Дифференциальный усилитель на ОУ. Принцип работы
Главная » Справочник » Дифференциальный усилитель на ОУ. Принцип работы
admin
Categories Справочник
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.
Ничто нам не мешает еще больше изменить значения резисторов, однако, мы не видели, чтобы кто-то использовал подобную схему, как показано ниже:
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.
Блок питания 0…30В/3A
Набор для сборки регулируемого блока питания…
Подробнее
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.
Таким образом, дифференциальный усилитель является простой схемой, но его практическое применение довольно сильно ограничено. Лучше использовать чуть более сложную, но качественную схему измерительного усилителя.
Инвертор 12 В/ 220 В
Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно…
Подробнее
Categories Справочник Tags ОУ
Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение
Опубликовано: Автор: Небесный Андрей
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.
Содержание статьи
- Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ
- Дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления
- Повторители для повышения входного сопротивления дифференциального усилителя
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.
При необходимости получения очень большого коэффициента усиления дифференциального усилителя применяется Т-образная обратная связь, показанная на рисунке.
Достоинство этой схемы состоит в том, что она позволяет использовать удобные сопротивления резисторов, и не создает опасности присутствия паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.
Так в случае, если R2=R5=100 кОм, а R6=1 кОм, то представленная цепь работает как один резистор с сопротивлением 10 МОм.
Повторители для повышения входного сопротивления дифференциального усилителяДля обоих схем дифференциальных усилителей сопротивление источника должно быть меньше 25 Ом для обеспечения КОСС 100дБ.
Однако это неприемлемые требования для большинства источников, в частности стандартная головка микрофона обладает сопротивлением в 600Ом, а тензодатчик имеет внутреннее сопротивление около 350 Ом.
Для решения этой проблемы прибегают к использованию повторителей, устанавливаемых по входам, как это изображено на следующей схеме.
При таком включении и использовании современных ОУ можно получить колоссальное значение входного полного сопротивления, такое, что вопросы полного сопротивления источника уже не должны нас волновать. Однако это справедливо лишь для низких частот, т.к. для высоких частот входная емкость в комбинации с сопротивлением источника образуют делитель напряжения.
Для решения этой проблемы применяется схема инструментального (измерительного) усилителя, которому посвящена отдельная статья. Сам по себе инструментальный усилитель — это готовый микрофонный предусилитель.
Схема дифференциального усилителя на операционном усилителе
В этом уроке мы узнаем об одной из важных схем в разработке аналоговых схем: дифференциальном усилителе.
По сути, это электронный усилитель, который имеет два входа и усиливает разницу между этими двумя входами. Мы увидим работу дифференциального усилителя, рассчитаем его коэффициент усиления и CMRR, перечислим некоторые важные характеристики, а также увидим пример и приложение.
Краткое описание
Введение
Операционный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель (его первый каскад) с другими важными характеристиками, такими как высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и т. д. Для получения дополнительной информации об операционных усилителях см. Основы операционных усилителей.
Конфигурация дифференциальной пары или дифференциального усилителя является одним из наиболее широко используемых строительных блоков в аналоговых интегральных схемах. Это входной каскад каждого операционного усилителя.
Дифференциальный усилитель или дифференциальный усилитель усиливает разницу между двумя входными сигналами. Операционный усилитель — это разностный усилитель; он имеет инвертирующий вход и неинвертирующий вход.
Но коэффициент усиления по напряжению разомкнутого контура операционного усилителя слишком высок (в идеале бесконечен), чтобы его можно было использовать без обратной связи.
Итак, практический дифференциальный усилитель использует отрицательную обратную связь для управления коэффициентом усиления усилителя по напряжению.
Дифференциальный усилитель
На следующем рисунке показан простой дифференциальный усилитель с операционным усилителем. Здесь V 1 — неинвертирующее входное напряжение, V 2 — инвертирующее входное напряжение, а V OUT — выходное напряжение.
