В данной статье мы подробно поговорим про дифференциальный усилитель, опишем принцип его работы, а так же разберем дифференциальное уравнение усилителя и инструментальный усилитель.
Описание и принцип работы
До сих пор мы использовали только один из входов операционного усилителя для подключения к усилителю, используя либо «инвертирующий», либо «неинвертирующий» входной разъем для усиления одного входного сигнала, а другой вход был подключен к земле.
Но так как стандартный операционный усилитель имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, мы также можем одновременно подключать сигналы к обоим этим входам, создавая еще один общий тип схемы операционного усилителя, называемый дифференциальным усилителем.
По сути, как мы видели в первом уроке об операционных усилителях, все операционные усилители являются «дифференциальными усилителями» из-за их входной конфигурации. Но при подключении одного сигнала напряжения к одной входной клемме и другого сигнала напряжения к другой входной клемме результирующее выходное напряжение будет пропорционально «разности» между двумя сигналами входного напряжения V 1 и V 2 .
Затем дифференциальные усилители усиливают разницу между двумя напряжениями, делая схему операционного усилителя этого типа вычитателем, в отличие от суммирующего усилителя, который складывает или суммирует входные напряжения. Этот тип схемы операционного усилителя обычно известен как конфигурация дифференциального усилителя и показан ниже:
Подключая каждый вход по очереди к заземлению 0 В, мы можем использовать суперпозицию для определения выходного напряжения Vout . Тогда передаточная функция для схемы дифференциального усилителя имеет вид:
Когда резисторы R1 = R2 и R3 = R4, вышеуказанная передаточная функция для дифференциального усилителя может быть упрощена до следующего выражения:
Дифференциальное уравнение усилителя
Если все резисторы имеют одинаковое омическое значение, а именно: R1 = R2 = R3 = R4, то схема станет дифференциальным усилителем с единичным коэффициентом усиления, а коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен единице. Тогда выходным выражением будет просто Vout = V 2 — V 1 .
Также обратите внимание, что если вход V1 выше, чем вход V2, сумма выходного напряжения будет отрицательной, а если V2 выше, чем V1 , сумма выходного напряжения будет положительной.
Схема дифференциального усилителя является очень полезной схемой операционного усилителя, и, добавляя дополнительные резисторы параллельно с входными резисторами R1 и R3 , можно получить результирующую схему для « сложения » или «вычитания» напряжения, подаваемого на их соответствующие входы. Один из наиболее распространенных способов сделать это — подключить «резистивный мост», обычно называемый мостом Уитстона, к входу усилителя, как показано ниже.
Дифференциальный усилитель моста Уитстона
Стандартная схема дифференциального усилителя теперь становится компаратором дифференциального напряжения, «сравнивая» одно входное напряжение с другим. Так, например, путем подключения одного входа к опорному фиксированного напряжения, установленным на одной ноге резистивного сети моста, а другой либо «термистор» или «свето — зависимый резистор» схема усилителя может быть использована для обнаружения низкого или высокого уровня температуры или света, поскольку выходное напряжение становится линейной функцией изменений в активном участке резистивного моста, и это продемонстрировано ниже.
Дифференциальный усилитель с активированным светом
Здесь схема действует как выключатель, активирующий свет, который переключает выходное реле в положение «ВКЛ» или «ВЫКЛ», когда уровень освещенности, обнаруживаемый резистором LDR, превышает или падает ниже некоторого предварительно установленного значения. Фиксированное напряжение подается на входную клемму не-инвертирующим ОУ через R1 — R2 делителя напряжения сети.
Значение напряжения на V 1 устанавливает точку срабатывания операционного усилителя с помощью потенциометра обратной связи, VR2 используется для установки гистерезиса переключения. В этом разница между уровнем освещенности для «ВКЛ» и уровнем освещенности для «ВЫКЛ».
Вторая часть дифференциального усилителя состоит из стандартного светозависимого резистора, также известного как LDR, фоторезистивный датчик, который изменяет свое значение сопротивления (отсюда и название) в зависимости от количества света на его элементе, поскольку их значение сопротивления является функцией освещения.
LDR может представлять собой любой стандартный тип фотопроводящего элемента из сульфида кадмия (CdS), такого как обычный NORP12, который имеет диапазон сопротивления от примерно 500 Ом на солнечном свете до примерно 20 кОм или более в темноте.
Фотопроводящий элемент NORP12 имеет спектральный отклик, аналогичный человеческому глазу, что делает его идеальным для использования в системах управления освещением. Сопротивление фотоэлемента пропорционально уровню света и падает с увеличением интенсивности света, поэтому уровень напряжения на V2 также будет меняться выше или ниже точки переключения, которая может определяться положением VR1 .
Затем, регулируя отключение или регулировку уровня освещенности с помощью потенциометра VR1 и гистерезис переключения с помощью потенциометра, VR2 можно сделать прецизионный светочувствительный переключатель. В зависимости от применения, выход операционного усилителя может напрямую переключать нагрузку или использовать транзисторный переключатель для управления реле или самими лампами.
Также возможно определить температуру, используя этот тип простой конфигурации схемы, заменив резистор, зависимый от света, термистором. Меняя положения VR1 и LDR , можно использовать схему для обнаружения света или темноты, а также тепла или холода с использованием термистора.
Одним из основных ограничений этого типа конструкции усилителя является то, что его входные сопротивления ниже, чем у других конфигураций операционных усилителей, например, неинвертирующего (одностороннего входа) усилителя.
Каждый источник входного напряжения должен пропустить ток через входное сопротивление, которое имеет меньшее полное сопротивление, чем сопротивление одного только входного ОУ. Это может быть хорошо для источника с низким импедансом, такого как мостовая схема выше, но не очень хорошо для источника с высоким импедансом.
Одним из способов решения этой проблемы является добавление усилителя буфера усиления Unity, такого как повторитель напряжения, который мы видели в предыдущем уроке, к каждому входному резистору. Затем это дает нам схему дифференциального усилителя с очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, поскольку она состоит из двух неинвертирующих буферов и одного дифференциального усилителя. Это тогда формирует основу для большинства «инструментальных усилителей».
Инструментальный усилитель
Инструментальные усилители (in-amps) — это дифференциальные усилители с очень высоким коэффициентом усиления, которые имеют высокий входной импеданс и однополярный выход. Приборные усилители в основном используются для усиления очень малых дифференциальных сигналов от тензодатчиков, термопар или датчиков тока в системах управления двигателем.
В отличие от стандартных операционных усилителей, в которых их усиление с обратной связью определяется внешней резистивной обратной связью, подключенной между их выходной клеммой и одной входной клеммой, положительной или отрицательной, «инструментальные усилители» имеют внутренний резистор обратной связи, который эффективно изолирован от своих входных клемм, как входной сигнал подается на два дифференциальных входа, V1 и V2 .
Инструментальный усилитель также имеет очень хороший коэффициент подавления синфазного сигнала, CMRR (нулевой выход, когда V 1 = V 2 ), значительно превышающий 100 дБ при постоянном токе. Типичный пример инструментального усилителя с тремя операционными усилителями с высоким входным сопротивлением ( Zin ) приведен ниже:
Два неинвертирующих усилителя образуют дифференциальный входной каскад, выступающий в качестве буферных усилителей с усилением 1 + 2R2 / R1 для дифференциальных входных сигналов и единичным усилением для синфазных входных сигналов. Поскольку усилители А1 и А2 являются усилителями отрицательной обратной связи с обратной связью, можно ожидать, что напряжение на Va будет равно входному напряжению V1 . Аналогично, напряжение на Vb должно быть равно значению на V2 .
