряжений между этими входами. В основном существует два типа дифференциальных усилителей; те, которые сделаны с использованием операционных усилителей, и те, которые сделаны с использованием транзисторов (BJT или FET). Среди них обычно используемый дифференциальный усилитель — это усилитель, сделанный с использованием операционных усилителей, потому что они соответствующим образом сконфигурированы, чтобы получить очень практичный дифференциальный усилитель.

Работа дифференциального усилителя

В дифференциальном усилителе, изготовленном с использованием биполярных транзисторов, входные сигналы (V1 и V2) подаются на базовые клеммы транзисторов, а выходные сигналы собираются с коллекторных клемм транзисторов.

Дифференциальный усилитель, построенный с использованием BJT

Рассматривая дифференциальный усилитель, построенный с использованием BJT, если входное напряжение V1 на транзисторе Q1 является синусоидальным, то по мере увеличения V1 транзистор Q1 начинает проводить, что приводит к большому току коллектора в Q1, увеличивая напряжение падение на Rc1, вызывающее уменьшение выходного напряжения V01. Из-за того же эффекта увеличивается даже IE1, что увеличивает ток с общим эмиттером (IE1), что приводит к увеличению падения напряжения на эмиттерном резисторе (RE).

Таким образом, это показывает, что эмиттерные выводы двух транзисторов Q1 и Q2 перемещаются к положительному, что, в свою очередь, указывает на более отрицательный вывод базы транзистора Q2. Описанный выше процесс приводит к уменьшению тока коллектора (IC2) в транзисторе Q2, что уменьшает падение напряжения на оконечном резисторе коллектора (RC2) транзистора Q2 и увеличивает выходное напряжение. Следовательно, данное свидетельство подтверждает вывод о том, что колебания входного синусоидального сигнала транзистора Q2 отражаются так же через коллектор транзистора и проявляются с разностью фаз 180 градусов через коллектор транзистора Q1. Процедуру дифференциального усиления можно понять, наблюдая за выходами коллекторов двух транзисторов Q1 и Q2. Существуют в основном четыре конфигурации дифференциальных усилителей. Они следующие;

1. Несимметричный выход с одним входом
2. Балансный выход с одним входом
3. Несимметричный выход с двумя входами
4. Балансный выход с двумя входами

1. Несимметричный выход с одним входом 2. Балансный выход с одним входом 3. Несимметричный выход с двумя входами 4. Балансный выход с двумя входами

Дифференциальный усилитель с операционным усилителем представляет собой комбинацию инвертирующих и неинвертирующих усилителей. Когда неинвертирующая клемма подключена к земле, схема работает как инвертирующий усилитель, тогда сигнал входного напряжения V1 усиливается коэффициентом усиления -(Rf/R1). Когда входной терминал подключен к земле, схемы работают как неинвертирующий усилитель.

Дифференциальный усилитель, построенный с использованием операционного усилителя

Входное напряжение V2 потенциально делится между резисторами R2 и R3, чтобы получить VR3, а затем VR3 усиливается (Rf+R1)/R1.

При V2 = 0,

При V1 = 0,

Если входные сопротивления R1 = R2 и Rf = R3, то V02 = [Rf/R1] * V2

При обоих входных сигналах V1 и V2 присутствуют, выходное напряжение равно,

V0 = V02 + V01 = -V1 * (Rf + R1) / R1 + (Rf / R1) * V2

V0 = -(Rf / Rf) * [V1 – V2]

Дифференциальное усиление (AD) – это усиление, полученное в выходном сигнале по отношению к разности входного сигнала (V1 – V2). Таким образом, мы можем заключить, что коэффициент усиления (AD) схемы дифференциального усилителя, выполненной с использованием операционного усилителя, равен -(Rf/R1).

Коэффициент усиления дифференциального усилителя

Выход идеального дифференциального усилителя обозначается следующим образом:

V0 = AD * [(VIN+) – (VIN-)]

Где AD — коэффициент усиления дифференциального усилителя, а VIN+ и -VIN- равны входные напряжения.

Но в практических условиях дифференциальное усиление обозначается следующим образом:

V0 = AD * [(VIN+) – (VIN-)] + AC * [(VIN+) + (VIN-)]/2

Где AC синфазное усиление усилителя.

Входное сопротивление

Проблема, возникающая при выборе резисторов разностного усилителя как R1 = R2 и Rf = R3, заключается в том, что входные сопротивления инвертирующего усилителя и неинвертирующего усилителя не равны.