Если вы наблюдаете приведенную выше схему дифференциального усилителя, то это комбинация как инвертирующего усилителя, так и неинвертирующего усилителя. Итак, чтобы рассчитать выходное напряжение дифференциального усилителя, мы будем использовать как инвертирующий, так и неинвертирующий выходы и суммировать их вместе.
Расчет выходного напряжения
Пусть V + будет напряжением на неинвертирующем выводе, а V – будет напряжением на инвертирующем выводе указанной выше схемы дифференциального усилителя.
Мы можем рассчитать значение V + , используя правило делителя потенциала.
Резисторы R 1 и R 2 образуют цепь делителя напряжения с V 1 в качестве входного напряжения и V + в качестве выходного напряжения, а это V + применяется к неинвертирующему терминалу. Итак,
V + = V
Если V + является входом неинвертирующего терминала, а G + является коэффициентом усиления неинвертирующего усилителя, то неинвертирующий выход V OUT+ определяется как:
V OUT+ = В + Г +
Из приведенной выше схемы мы можем рассчитать неинвертирующий коэффициент усиления G + как:
G + = (R 3 + R 4 ) / R 3 = 1 + (R 4 / R 3 )9
Использование значений V + и G + В уравнении V OUT + , мы получаем
V OUT +
Поступая на инвертирующий выход V OUT– , мы должны вычислить его относительно инвертирующего входа V 2 и усиление инвертирования G –.
В ВЫХ– = В 2 Г –
Из приведенной выше схемы мы можем рассчитать усиление инвертирования G – как:
G – = – R 4 / R 3
Итак, В ВЫХ– определяется как:
В ВЫХ– = В 2
У нас есть как V OUT+ , так и V OUT– значений. Чтобы получить окончательное значение V OUT , мы должны сложить эти значения.
В ВЫХ = В ВЫХ + + В ВЫХ–
V OUT = V 1 (R 2 / R 1 + R 2 ) (1 + (R 4 / R 3 )) — V 2 (R / R ))) — V 2 (R / R ))))) — V 2 (R / R )))))))) 4 / Р 3 )
Это выходное напряжение дифференциального усилителя.
Если мы применим эти значения в приведенном выше уравнении, мы получим выходное напряжение как: / Р 3 (В 1 – В 2 )
Теперь из этого уравнения видно, что дифференциальное напряжение (В 1 – В 2 ) умножается на коэффициент усиления R 2 /Р 1 . Следовательно, это дифференциальный усилитель.
Альтернативный способ расчета выходного напряжения
Давайте теперь рассчитаем выходное напряжение, определив ток на инвертирующем входе операционного усилителя. Предположим, что для дифференциального усилителя используется следующая схема. Эта схема аналогична предыдущей, за исключением того, что это частный случай R 3 = R 1 и R 4 = R 2 предыдущей схемы.
Во-первых, мы должны определить напряжение на неинвертирующем выводе (В + ). Мы уже рассчитали это в предыдущем выводе, используя правило делителя напряжения. Значение определяется как:
V + = V 1 (R
Теперь, исходя из базового понимания операционного усилителя, мы можем сказать, что ток не поступает ни на входы, ни на входы операционного усилителя. Итак, ток, поступающий на инвертирующую клемму I 1 совпадает с током, выходящим из клеммы I 2 .
Я 1 = Я 2
Используя это правило в качестве ссылки, мы можем применить текущий закон Кирхгофа к инвертирующему входному терминалу, и мы получим:
(V 2 – V – ) / R 1 = (V6 – – В ВЫХ ) / Р 2
Еще одно важное правило операционного усилителя заключается в том, что он старается поддерживать одинаковое напряжение на входных клеммах.
После замены и некоторых вычислений получаем:
V OUT = R 2 / R 1 (V 1 – V 2 )
ПРИМЕЧАНИЕ: Во всех предыдущих расчетах мы брали специальный как R 3 = R 1 и R
Если используется это условие, то говорят, что сопротивления находятся в сбалансированном мосту.