Поскольку операционные усилители не принимают ток на своих входных клеммах (виртуальное заземление), один и тот же ток должен протекать через сеть трех резисторов R2 , R1 и R2, подключенных к выходам операционного усилителя. Это означает, что напряжение на верхнем конце R1 будет равно V1, а напряжение на нижнем конце R1 будет равно V2 .
Это приводит к падению напряжения на резисторе R1, которое равно разности напряжений между входами V1 и V2 , дифференциальному входному напряжению, потому что напряжение на суммирующем соединении каждого усилителя Va и Vb равно напряжению, приложенному к его положительным входам.
Однако, если синфазное напряжение подается на входы усилителей, напряжения на каждой стороне R1 будут равны, и через этот резистор ток не будет течь. Поскольку ток не протекает через R1 (и, следовательно, через оба резистора R2 , усилители А1 и А2 будут работать как последователи с единичным усилением (буферы). Поскольку входное напряжение на выходах усилителей А1 и А2 по- разному проявляется в сети с тремя резисторами дифференциальное усиление схемы можно изменить, просто изменив значение R1 .
Выходное напряжение дифференциального операционного усилителя A3, действующего как вычитатель, представляет собой просто разницу между его двумя входами ( V2 — V1 ) и усиливается коэффициентом усиления A3, который может равняться единице (при условии, что R3 = R4 ). Тогда у нас есть общее выражение для общего усиления по напряжению схемы измерительного усилителя.
Уравнение усилителя приборов
В следующем уроке об операционных усилителях мы рассмотрим влияние выходного напряжения Vout при замене резистора обратной связи на частотно-зависимое реактивное сопротивление в виде емкости. Добавление этой емкости обратной связи создает нелинейную схему операционного усилителя, называемую интегрирующим усилителем.
Дифференциальный усилитель на ОУ. Принцип работы
Иногда возникает необходимость вычесть два сигнала. Классическим примером является измерение тока на резисторе, которое практикуется в различных источниках питания и инверторах, при чтении температуры с термопары или напряжения моста Уитстона.
Самый простой способ использовать схему вычитания так называемый дифференциальный усилитель (не путать с дифференциатором!). Если нам необходимо вычислить разницу между двумя сигналами, то достаточно будет одного операционного усилителя и четырех одинаковых резисторов:
Но зачастую мы имеем дело с очень слабыми сигналами, так что не мешало бы, помимо вычитания, усилить полученную разницу. Для этого используем слегка измененную схему, которая отличается значениями резисторов:
Ничто нам не мешает еще больше изменить значения резисторов, однако, мы не видели, чтобы кто-то использовал подобную схему, как показано ниже:
Цифровой мультиметр AN8009Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…
Мультиметр — RICHMETERS RM101
Richmeters RM101 — удобный цифровой мультиметр с автоматическим изменен…
Мультиметр — MASTECH MY68
Измерение: напряжения, тока, сопротивления, емкости, частоты…
Несмотря на то, что третья схема уже довольно сильно запутана, это все еще также рабочая схема. Резисторы R3 и R4 образуют обычный делитель напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе усилителя (+) такое же, как и на инвертирующем входе (-), поскольку работа операционного усилителя основана на 3 основных правилах:
Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.
Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток
Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.
Если мы знаем, входное напряжение U1 и напряжение на инвертирующем входе (-), то значит, мы знаем и напряжение на резисторе R1. Далее, из закона Ома, вычислим, какой ток течет через него (R1), и этот же ток течет далее через резистор R2. Зная сопротивление R2, вычислим падение напряжения на этом резисторе, а это даст нам конечный результат.
Дифференциальный усилитель имеет, к сожалению, два серьезных недостатка, которые перечеркивают его во многих ситуациях:
- Первый недостаток — низкое входное сопротивление, которое зависит от величины резистора (как и в инвертирующим усилителе). В случае, когда мы измеряем очень слабый сигнал с термопары или моста Уитстона, то усилитель даст существенную ошибку в измерительную систему.
- Второй недостаток — нелегко изменить коэффициент усиления. Чтобы это сделать, нужно одновременно изменить значение двух резисторов, что на практике очень сложно. Нужно иметь спаренный потенциометр или ввести систему аналоговых мультиплексоров, что значительно усложнит схему.
Таким образом, дифференциальный усилитель является простой схемой, но его практическое применение довольно сильно ограничено. Лучше использовать чуть более сложную, но качественную схему измерительного усилителя.
В тех случаях, когда требуется получить не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня земли), а требуется разность напряжений между двумя точками, применяется дифференциальный усилитель. Чаще всего такая необходимость возникает при работе с датчиками, а так же микрофонами.
Дифференциальный усилитель — это усилитель, обладающий двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных сигналов, умноженный на константу. Константа в данном случае — это коэффициент усиления дифференциального усилителя.
Фишкой данного типа усилителей является то, что сигнал приходящий на оба входа одновременно не усиливается. Т.е. если к полезному сигналу примешаны синфазные помехи или постоянные уровни, то усилен будет только полезный сигнал. Помимо этого такие усилители обладают высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим Коэффициентом Ослабления Синфазного Сигнала (КОСС).
Эти свойства делают дифференциальный усилитель невероятно полезным и даже незаменимым при усилении очень маленьких по величине сигналов, например, от различных датчиков.
Помимо этого дифференциальный усилитель используется в симметричных линиях передачи данным, например, при симметричном подключении микрофона. Т.к. длина микрофонного кабеля может быть значительной (более 50м), на него отлично наводятся различные помехи. В случае применения симметричного включения микрофона помехи приходят на оба входа дифференциального усилителя в фазе, и не усиливаются им.
Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ
Коэффициент усиления такой схемы равен К=R2/R1. Для обеспечения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого желательно применение резисторов точностью 0.01%.
Резисторы такой точности достаточно дороги, и не всегда их можно найти в продаже. Поэтому при первой возможности лучше закупить 100 кОм резисторы указанной точности для применения в подобных схемах.
Если все резисторы будут одного номинала, что вполне допустимо, то коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен 1. Дальнейшее усиление при необходимости можно произвести дополнительными каскадами, зато наличие синфазной помехи было уже устранено.
Дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления
При необходимости получения очень большого коэффициента усиления дифференциального усилителя применяется Т-образная обратная связь, показанная на рисунке.
Итак, дифференциальный усилитель — это устройство, предназначенное для усиления разности подаваемых на его входы сигналов. Вот сейчас мы построением такого усилителя и займёмся.
Рассмотрим схему, построенную на базе операционного усилителя (ОУ), приведенную на рисунке справа.
Это наиболее общая схема усилителя на операционнике. По своей сути, любой усилитель на ОУ — вариант этой схемы (ниже я покажу несколько её превращений).
Прежде чем перейти к расчётам, давайте поговорим о том, что лежит в их основе. В основе расчётов всех схем с операционными усилителями лежат два положения, характеризующие идеальный операционный усилитель:
- ОУ имеет бесконечно большое входное сопротивление и как следствие — бесконечно маленький входной ток. Проще говоря — входной ток при расчётах считают равным нулю. Имеется ввиду, естественно, не входной ток построенного на ОУ усилителя, а ток, втекающий в ножки самого операционного усилителя.
- ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления и как следствие — разность потенциалов между его входами (между входными ножками самого ОУ) в схемах с достаточной отрицательной обратной связью, равна нулю.
- — Почему? Потому что напряжение на выходе равно разнице напряжений на входах ОУ, умноженной на коэффициент усиления ОУ. Чтобы что-то умножить на бесконечно большое число и получить конечное число (напряжение на выходе — оно же конечное) — это что-то должно быть бесконечно маленьким.