Эта разница входных сопротивлений приводит к тому, что один из входных сигналов усиливается сильнее, чем другой. Выходное уравнение дифференциального усилителя V0 можно получить, сделав отношение R3/R2 таким же, как Rf/R1, вместо R1 = R2 и Rf = R3.

Если сопротивления источника сигнала меньше входных сопротивлений, разница входных сопротивлений не вызовет серьезных проблем. Также обычно желательно иметь R1 = R2 и Rf = R3, что уменьшит входные напряжения смещения.

Синфазный вход

Дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя входными напряжениями. Следовательно, в идеальных условиях синфазный вход VCM будет компенсирован, поскольку входные напряжения равны (V1 + VCM) и (V2 + VCM).

В практических условиях выход зависит от соотношения входных сопротивлений. Когда эти отношения резисторов не равны, одно входное напряжение усиливается на значительную величину, чем другое входное напряжение. Следовательно, синфазное напряжение VCM не будет полностью отменено. Поскольку идеально согласовать соотношения резисторов практически сложно, наличие синфазного выходного напряжения неизбежно в практических сценариях.

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)

Коэффициент подавления синфазного сигнала — это способность дифференциального усилителя подавлять входные сигналы синфазного сигнала. Математически это можно выразить как отношение коэффициента усиления по дифференциальному напряжению дифференциального усилителя к коэффициенту его синфазного сигнала.

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) = | АД / АС |

При рассмотрении идеального усилителя коэффициент усиления по синфазному напряжению дифференциального усилителя равен нулю, а CMRR бесконечен. Но в реальных имплантациях это не так и имеет конечное значение.

Характеристики дифференциального усилителя

Дифференциальные входные сигналы приводят к изменениям выходных токов и напряжений, тогда как синфазный входной сигнал не приводит к каким-либо изменениям выходного тока/напряжения. Вышеупомянутые характеристики дифференциальной пары показаны на диаграмме ниже.

Входные-выходные характеристики дифференциального усилителя

Уравнение дифференциального усилителя

В соответствии с приведенной выше диаграммой уравнение дифференциального усилителя может быть выражено следующим образом:

V0 = -(R3 / R1) * [V1 – V2]

Если все резисторы имеют одинаковые номиналы резисторов, схема станет дифференциальным усилителем с единичным коэффициентом усиления. Тогда коэффициент усиления по напряжению будет ровно единице или единице. Таким образом, выражение выходного напряжения будет следующим:

V0 = -[V1 – V2]

Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители используются в схемах, которые поддерживают последовательную отрицательную обратную связь, тогда как один вход используется для обратной связи, а другой для входной сигнал. Другое общее применение дифференциального усилителя — его можно использовать в качестве схемы регулировки громкости. Мы можем наблюдать эти схемы в основном в контроллерах двигателей или сервоприводов, а также в приложениях для усиления сигналов.

Полностью дифференциальный усилитель

Полностью дифференциальный усилитель, также известный как FDA, представляет собой электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления и связью по постоянному току, имеющий дифференциальные входы и дифференциальные выходы. При обычном использовании выход полностью дифференциального усилителя управляется двумя цепями обратной связи, которые, поскольку коэффициент усиления усилителя равен коэффициенту усиления, почти полностью определяют выходное напряжение для любого заданного входа.

Полностью дифференциальный усилитель

Полностью дифференциальные усилители имеют специальное применение как часть интегральной схемы со смешанными сигналами, поскольку они могут подавлять синфазные помехи, такие как помехи источника питания.

Полностью дифференциальный усилитель используется во многих современных высокоточных аналого-цифровых преобразователях для преобразования аналогового сигнала в форму, более подходящую для подачи в аналого-цифровой преобразователь.

Реальные полностью дифференциальные усилители имеют ограничения, такие как несовершенства постоянного тока, несовершенства переменного тока, нелинейные несовершенства и соображения мощности.

Дифференциальный усилитель BJT

Как показано на схеме, V1 и V2 являются двумя входами, а V01 и V02 — выходами для дифференциального усилителя, построенного с использованием BJT. Эмиттеры двух транзисторов подключены к общему эмиттерному резистору RE, поэтому на два выхода влияет общий эмиттер VCC, а VEE подает напряжение на схему. Эта схема также безошибочно работает при однократном питании. Работа этого усилителя кратко описана в начале статьи.