Важные параметры дифференциального усилителя
Давайте теперь рассмотрим некоторые важные параметры дифференциального усилителя. Это:
- Усиление
- Синфазный вход
- Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
Коэффициент усиления дифференциального усилителя
Коэффициент усиления дифференциального усилителя представляет собой отношение выходного сигнала к разности входных сигналов.
Из предыдущих расчетов получаем выходное напряжение V OUT как
V OUT = R 2 / R 1 (V 1 – V 2 )
Итак, коэффициент усиления дифференциального усилителя A D равен
A D = V OUT / (V 1 – V 2 ) = R 2 / R 1
Синфазный вход
Во всех предыдущих расчетах мы исходили из условия сбалансированного моста, т. е. R 3 / R 4 = R 1 / R 2 . Чтобы понять уникальную характеристику дифференциального усилителя или дифференциального усилителя, мы должны взглянуть на входные компоненты дифференциального режима и синфазного входа.
Вход дифференциального режима V DM и вход синфазного режима V CM задаются следующим образом:
В СМ = (В 1 + В 2 ) / 2
Переставляя два приведенных выше уравнения, получаем
V 1 = V CM + V DM / 2 и V 2 = V CM – V 20
Следующая схема показывает синфазные входные сигналы.
Поскольку усилитель разности усиливает только компонент разностного режима, он игнорирует компонент общего режима. Если мы свяжем входы вместе, V DM станет 0, а V CM станет ненулевым значением.
Но настоящий дифференциальный усилитель даст V OUT = 0, так как он полностью игнорирует синфазную часть входного сигнала. Из-за этого дифференциальный усилитель часто используется на входном каскаде системы для удаления постоянного или синфазного шума со входа.
Все эти расчеты верны тогда и только тогда, когда сопротивления образуют состояние сбалансированного моста. Поскольку выход практического дифференциального усилителя зависит от отношения входных сопротивлений, если эти отношения резисторов не равны, синфазное напряжение V CM не будет полностью компенсировано. Поскольку идеально согласовать соотношения резисторов практически невозможно, вероятно, будет некоторое синфазное напряжение.
При наличии синфазного входного напряжения выходное напряжение дифференциального усилителя определяется как
V OUT = A D V DM + A C V CM
, где v DM является разностным напряжением V 1 — V 2
V CM — это напряжение общего режима (V 1 + V 2 ) / 2
A D 2020202 и A C — коэффициенты усиления дифференциального и синфазного режима соответственно.
Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
Способность дифференциального усилителя подавлять входные сигналы синфазного сигнала выражается коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR). Коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциального усилителя математически определяется как отношение коэффициента усиления дифференциального напряжения (A D ) дифференциального усилителя на усиление синфазного сигнала (A C ).
CMRR = A D / A C
В децибелах (дБ) CMRR выражается как
CMRR дБ = 20 log 10 (| A D / A C |)
Для идеального дифференциального усилителя усиление синфазного напряжения равно нулю. Следовательно, CMRR бесконечен.
Характеристики дифференциального усилителя
- Высокий коэффициент усиления дифференциального напряжения
- Низкое усиление синфазного сигнала
- Высокое входное сопротивление
- Низкое выходное сопротивление
- Высокий КОСС
- Большая пропускная способность
- Низкие напряжения смещения и токи
Дифференциальный усилитель в качестве компаратора
Схема дифференциального усилителя является очень полезной схемой операционного усилителя, поскольку ее можно сконфигурировать для «суммирования» или «вычитания» входных напряжений путем подходящего добавления дополнительных резисторов параллельно с входными резисторами.
Схема дифференциального усилителя с мостом Уитстона показана на следующем рисунке. Эта схема ведет себя как дифференциальный компаратор напряжения.