- — Почему это относится только к схемам с обратной связью? Потому что если нет обратной связи — у операционника нет никакой возможности повлиять на напряжение на своих входах. В этом случае на выходе по идее должно было бы установиться бесконечно большое положительное или отрицательное напряжение, но в реальности выходное напряжение операционника не может выйти за границы положительного и отрицательного напряжений питания (даже ещё меньше из-за внутренних потерь) и на выходе устанавливается одно из этих граничных напряжений (операционник работает как компаратор).
- — Почему обратная связь должна быть отрицательной? Потому что только в этом случае система может прийти к состоянию устойчивого равновесия. Вообще про устойчивость, неустойчивость и колебания всяких разных систем есть целый курс отдельный в вузе. В двух словах теория устойчивости что-то не вяжется, но отмечу, что её основоположником является наш соотечественник, товарищ Ляпунов (Кто там сказал, что в России ничего не придумали? — быстро пересаживаемся из автомобиля в телегу).
- Что фактически происходит в схеме с отрицательной обратной связью? Фактически через обратную связь напряжение на инвертирующим входе подтягивается к напряжению на неинвертирующем входе. На напряжение на неинвертирующем входе обратная связь не влияет.
- — Почему отрицательная обратная связь должна быть достаточной? Потому что если она недостаточная, то выход операционника также упрётся в одно из крайних напряжений и дальше операционник влиять на напряжения на своём инвертирующем входе не сможет. При расчётах усилителей изначально считают, что она достаточная, потому что расчёт и сводится к тому, чтобы подобрать ООС так, чтобы на выходе получилось требуемое напряжение, естественно находящееся где-то между крайними положениями.
- Абсолютно те же принципы лежат в основе расчётов не только усилителей, но и в основе всяких сумматоров, вычитателей, интеграторов и прочих, построенных на операционниках вещей, — они по своей сути те же самые усилители, только усиливают специфические вещи специфическим образом (например, имеют хитро изменяющийся во времени коэффициент обратной связи, хитро построенную схему, хитро подобранные номиналы для соблюдения всяких там балансов и т.д.).
Фу, ну вот, теперь перейдём к расчётам нашего усилителя. Итак, при расчётах усилителя будем считать, что напряжение между входами операционника равно нулю, входной ток тоже равен нулю. На рисунке слева та же схема, что и выше, но с подписанными элементами, а также с подписанными токами и напряжениями (с учётом изложенных ранее положений).
По этой схеме составляем систему из четырёх уравнений, после чего из первых двух выражаем I1, а из третьего и четвёртого выражаем I2:
Далее из первого и третьего уравнений составляем новое уравнение:
Подставляем в него, найденные ранее, выражения для I1, I2 и преобразуем следующим образом:
Ну и, наконец, из последнего выражения находим формулу для определения выходного напряжения:
А вот теперь следите за руками. Преобразуем множитель перед U2 следующим образом: R1 перенесём из знаменателя в числитель, а оставшиеся в знаменателе скобки умножим и разделим на R2. Получится следующее выражение:
Из этого выражения очевидно, что если в нашей схеме RОС/R1=R3/R2, то множитель перед U2 можно заменить просто на R3/R2 или на Rос/R1 (без разницы, мы ведь как раз рассматриваем случай, когда эти соотношения одинаковы). Тогда формулу (1) можно преобразовать к такому виду:
То есть в этом случае наша схема усиливает разницу напряжений на входах, — вот и получился дифференциальный усилитель.
Но это ещё не всё, — следите за руками дальше. Если в этой схеме вход U1 подключить к общему проводу, резистор R2 взять равным нулю (закоротить его просто), а резистор R
Далее. Если же вход U2 подключить к общему проводу, резистор R1 взять равным R2, а резистор R3 взять равным ROC, то получится схема простейшего инвертирующего усилителя, а формула (1) преобразуется к виду:
При этом эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов R2, R3 (которые, как мы договорились, равны R1, ROC) превратилось в условие баланса.
Вот такие забавные превращения. На этом, пожалуй, всё, надеюсь кому-нибудь пригодится.
Update
Что такое напряжение смещения? Помните, мы при расчётах считали операционник идеальным и полагали, что схема стремится поддерживать напряжение между входами ОУ равным нулю? Так вот, в случае с реальным операционником схема стремится поддерживать между входами ОУ не ноль, а некоторое очень маленькое, но вполне конкретное напряжение. Именно это напряжение и называется напряжением смещения (или точнее напряжением смещения нуля).
На что оно влияет? В первую очередь оно влияет на точностные характеристики схем с ОУ. Чтобы понять, как это происходит, — давайте вернёмся к схеме, с которой мы начинали расчёт, только теперь будем считать, что напряжение на обоих входах не одинаковое, а отличается на величину Uсм. На неинверирующем входе пусть так и останется Uв, а на инвертирующем пусть будет Uв-Uсм. Тогда в нашей системе из четырёх уравнений, для первых двух придётся написать не «=Uв«, а «=Uв-Uсм«, и решение этой системы примет вот такой вид:
При соблюдении условия RОС/R1=R3/R2 формула, определяющая выходное напряжение дифференциального усилителя, превратится вот в такую:
Из этой формулы видно, что если входной дифференциальный сигнал сравним по величине с напряжением смещения, то и их вклады в выходной сигнал тоже будут одного порядка. А учитывая, что напряжение смещения для каждого операционника своё (даже для одного типа операционников оно всё равно чуть-чуть отличается от экземляра к экземпляру) — становится совершенно невозможно предсказать, что в итоге будет на выходе. Чтобы исключить влияние напряжения смещения на выходной сигнал — входной дифференциальный сигнал должен быть на порядок больше, чем Uсм. То есть, например, операционник, у которого напряжение смещения может составлять до 0,5 мВ НЕТ НИКАКОГО СМЫСЛА ставить в схему измерения напряжения величиной порядка 0,5 мВ (скажем для измерения падения на токоизмерительном резисторе 0,02 Ом при токе 25 мА).
Дифференциальные усилители | HomeElectronics
Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о генераторах пилообразного напряжения с использованием отрицательной обратной связи. Сегодняшняя статья посвящена такому классу электронных схем, как дифференциальные усилители.
Электрический мост – основа дифференциального усилителя
Одним из условий развития современной промышленности производства является широкое внедрение и использования средств автоматики и контроля. Для этого разработано большое количество различных датчиков, которые позволяют контролировать большинство параметров технологических процессов и характеристик выходного продукта.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
При современных требованиях к параметрам, выходной сигнала датчиков находится в пределах 0…20 мА, при этом колебания выходного сигнала соизмеримы с колебаниями источников питания устройств контроля (десятки мкА), а частота колебаний может составлять доли Герца. Поэтому применение обычных аналоговых усилителей весьма проблематично, вследствие того, что между каскадами усилителя обычно ставятся разделительные конденсаторы, не пропускающие постоянной составляющей сигнала. Кроме того конденсаторы вносят искажение в выходной сигнал.
Выходом из сложившейся ситуации является использование усилителей выполненных по так называемым балансным (балансно-разностным) схемам. Работа данных схем основана на электрическом мосту с симметричными плечами
Электрический мост с симметричными плечами.
Работа моста описывается следующим выражением
Таким образом, если выполняется данное условие, то при изменении напряжения питания ток в нагрузке остается равным нулю.
Схема дифференциального усилителя
Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже
Схема дифференциального каскада усиления.
Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.
Принцип работы дифференциального усилителя
Как говорилось выше, правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.