Дифференциальный усилитель, построенный с использованием BJT

Несимметричный дифференциальный усилитель

Несимметричный дифференциальный усилитель

Несимметричные дифференциальные усилители могут быть изготовлены, когда выходное напряжение снимается с точки подключения C. Этот выходной сигнал в один раз меньше, чем выходной сигнал обычный дифференциальный усилитель. Когда происходит увеличение входных напряжений, на обоих концах напряжения коллектора уменьшаются, поэтому синфазный сигнал не может быть подавлен, когда сигнал закончился на выходе. Но увеличение сопротивления эмиттера увеличит отрицательную обратную связь с синфазными сигналами, а также подавление выходного сигнала.

Дифференциальный усилитель в качестве компаратора

Схема дифференциального усилителя также может использоваться в качестве схемы компаратора, поскольку ее можно настроить на сложение или вычитание входных напряжений путем соответствующего добавления дополнительных резисторов параллельно с входными резисторами. Дифференциальный усилитель с мостом Уитстона и дифференциальный усилитель, активируемый светом, являются одними из примеров этого.

Дифференциальный усилитель по мосту Уитстона

На приведенном ниже рисунке показана схема дифференциального усилителя по мосту Уитстона. Эта схема ведет себя как дифференциальный компаратор напряжения, как обсуждалось ранее.

Дифференциальный усилитель моста Уитстона

Схема дифференциального усилителя может обнаруживать высокие или низкие уровни температуры (или интенсивности света), поскольку выходное напряжение становится линейной функцией изменений в активной ветви сети резистивного моста, путем подключения одного входа к фиксированное напряжение и другой вход для термистора или светозависимого резистора.

Еще одно применение мостового дифференциального усилителя Уитстона — определение значений сопротивления неизвестных резисторов в резистивной гребенчатой ​​сети. Это можно сделать, сравнив входные напряжения на резисторах в резистивной гребенчатой ​​сети.

Дифференциальный усилитель, активируемый светом

Схема, которая действует как переключатель, зависящий от света, показана на схеме ниже. Схема включает или выключает выходное реле, когда интенсивность света, падающего на светочувствительный резистор, превышает или падает ниже заданного значения на неинвертирующем входе.

Напряжение на неинвертирующем выводе (V2) определяется переменным резистором VR1. Резисторы R1 и R2 действуют как делитель потенциала в подключенной сети. На инвертирующий вход (V1) через резисторы R1 и R2 подается фиксированное опорное напряжение.

Схема светозависимого выключателя может быть модифицирована для измерения изменений температуры путем простой замены светочувствительного резистора термистором. Поменяв местами светочувствительный резистор/термистор и резистор VR1, можно настроить схему для обнаружения темноты или света, а также тепла или холода.

Дифференциальный усилитель, активируемый светом

 

---

Дифференциальный усилитель – Задания для учащихся

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи с дифференциальным усилителем, посетите страницу этот раздел нашего сайта, где вы можете найти самые разнообразные электронные задачи.

---

 

Михал

Инженер электроники и телекоммуникаций с дипломом магистра электроэнергетики. Светодизайнер опытный инженер. В настоящее время работает в сфере IT.

Что такое дифференциальный усилитель? Определение и работа дифференциального усилителя

Определение : Дифференциальный усилитель — это устройство, которое используется для усиливают разность напряжений двух входных сигналов. Дифференциальный усилитель является важным строительным блоком в интегральных схемах аналоговой системы.

Обычно образует входных каскадов из операционных усилителей . Простыми словами можно сказать, что это устройство, которое усиливает разницу двух входных сигналов.

Давайте посмотрим на приведенную ниже схему, где операционный усилитель используется в качестве дифференциального усилителя:

Здесь усиливается разность напряжений, присутствующая на инвертирующем и неинвертирующем терминале, и, таким образом, получается усиленный выходной сигнал. Из-за конфигурации входа все операционные усилители считаются дифференциальными усилителями.

Когда два входа подаются на две клеммы, полученная в результате разность напряжений будет пропорциональна разности двух приложенных входных сигналов . Дифференциальный усилитель ведет себя как 9Схема вычитания 0017 , которая в основном вычитает два входных сигнала. Дифференциальный усилитель может быть построен с использованием биполярных транзисторов и полевых транзисторов .

Схема дифференциального усилителя

Как видно из схемы, используются два входа и два выхода. Здесь используются два отдельных транзистора Q ₁ и Q ₂ , чтобы подать отдельные входы на базу обоих транзисторов.

В идеале два отдельных транзистора обладают одинаковыми характеристиками. Резистор с общим эмиттером R _E , общее положительное питание V _CC и общее отрицательное питание V _EE используется обоими транзисторами.