В реальных схемах достаточно трудно обеспечить абсолютную симметрию схемы, поэтому для регулировки токов покоя транзисторов используются резисторы R4’ и R4’’, которые иногда объединяют в общий переменный или подстроечный резистор, сопротивление которого составляет
Дифференциальные каскады усиления могут работать как с симметричными, так и с несимметричными входами и выходами. Несимметричным вход называется, в случае если входной сигнал поступает на один из входов (Вх.1 или Вх.2) и общим выводом, а симметричный вход – сигнал поступает между входными выводами. В случае с выходом происходит аналогичное именование: несимметричный выход – один из выходов (Вых.1 или Вых.2) и общий вывод, симметричный выход – между выходными выводами Вых.1 и Вых.2.
Несимметричные дифференциальные каскады обычно используются для перехода от несимметричных каскадов к симметричным каскадам и наоборот.
Основные параметры дифференциальных усилителей
Для дальнейшего повествования необходимо ввести такие понятия как дифференциальные и синфазные сигналы, которые действуют в дифференциальном усилителе.
Дифференциальные сигналы называют сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах дифференциального усилителя независимо от точки заземления усилителя.
Синфазные сигналы – это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.
Объяснить значение данных сигналов достаточно просто, как указывалось выше, дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности между сигналами на его входах. Таким образом, если одновременно на входы усилителя пришли сигналы с разным уровнем напряжения, то это дифференциальные сигналы, а если на входы пришли в один момент времени одинаковые по уровню напряжения сигналы то это синфазные сигналы. Дифференциальные сигналы приходят на вход усилителя, если использовать симметричный вход или несимметричные входа для разных сигналов в схемах сравнения. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.
Таким образом, сигналы на входах дифференциального усилителя поступают в виде суммы дифференциального и синфазного сигналов
Следовательно, входной уровень дифференциального сигнала будет равен
а коэффициент усиления дифференциального сигнала будет равен
Аналогично с синфазным сигналом. Входной уровень синфазного сигнала
а коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен
Одним из основных параметров характеризующих качество дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)
или же в логарифмической форме
У хороших дифференциальных усилителей КОССФ = 104 …106, что составляет 80…120 дБ.
Улучшение параметров дифференциального усилителя
Улучшение параметров дифференциального усилителя, прежде всего, связано с увеличением коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС). Наиболее простой способ это увеличение сопротивления эмиттерного резистора (R5 на схеме). Но это не всегда возможно, так как для поддержания заданного режима работы транзисторов необходимо увеличивать напряжение питания, и поэтому сопротивление данного резистора редко удается увеличить выше 3…6 кОм. Существует более качественный способ увеличения КОСС – применение источников тока. Одна из возможных схем дифференциального усилителя с транзисторным источником тока представлена ниже
Дифференциальный усилитель со стабилизатором тока в цепи эмиттера.
Улучшение работы дифференциального каскада со стабилизатором тока объясняется следующим образом. Стабилизатор тока в цепи эмиттера дифференциального каскада не даёт изменить суммарный ток транзисторов VT1 и VT2, поэтому входные сигналы, изменяя внутренне сопротивления данных транзисторов, как бы перераспределяют его между транзисторами. Следовательно, синфазные сигналы не изменяют коллекторный ток транзисторов, и выходное напряжение также не изменяется. Дифференциальные сигналы, пришедшие на входы каскада, как бы перераспределяют ток заданный стабилизатором тока, тем самым изменяя выходное напряжение. Например, на выводе Вх.1 напряжение больше, чем на выводе Вх.2, и поэтому ток транзистора VT1 увеличится за счёт тока транзистора VT2, изменяя выходное напряжение.
Расчёт дифференциального каскада усиления
Необходимо рассчитать дифференциальный усилитель со следующими параметрами: изменение входного сигнала ∆UBX = 10 мВ, сопротивление источника сигнала RГ = 1 кОм, изменение выходного напряжения ∆UBbIX = 5 B.
- Выберем напряжение питания усилителя Eк, которое должно обеспечить заданную амплитуду выходного сигнала и не вводить транзистор в насыщение
- Выберем тип транзисторов усилительного каскада. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: UCEmax = 30 В, ICmax = 100 mA, ICBO = 1 mkA, fh31e = 250 МГц, h21e = 100, PK max = 150 мВт.
- Примем коллекторный ток транзисторов VT1 и VT2 IC = 1 мA и рассчитаем резисторы устанавливающие режим работы данных транзисторов:
- — коллекторные резисторы RC = R3 = R5
Примем RC = 7,5 кОм
- — резисторы в цепи базы Rb1=R1=R7, Rb2=R2=R8
Примем Rb2=R2=R8 = 10 кОм
Примем Rb1=R1=R7 = 150 кОм
- — коллекторные резисторы RC = R3 = R5
- Рассчитаем источник стабильного тока согласно данной статье
- Выберем стабилитрон типа КС139Г со следующими параметрами Uст.ном. = 3,9 В, Iст.ном. = 5 мА.
- — сопротивление резистора R6
Примем R6 = 2,2 кОм
- — cопротивление резистора R4
Примем R4 = 1,6 кОм
- Определим параметры дифференциального каскада. Для этого определим дифференциальное выходное сопротивление источника стабильного тока
где rCE и rBE – внутренние коллекторно-эмиттерное и базо-эмиттерное сопротивления транзистора
где Uγ – потенциал Эрли, который имеет следующие значения для n-p-n-транзисторов – 80…200 В, для p-n-p-транзисторов 40…150 В
UТ – тепловой потенциал, равный 26 мВ для комнатной температуры
Таким образом, выходное дифференциальное сопротивление источника тока составитКоэффициент усиления дифференциального сигнала
где RВХ – входное сопротивление дифференциального усилителя
где R11 – эквивалентное входное сопротивление
Rb – эквивалентное базовое сопротивлениетогда
а коэффициент дифференциального усиления составит
Коэффициент усиления синфазного сигнала
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
КОССФ = 55803 раза или 95 дБ, что является достаточно неплохим результатом, так как в случае применения вместо стабилизатора тока обычного резистора порядка нескольких сотен Ом КОССФ составил бы 50…60 дБ, что является недостаточным значениемдля современного уровня развития электронных устройств.
Вместо заключения
Закончить статью о дифференциальных усилителях невозможно без рассказа о тех сферах, где они применяются. Как уже понятно из названия, прежде всего это применение в качестве усилителя с большим коэффициентом усиления. Также широко применяются в тех сферах, где обычные усилители неэффективны из-за большого уровня помех. Кроме этого на основе дифференциальных усилителей построены операционные усилители различного назначения, которые имеют коэффициент усиления от 100 тыс. нескольких миллионов, а входное сопротивление составляет порядка нескольких ГИГАОМ. Также дифференциальные усилители применяют прежде всего в схемах усилителей постоянного тока, для которых они и были разработаны в первую очередь, а также в схемах сравнения и так далее.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель — использование усилителя с дифференциальными входами/выходами в приложениях с несимметричными сигналами. Последние достижения в области кремний-германиевой BiCMOS технологии сделали возможными разработку и массовое производство высокоскоростных усилителей. Низкие рабочие напряжения компонентов, создаваемых на основе этой технологии, в большинстве случаев заставляют разработчиков проектировать усилители с дифференциальными входами и выходами, чтобы максимально использовать небольшой общий размах выходного сигнала.
В связи с тем, что многие низковольтные приложения несимметричны, возникают вопросы: «Как использовать усилитель с дифференциальными входами/выходами в несимметричных схемах?» и «Каковы последствия такого использования?». Поэтому дифференциальный операционный усилитель здесь будет основным объектом. В этой статье рассматриваются некоторые практические соображения и демонстрируются примеры конкретных несимметричных приложений на основе усилителя LTC6406. То есть с дифференциальными входами/выходами и произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, равным 3 ГГц.
Исходная информация
Обычный операционный усилитель (ОУ) имеет два дифференциальных входа и выход. Его коэффициент усиления условно считается бесконечным, но в реальной схеме устанавливается номиналами элементов обратной связи между выходом и отрицательным «инвертирующим» входом. Выходное напряжение не уходит в бесконечность, а напряжение между дифференциальными входами поддерживается равным нулю (как бы деленное на бесконечность). Универсальность, разнообразие и красота традиционных ОУ хорошо известны и подробно описаны. Полностью дифференциальные ОУ изучены и описаны хуже.
На Рисунке 1 изображен дифференциальный операционный усилитель с четырьмя резисторами обратной связи.
В этом случае дифференциальный коэффициент усиления по-прежнему условно бесконечен, и обратная связь поддерживает равенство потенциалов входов, но обусловлено оно не выходными напряжениями. Причина заключается в том, что синфазное выходное напряжение может быть каким угодно, и, тем не менее, из-за симметрии обратной связи дифференциальное входное напряжение будет «нулевым».
Синфазное выходное напряжение
Поэтому любой дифференциальный операционный усилитель должен иметь еще одно управляющее напряжение, определяющее синфазное выходное напряжение. С этой целью добавляется вывод Vоcm, и этим объясняется, почему полностью дифференциальные усилители всегда имеют, как минимум, пять выводов (не считая выводов питания), а не четыре. Дифференциальный коэффициент усиления равен
Синфазное выходное напряжение принудительно вводится в усилитель через вывод Vocm
И последнее, что необходимо сказать о полностью дифференциальных усилителях: у них больше нет инвертирующего входа оба входа являются и инвертирующими, и неинвертирующими, в зависимости от того, что считается выходом в конкретном случае.
Для удобства анализа схемы входы традиционно обозначаются «+» и «-», а один из выходов снабжается маленьким кружком, указывающим на то, что по отношению к входу «+» этот выход инвертирующий. Любой, кто знаком с обычными операционными усилителями, знает, что в неинвертирующих приложениях импеданс неинвертирующего входа очень высок, и измеряется гига-, или даже тераомами. Но в случае полностью дифференциального ОУ на Рисунке 1 обратная связь заводится на оба входа, поэтому высокоимпедансных узлов в схеме нет. К счастью, эту трудность можно преодолеть.
Как несимметрично подключить дифференциальный операционный усилитель
На Рисунке 2 показана микросхема LTC6406, включенная как несимметричный ОУ. Источником сигнала обратной связи здесь служит только один из выходов, и обратная связь приходит только на один вход. Оставшийся вход теперь будет высоко-импедансным. LTC6406 прекрасно работает в этой схеме, и по-прежнему обеспечивает дифференциальный выход. Однако простой мысленный эксперимент немедленно выявляет один из недостатков этой конфигурации. Вообразите, что все входы и выходы, включая Vоcm, находятся на уровне 1.2 В.
А теперь представьте, что напряжение на выводе Vоcm дополнительно поднялось на 0.1 В. Единственный выход, на котором напряжение способно измениться — это Vout-, поскольку Vout+ должен оставаться равным Vm, поэтому, чтобы сместить синфазное выходное напряжение выше на 100 мВ, усилитель должен сдвинуть вверх напряжение на выходе Vout- в общей сложности на 200 мВ.
Таким образом, при смещении напряжения Vocm на 100 мВ выходное дифференциальное напряжение сдвигается на 200 мВ. Помимо прочего, это означает, что несимметричная обратная связь в полностью дифференциальном усилителе приводит к двукратному увеличению шума на пути от вывода V0cm ДО «открытого» выхода. Для исключения такого шума просто не следует использовать этот выход, и в результате приложение станет полностью несимметричным. Вы можете использовать и оба выхода, но при этом придется пожертвовать небольшим ухудшением шумовых характеристик.
Несимметричный трансимпедансный усилитель
На Рисунке 3 показана микросхема LTC6406, включенная несимметричным трансимпедансным усилителем с трансимпедансным усилением 20 кОм. Полевой транзистор с р-n переходом BF862 буферизует вход LTC6406, радикально снижая эффекты шумов входных биполярных транзисторов. Теперь в цепь обратной связи включено напряжение затвор-исток полевого транзистора, но его типичное значение равно всего 0.6 В, что не мешает схеме хорошо работать при однополярном питании 3 В, а смещением можно управлять с помощью подстроечного резистора 10 кОм. Отклик схемы во временной области показан на Рисунке 4. Общее напряжение шумов, измеренное в полосе 20 МГц, равно 0.8 мВ с.к.з. на выходе V0ut+ и 1.1 мВ с.к.з. на выходе Vоut- Относительно дифференциального входа трансимпедансный коэффициент усиления равен 40 кОм.
Заключение
Новые семейства полностью дифференциальных операционных усилителей, и в их числе LTC6406, имеют беспрецедентную полосу пропускания. К счастью, эти ОУ могут так же хорошо работать и в несимметричных приложениях со стопроцентной обратной связью.
Построение дифференциальных усилителей
- Радиоэлектроника
- Схемотехника
- Основы электроники и схемотехники
- Том 3 – Полупроводниковые приборы
- Книги / руководства / серии статей
- Основы электроники и схемотехники. Том 3. Полупроводниковые приборы
Добавлено 28 ноября 2018 в 04:12
Сохранить или поделиться
Дифференциальные схемы на операционных усилителях
Операционный усилитель без обратной связи уже является дифференциальным усилителем, усиливающим разность напряжений между двумя входами. Однако его коэффициент усиления нельзя контролировать, и он, как правило, слишком велик для практического использования. До сих пор наше применение отрицательной обратной связи для операционных усилителей приводило к практической потере одного из входов, и этот усилитель был хорош только для усиления напряжения одиночного входного сигнала. Однако с небольшой изобретательностью мы можем построить на операционном усилителе схему, поддерживающую оба входных напряжения, и с регулируемым коэффициентом усиления, установленным внешними резисторами.
Схема дифференциального усилителя на операционном усилителеЕсли номиналы всех резисторов равны, этот усилитель будет иметь дифференциальный коэффициент усиления по напряжению 1. Анализ этой схемы, по сути, такой же, как и для инвертирующего усилителя, за исключением того, что неинвертирующий вход (+) операционного усилителя вместо того, чтоб быть непосредственно соединенным с землей, находится под напряжением, равным части V2. Как и следовало ожидать, V2 действует как неинвертирующий вход конечной схемы усилителя. Следовательно:
\(V_{вых} = V_2 — V_1\)
Если бы мы хотели обеспечить дифференциальное усиление, отличающееся от 1, нам пришлось бы подстраивать сопротивления и в верхнем, и в нижнем делителях напряжения, что потребовало бы изменений нескольких резисторов и балансировки между этими двумя делителями для симметричной работы. По понятным причинам это не всегда практично.
Буфер сигнала входного напряжения
Другим ограничением конструкции этого усилителя является то, что его входные импедансы довольно низки по сравнению с другими схемами на операционных усилителях, в первую очередь, по сравнению с неинвертирующим усилителем (с несимметричным входом). Каждый источник входного напряжения должен обеспечивать ток через сопротивление, которое значительно меньше импеданса просто входа одиночного операционного усилителя. Решение этой проблемы, к счастью, довольно простое. Всё, что нам нужно, это «буфер» для каждого сигнала входного напряжения через повторитель напряжения следующим образом:
Использование буферных повторителей напряжения на входах дифференциального усилителяТеперь входные линии V1 и V2 подключаются напрямую к входам двух повторителей напряжения на операционных усилителях, что обеспечивает очень высокий импеданс. Два операционных усилителя слева теперь вместо источников входных напряжений обеспечивают ток через резисторы. Повышение сложности нашей схемы минимально для полученной существенной выгоды.