Теперь нам приходит в голову, как мы можем подать сигналы на вход и получить выход.

В основном существует четыре конфигурации :

• Балансный выход с двумя входами. В этой конфигурации даны два входа, выход берется от обоих транзисторов.
• Несимметричный выход с двумя входами. Вход подается на оба транзистора, но выход берется с одного транзистора.
• Балансный выход с одним входом. Здесь, предоставляя один вход, мы получаем выход от двух отдельных транзисторов.
• Single Input Unbalance Output — это тип конфигурации, в которой на один вход подается выход, а выход берется только от одного транзистора.

Работа дифференциального усилителя

Рассмотрим Первый случай , где

Сигнал подается на базу транзистора Q ₁ , а на базу транзистора Q 9 не подается никакого сигнала.0211 2.

Здесь Q ₁ действует двояко: во-первых, как усилитель с общим эмиттером, подаваемый на вход Q ₁ даст усиленный инвертированный сигнал на выходе 1.

Во-вторых, как усилитель с общим коллектором, в котором сигнал появляется на эмиттере Q ₁ который находится в фазе с входом и немного меньше.

Итак, входной сигнал на базе Q ₁ управляет транзистором, т. е. Q ₁ включается положительным входным сигналом. Падение напряжения на R _C1 будет больше, в результате чего коллектор Q ₁ будет менее положительным.

Когда входной сигнал отрицательный, транзистор Q ₁ закроется, что приведет к меньшему падению напряжения на R _C1 , в результате чего коллектор Q ₁ станет более положительным.

Таким образом, инвертированный выход появляется на коллекторе Q ₁ при подаче сигнала на вход 1.0211 E увеличится, как мы знаем I _C ≈ I _E . Таким образом, падение напряжения на R _E будет больше, что заставит эмиттеры обоих транзисторов двигаться в положительном направлении.

Положительный эмиттер Q ₂ приведет к тому, что база Q ₂ станет отрицательной. Эта отрицательная половина вызовет меньший ток в Q ₂ . В результате падение напряжения на R _C2 также будет меньше, поэтому коллектор движется в положительном направлении.

Таким образом, у нас будет неинвертирующий выход на коллекторе Q ₂ для положительного входа на базе Q ₁ .

Теперь перейдем к нашему Второй случай —

Предположим, теперь сигнал подается на базу транзистора Q ₂ , а транзистор Q ₁ заземлен.

Таким образом, в этом случае рассмотренный выше случай поменяется местами, т. е. теперь Q ₂ будет вести себя как общий эмиттер и общий усилитель, а Q ₁ будет действовать как усилитель с общей базой.

Следовательно, на выходе Q ₁ будет получен инвертированный и усиленный выход, а на выходе Q ₂ будет неинвертированный усиленный выход.

Что такое синфазные сигналы?

В дифференциальном усилителе напряжение, генерируемое на выходе, пропорционально разности двух входных сигналов. Таким образом, когда два приложенных входных сигналов равны , т. е. нет разницы между двумя входными напряжениями, результирующее выходное напряжение будет 0 .

Но на практике, когда два одинаковых входа подаются на обе входные клеммы, выход не точно равен 0.

Выход в случае синфазного сигнала порядка нескольких 100 мкВ .

Важные ключевые термины

• Усиление по напряжению : Когда мы говорим об усилении в синфазном режиме

Здесь V _c — значение общего входа, подаваемого на обе входные клеммы, а Vo — выходной сигнал.

• CMMR : CMMR означает Коэффициент подавления синфазного сигнала , он задается как отношение усиления дифференциального режима к усилению синфазного сигнала.

В дБ,  

Для идеального усилителя CMMR должен быть практически бесконечным , но на практике это не так и имеет конечное значение.

Определяется как отношение полезного сигнала к нежелательному сигналу . больше CMMR лучше усилитель .

Дифференциальный усилитель обеспечивает превосходную стабильность смещения благодаря использованию тока смещения эмиттера.

Дифференциальный усилитель по мосту Уитстона

Дифференциальный усилитель также может быть дифференциальным компаратором напряжения, где он сравнивает один входной сигнал с другим.

Предположим, мы подключаем один вход к фиксированному эталонному напряжению, а другой к маломощному резистору или термистору. Мы можем обнаружить низкий или высокий уровень света.

Это так, потому что теперь выходное напряжение будет линейной функцией изменений в мостовой схеме.