Оригинал статьи:
Теги
БуферВходной импедансДифференциальный усилительОбучениеОУ (операционный усилитель)Повторитель напряженияЭлектроникаСохранить или поделиться
На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.
В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.
были первоначально разработаны для аналоговых математических вычислений, с тех пор сегодня они доказали свою полезность во многих приложениях проектирования. Как правильно сказали мои профессора, операционные усилители являются арифметическими калькуляторами напряжения, они могут выполнять сложение двух заданных значений напряжения с помощью схемы суммирующего усилителя и разности между двумя значениями напряжения с помощью дифференциального усилителя . Помимо этого, операционный усилитель также широко используется в качестве инвертирующих усилителей и неинвертирующих усилителей.
Мы уже узнали, как мы можем использовать операционный усилитель в качестве сумматора напряжения или суммирующего усилителя, поэтому в этом уроке мы изучим , как использовать операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя для нахождения разности напряжений между двумя значениями напряжения. Он также называется вычитатель напряжения . Мы также попробуем схему для вычитания напряжения на макетной плате и проверим, работает ли схема должным образом.
Основы Op-Amp
Прежде чем мы углубимся в дифференциальные операционные усилители, давайте быстро ознакомимся с основами операционных усилителей.Операционный усилитель — это пятиполюсное устройство (одна упаковка) с двумя клеммами (Vs +, Vs-) для питания устройства. Из оставшихся трех клемм две (V +, V-) используются для сигналов, которые называются инвертирующей и неинвертирующей клеммой, а оставшаяся (Vout) является выходной клеммой. Основной символ операционного усилителя показан ниже.
Работа операционного усилителя очень проста: он принимает напряжение, отличное от двух контактов (V +, V-), усиливает его на величину усиления и выдает его в качестве выходного напряжения (Vout).Усиление операционного усилителя может быть очень высоким, что делает его пригодным для аудио приложений. Всегда помните, что входное напряжение операционного усилителя должно быть меньше его рабочего напряжения. Чтобы узнать больше об операционном усилителе, проверьте его применение в различных схемах на основе операционного усилителя.
Для идеального операционного усилителя входной импеданс будет очень высоким, то есть ток не будет поступать или выходить из операционного усилителя через входные контакты (V +, V-). Чтобы понять работу операционного усилителя, мы можем широко классифицировать схемы операционного усилителя как разомкнутый и замкнутый контур .
ОУ с разомкнутым контуром (Компараторы)
В цепи операционного усилителя с разомкнутым контуром выходной контакт (Vout) не связан ни с одним из входных контактов, то есть , обратная связь не предоставляется . В таких условиях разомкнутого контура операционный усилитель работает как компаратор . Простой компаратор ОУ показан ниже. Обратите внимание, что вывод Vout не соединен с входными выводами V1 или V2.
В этом состоянии, , если напряжение, подаваемое на V1, больше, чем V2, выход Vout будет высоким.Аналогично, если напряжение, подаваемое на V2, больше, чем V1, тогда выходной сигнал Vout станет низким.
ОУ-усилитель с замкнутым контуром (Усилители)
В схеме операционного усилителя с замкнутым контуром выходной контакт операционного усилителя соединен с любым из входных контактов для обеспечения обратной связи . Этот отзыв называется замкнутым соединением. Во время замкнутого контура операционный усилитель работает как усилитель , именно в этом режиме операционный усилитель находит множество полезных применений, таких как буфер, повторитель напряжения, инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, вычитатель напряжения и т. Д. ,Если вывод Vout подключен к инвертирующей клемме, он называется цепью отрицательной обратной связи (показано ниже), а если он подключен к неинвертирующей клемме, он называется цепью положительной обратной связи.
Дифференциальный усилитель или вычитатель напряжения
Теперь давайте перейдем к нашей теме, Дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель в основном принимает два значения напряжения, находит разницу между этими двумя значениями и усиливает ее.Результирующее напряжение может быть получено с выходного контакта. Основная схема дифференциального усилителя показана ниже.
Но подождите! Это не то, что операционный усилитель делает по умолчанию, даже если он не имеет обратной связи, он принимает два входа и обеспечивает их различия на выходном выводе. Тогда зачем нам все эти модные резисторы?
Ну да, но операционный усилитель при использовании в разомкнутом контуре (без обратной связи) будет иметь очень высокое неконтролируемое усиление, что практически бесполезно.Таким образом, мы используем вышеуказанную конструкцию для установки значения усиления с помощью резисторов в контуре с отрицательной обратной связью . В нашей схеме выше резистор R3 действует как резистор с отрицательной обратной связью, а резисторы R2 и R4 образуют делитель потенциала. Значение усиления можно установить с помощью правильного значения резисторов.
Как установить коэффициент усиления дифференциального усилителя?
Выходное напряжение дифференциального усилителя , показанное выше, может быть задано приведенной ниже формулой
.Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Приведенная выше формула была получена из передаточной функции вышеуказанной схемы с использованием теоремы суперпозиции.Но давайте не будем вдаваться в подробности. Мы можем еще больше упростить приведенное выше уравнение, рассматривая R1 = R2 и R3 = R4. Итак, мы получим
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) , когда R1 = R2 и R3 = R4
Из приведенной выше формулы можно сделать вывод, что соотношение между R3 и R1 будет равно усилению усилителя.
Gain = R3 / R1
Теперь давайте заменим значения резисторов для вышеупомянутой цепи и проверим, работает ли схема как ожидалось.
Моделирование цепи дифференциального усилителя
Значение резистора, которое я выбрал, составляет 10 кОм для R1 и R2 и 22 кОм для R3 и R4. Схема симуляции для этого показана ниже.
Для целей моделирования я поставил 4 В для V2 и 3,6 В для V1. Резисторы 22k и 10k в соответствии с формулами установят коэффициент усиления 2,2 (22/10). Таким образом, вычитание будет 0,4 В (4-3,6), и оно будет умножено на значение усиления 2.2, поэтому результирующее напряжение будет 0,88 В, как показано в приведенном выше моделировании. Давайте также проверим то же самое, используя формулу, которую мы обсуждали ранее.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) , когда R1 = R2 и R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) х (0,4) = 0,88 В
Проверка цепи дифференциального усилителя на оборудовании
Теперь самое интересное, давайте на самом деле построим ту же схему на макете и проверим, сможем ли мы достичь тех же результатов.Я использую операционный усилитель LM324 для построения схемы и использую модуль источника питания Breadboard, который мы создали ранее. Этот модуль может обеспечить выход 5 В и 3,3 В, поэтому я использую шину питания 5 В для питания моего операционного усилителя и шину питания 3,3 В как V1. Затем я использовал свой RPS (регулируемый источник питания), чтобы подать 3,7 В на контакт V2. Разница между напряжениями составляет 0,4, и мы получаем усиление 2,2, которое должно дать нам 0,88 В, и это именно то, что я получил. На рисунке ниже показана установка и мультиметр со значением 0.На нем 88в.
Это доказывает, что наше понимание дифференциального операционного усилителя является правильным, и теперь мы знаем, как разработать его самостоятельно с требуемым значением усиления. Полная работа также может быть найдена в видео, приведенном ниже . Эти схемы чаще используются в приложениях регулировки громкости.
Но, поскольку схема имеет резисторы на стороне входного напряжения (V1 и V2), она не обеспечивает очень высокое входное сопротивление, а также имеет высокое синфазное усиление, что приводит к низкому коэффициенту CMRR.Чтобы преодолеть эти недостатки, существует импровизированная версия дифференциального усилителя, называемая инструментальным усилителем, но давайте оставим это для другого урока.
Надеюсь, вы поняли учебник и получили удовольствие от изучения дифференциальных усилителей. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев или используйте форумы для более технических вопросов и более быстрого ответа.
,Прецизионный полностью дифференциальный операционный усилительОперационный усилитель LTC6362 производит дифференциальные выходы, что делает его идеальным для обработки полностью дифференциальных аналоговых сигналов или приема одностороннего сигнала и преобразования его в полностью дифференциальный. Многие альтернативные операционные усилители этого полностью дифференциального характера оптимизированы для работы на очень высокой скорости, что приводит к высокому энергопотреблению и недостаточной точности постоянного тока. LTC6362 уникален тем, что имеет дифференциальные выходы, низкое энергопотребление и точное напряжение смещения постоянного тока (см. Таблицу 1).
| Ток Питания | 1мА |
| Максимальное смещение напряжения | 200 мкВ |
| –3дБ Пропускная способность | 34 МГц |
| Плотность шума на входе | 3,9 нВ / √Гц |
| Диапазон входного напряжения | Rail-to-Rail |
| Диапазон выходного напряжения | Rail-to-Rail |
| Напряжение питания | 2.8 В — 5,25 В |
Аналоговый сигнал обычно представляется как один сигнал, измеренный по отношению к фиксированному потенциалу, такому как земля, также известный как односторонний сигнал. Но бывают случаи, когда лучше или необходимо сделать аналоговый сигнал полностью дифференциальным. Полностью дифференциальный означает, что каждая из двух сетей зависит от сигнала. Всякий раз, когда одно напряжение становится выше, другое напряжение уменьшается на ту же величину. Аналоговый сигнал определяется как разность напряжений между этими двумя сетями.
Одно из преимуществ полностью дифференциальной обработки сигналов заключается в том, что она может снизить чувствительность к внешним помехам, таким как шум источника питания, скачок заземления или электромагнитные помехи (EMI). Например, если шум источника питания одинаково связан с обоими проводниками, которые несут ваш полностью дифференциальный сигнал, то разностный сигнал может оставаться без помех.
Еще одним преимуществом полностью дифференциальной обработки сигналов является то, что вы можете сжать больше сигнала в заданном диапазоне напряжения питания.Например, в системе, которая питается от одного источника питания 5 В, традиционный несимметричный сигнал может варьироваться не более 5 В. Но полностью дифференциальный сигнал может варьироваться от –5 В до 5 В для 10 В P – P . Это потому, что любая из двух сетей может быть выше или ниже другой, что эффективно удваивает размах сигнала. Для данного минимального уровня шума удвоение максимального размаха сигнала приводит к улучшению отношения сигнал / шум (SNR) на 6 дБ.
Наконец, некоторые полупроводниковые компоненты требуют, согласно спецификации, что вы вводите полностью дифференциальный сигнал на вход.Это полностью дифференциальное входное требование почти универсально для АЦП, которые преобразуются с высокой частотой дискретизации (например, конвейерные АЦП на скорости> 10 Мбит / с), а также для АЦП, которые достигают очень высокого разрешения, высокой линейности и низкого уровня шума (например, АЦП SAR при ≥18 Бит и SNR ≥100 дБ). Поэтому для использования этих компонентов у вас нет другого выбора, кроме как преобразовать свой аналоговый сигнал в полностью дифференциальный в некоторой точке цепочки сигналов.
Давайте подробнее рассмотрим, как работает дифференциальный операционный усилитель. Как и обычный операционный усилитель, он имеет два входа, но в отличие от обычного операционного усилителя, он также имеет два выхода, помеченные –OUT и + OUT.Обычный операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления без обратной связи между дифференциальным входом и одним выходом; Полностью дифференциальный операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления без обратной связи между дифференциальным входом и дифференциальным выходом.
Обратная связь также должна применяться дифференцированно. На рисунке 1 показаны четыре внешних резистора, которые подают часть дифференциального выхода обратно на дифференциальный вход. Как и в обычном операционном усилителе, высокий коэффициент усиления без обратной связи в сочетании с обратной связью эффективно приводит к смещению двух входов при почти одинаковых напряжениях, часто называемых «виртуальным заземлением».«Цепной анализ основан на концепции виртуальной земли. Дифференциальный коэффициент усиления цепи равен
| (1) |
Рисунок 1. Четыре внешних резистора создают обратную связь вокруг дифференциального операционного усилителя.
Уравнение 1 показывает, что дифференциальное выходное напряжение зависит только от разности между двумя входами, независимо от абсолютного напряжения на каждом входе.Чтобы преобразовать несимметричный вход в дифференциальный выход, просто подключите один из входов к земле.
Хотя уравнение 1 объясняет, как определять дифференциальное выходное напряжение, оно не показывает ни напряжения каждого выхода, ни среднее напряжение двух выходных узлов. Для LTC6362 мгновенное среднее двух выходов (также называемое выходным синфазным напряжением) не зависит от входного напряжения, но вместо этого определяется пользователем напряжением на выводе V OCM .
| (2) |
Если известны как среднее из двух выходов, так и разность двух выходов, уравнения 1 и 2 могут использоваться в качестве линейной системы из двух уравнений и двух переменных для определения значения каждого выхода.
На рисунке 2 показано, как дифференциальный выход LTC6362 может регулироваться уравнением 1, в то время как выход синфазного сигнала поддерживается на уровне V OCM .LTC6362 имеет дополнительную петлю обратной связи с отдельным усилителем ошибок. Два внутренних резистора измеряют мгновенное среднее значение двух выходов и подают его в усилитель ошибки, а другой вход подключен к выводу V OCM . Выход усилителя ошибки соединен с главным усилителем таким образом, что он пытается переместить каждый из выходов операционного усилителя выше или ниже в зависимости от того, как работает усилитель ошибки. (Вы можете думать об этом как о дополнительном токе, вводимом в зеркало, управляющем выходными каскадами основного операционного усилителя).Когда этот контур обратной связи синфазного сигнала замыкается на стабильную рабочую точку, он гарантирует, что среднее значение двух выходов равно V OCM , а разница между двумя выходами контролируется дифференциальной обратной связью вокруг основного операционного усилителя.
Рисунок 2. Внутри дифференциального операционного усилителя LTC6362 имеется дополнительный контур обратной связи и усилитель ошибок, обеспечивающий синфазную обратную связь (CMFB).
После того, как вы поймете, что дифференциальное усиление цепи просто задается отношением резисторов R F / R I , а выходной общий режим независимо устанавливается напряжением на V OCM , его легко применить LTC6362 для различных трансляций сигналов.На рисунках 3 и 4 показаны некоторые типичные примеры.
Рисунок 3. Преобразование входного сигнала 0 В – 5 В в дифференциальный выход 9 В P – P .
Рисунок 4. Преобразование входного сигнала ± 10 В в дифференциальный выход 9 В P – P .
Вы можете заметить, что в примере на рисунке 4 мы позволяем входному сигналу колебаться ниже уровня земли, даже если на операционный усилитель не подается питание от отрицательной шины питания. Это работает благодаря разделительному действию резисторов обратной связи и входному каскаду LTC6362.Входные контакты самого операционного усилителя полностью предназначены для работы при любом напряжении вплоть до любой из шин питания. Вы можете проанализировать или смоделировать любой пример схемы и увидеть, что напряжение на входах операционного усилителя не должно опускаться ниже уровня земли, даже если напряжение на сигнальном входе есть.
Одним из ключевых преимуществ дифференциальной обработки сигналов является возможность удвоения отношения сигнал / шум системы. Итак, давайте подробнее рассмотрим, как анализировать шумовые характеристики дифференциального операционного усилителя, такого как LTC6362.
Операционный усилитель определяет входную плотность шума чуть ниже 4 нВ / √Гц. Это может быть смоделировано как источник напряжения шума последовательно с одним из входов. Эффект этого шума на выходе схемы является обратной величиной отношения обратной связи. Например, если все резисторы имеют одинаковое значение, то половина выходного напряжения подается обратно на входы операционного усилителя, и шум на входе операционного усилителя появляется в два раза больше на выходе.
Кроме того, каждый из четырех резисторов обратной связи создает шум при напряжении 4 кТр.Вам необходимо объединить вклад этих источников шума. Для примера с RF = RI = 1k это приводит к общему выходному шуму 12 нВ / √Гц.
После того, как вы узнаете общую плотность выходного шума в цепи, вы можете рассчитать среднеквадратическое значение шума путем интегрирования по интересующей полосе пропускания. Как обычно, чем ниже полоса пропускания, тем больше вы усредняете шум по времени и, следовательно, тем ниже становится общий наблюдаемый шум. Например, ширина полосы шума однополюсного фильтра 1 МГц составляет 1,57 МГц.Интегрирование плотности шума 12 нВ / √Гц в этой полосе частот дает примерно 15 мкВ RMS от общего шума.
Вы можете рассчитать максимальное отношение сигнал / шум в цепи, разделив максимальный сигнал на шум. LTC6362 имеет рельсовые выходы, которые при одном питании 5 В приводят к почти 10 В P – P дифференциальному выходному колебанию. Если вы преобразуете это в среднеквадратичное значение (3,5 В среднеквадратичное значение ) и разделите на шум (15 мкВ среднеквадратичное значение ), вы получите SNR более 233 000 или 107 дБ в этой полосе пропускания шума 1 МГц.Значение 107 дБ делает LTC6362 хорошим соответствием для 20-разрядного АЦП SAR LTC2378-20, который имеет SNR 104 дБ и требует полностью дифференциального входного привода.
На рисунке 5 показано, как использовать LTC6362 для управления LTC2378-20, 20-битной выборкой SAR ADC со скоростью 1 Мбит / с. LTC6362 принимает несимметричный входной сигнал и преобразует его в полностью дифференциальный выход, как указано в АЦП.
Рисунок 5. LTC6362 управляет 20-разрядным АЦП LTC2378-20 со скоростью 1 Мбит / с.
Сеть фильтров RC между усилителем и АЦП служит нескольким целям.Во-первых, сеть фильтров уменьшает количество широкополосного шума, который может попасть в АЦП. Для дискретизации АЦП со скоростью 1 Мс / с критерий Найквиста говорит, что любые сигналы выше 500 кГц будут иметь псевдонимы и станут неотличимыми от низкочастотных сигналов. Это справедливо и для широкополосного шума, поэтому нет оснований допускать, чтобы широкополосный шум попадал в АЦП. Во-вторых, конденсаторы служат резервуаром заряда для поглощения отдачи заряда от внутренних конденсаторов выборки АЦП. Каждый раз, когда АЦП завершает предыдущее преобразование, он повторно подключает разряженные конденсаторы-образцы (около 45 пФ) к схеме усилителя.Поместив намного больший резервуарный конденсатор на входах АЦП, вы уменьшите отклонение напряжения, вызванное этими конденсаторами-образцами.
Период времени после того, как АЦП завершил преобразование и до его начала следующее преобразование, называется временем получения. Это период времени, в течение которого конденсаторы образца остаются подключенными к цепи усилителя.
В идеале, в это время сеть RC полностью соответствует разрешению АЦП. На практике вы можете найти компромисс между широкополосным шумом и временем установления.К счастью, отдача заряда АЦП LTC2378-20 является относительно линейной, обеспечивая превосходную линейность, даже когда конденсаторы выборки еще не полностью установили свое окончательное значение.
Комбинированные рабочие характеристики схемы, показанной на рисунке 5, достигают SNR 103 дБ и THD 107 дБ. Это прорыв в производительности для системы сбора данных со скоростью 1 Мбит / с. Лучше всего то, что LTC6362 облегчает бремя обеспечения полностью дифференциального входа в АЦП с точным общим режимом. Действительно, вход для этой схемы является традиционным односторонним аналоговым сигналом.Чтобы настроить схему для других входных диапазонов, просто выберите соответствующие внешние резисторы, как показано на предыдущих рисунках.
Высокоскоростные конвейерные АЦП обычно требуют, чтобы их входы управлялись полностью дифференциально. На рисунке 6 показано, как преобразовать несимметричный аналоговый сигнал с частотным содержимым от постоянного тока до 1 МГц и сэмплировать его со скоростью 25 М / с
Рисунок 6. LTC6362 управляет 16-разрядным высокоскоростным конвейерным АЦП LTC2160.
Здесь LTC6362 преобразует сигнал в дифференциальные выходы.АЦП LTC2160 хочет, чтобы общий режим его входов был 0,9 В. Этого можно добиться, подключив вывод VCM АЦП к выводу усилителя V OCM . Немногие дифференциальные операционные усилители способны поддерживать такое низкое синфазное напряжение, достигая при этом производительности LTC6362. SNR цепи составляет 77 дБ, что соответствует спецификации SNR АЦП, и весьма впечатляет, учитывая низкое суммарное энергопотребление в 45 мВт для АЦП и 3 мВт для усилителя.
Иногда вам необходимо транспортировать аналоговый сигнал на относительно большое расстояние от одной печатной платы до другой.Хороший способ сделать это — использовать дифференциальную витую пару, поскольку она обеспечивает устойчивость к шумовой связи и другим помехам. Как обсуждалось ранее, LTC6362 может преобразовывать традиционный несимметричный сигнал в полностью дифференциальный, в этом случае направляя его по дифференциальной линии, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7. LTC6362 формирует сигнал для передачи по дифференциальной витой паре.
Активный фильтр op amp-RC может использоваться для создания фильтра нижних частот с несколькими полюсами и частотой среза, которая относительно хорошо установлена.Примеры схем, которые делают это с традиционным операционным усилителем, легко доступны. LTC6362 может использоваться для полной реализации таких фильтров по-разному.
На рисунке 8 показан пример 4-полюсного фильтра низких частот 50 кГц. В этом примере LTC6362 выполняет три функции одновременно: он преобразует несимметричный входной сигнал в полностью дифференциальный, он формирует 4-полюсный фильтр нижних частот и управляет высокопроизводительным АЦП (в этом примере — 16-разрядный 20 Мбит / с LTC2380). -16).
Рисунок 8.Конфигурирование LTC6362 в качестве дифференциального фильтра активной RC.
Не все дифференциальные операционные усилители могут использоваться таким образом. Конденсаторы обратной связи создают высокочастотное короткое замыкание непосредственно от выхода операционного усилителя до входа операционного усилителя, что означает, что коэффициент обратной связи на высоких частотах намного сильнее, чем в схеме с резисторами обратной связи. Если операционный усилитель не имеет достаточного запаса по фазе, возникают колебания или звон. В отличие от традиционного операционного усилителя, LTC6362 превосходно работает в этой конфигурации.
LTC6362 — это многофункциональный дифференциальный операционный усилитель. Точные характеристики постоянного тока, низкое энергопотребление и работа от шины к шине позволяют ему управлять различными высокопроизводительными АЦП, которые требуют дифференциальных сигналов, а также выполнять активную фильтрацию или управлять дифференциальными кабелями.
,