Подключив один вход к фиксированному напряжению, а другой к термистору (или светозависимому резистору), схема дифференциального усилителя определяет высокие или низкие уровни температуры (или интенсивности света), когда выходное напряжение становится линейная функция изменения активной ветви резистивной мостовой сети.
Дифференциальный усилитель с мостом Уитстона также можно использовать для определения неизвестного сопротивления в цепи резистивного моста путем сравнения входных напряжений на резисторах.
Переключатель, активируемый светом, с использованием дифференциального усилителя
Схема, показанная на следующем рисунке, действует как переключатель, зависящий от света, который включает или выключает выходное реле в зависимости от интенсивности света, падающего на светочувствительный переключатель.
резистор (LDR) превышает или опускается ниже предварительно установленного значения на неинвертирующем входе V 2 .
Напряжение В 2 определяется переменным резистором V R1 . Резисторы R 1 и R 2 выполняют роль сети делителя потенциала. На инвертирующий вход подается фиксированное опорное напряжение через R 1 и R 2 .
Эту же схему можно модифицировать для обнаружения колебаний температуры, просто заменив фоторезистор термистором. Поменяв местами LDR и V R1 , цепь может быть настроена на обнаружение темноты или света (или тепла или холода в случае термистора).
Пример дифференциального усилителя
Определите выходное напряжение дифференциального усилителя для входных напряжений 300 мкВ и 240 мкВ. Дифференциальный коэффициент усиления усилителя равен 5000, а значение CMRR равно
(i) 100
(ii) 10 5
Дифференциальный усилитель для данных данных представлен, как показано на рисунке.
Для CMRR = 100:
CMRR = A D / A C
100 = 5000 / А С
Итак, А С = 50
Напряжение дифференциального режима В DM
В DM = В 1 – В 2 = 300 мкВ – 240 мкВ = 60 мкВ
Синфазное напряжение В CM
В CM = (В 1 + В 2 ) / 2 = 540 мкВ / 2 = 270 мкВ
Выходное напряжение В OUT
В OUT = A D В DM + A C В CM
= 5000 x 60 мкВ + 50 x 270 мкВ
В ВЫХОД = 313500 мкВ = 313,500 мВ
Для CMRR = 10 5 :
A C = A D / CMRR = 5000 / 10 5 = 0,05
В ВЫХ = А D В DM + А С В CM = 5000 x 60 мкВ + 0,05 x 270 мкВ
В ВЫХОД = 300013,5 мкВ = 300,0135 мВ
ПРИМЕЧАНИЕ: Для идеального разностного усилителя или дифференциального усилителя A C равно 0.
Таким образом, на выходе будет только A D V DM , что приводит к V OUT = 5000 x 30 мкВ. мВ.
Обзор дифференциального усилителя
- Дифференциальный усилитель, также известный как дифференциальный усилитель, представляет собой очень полезную конфигурацию операционного усилителя, которая усиливает разницу между входными напряжениями.
- Дифференциальный усилитель представляет собой комбинацию инвертирующих и неинвертирующих усилителей. Он использует соединение с отрицательной обратной связью для управления усилением дифференциального напряжения.
- Дифференциальное усиление по напряжению усилителя зависит от соотношения входных сопротивлений. Поэтому, тщательно выбирая входные сопротивления, можно точно контролировать коэффициент усиления дифференциального усилителя.
- Синфазное усиление идеального дифференциального усилителя равно нулю. Но из-за несоответствия практических номиналов резисторов будет очень маленькое синфазное напряжение и конечное синфазное усиление.
- Соответствующим образом изменив соединения резисторов на входных клеммах, разностный усилитель может складывать, вычитать и сравнивать уровни приложенного входного напряжения.
Что такое дифференциальный усилитель?
Изменено:
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 BJTРассматривая 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;
- Несимметричный выход с одним входом
- Балансный выход с одним входом
- Несимметричный выход с двумя входами
- 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.
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, чем входные сопротивления, 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 напряжению в синфазном режиме 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 усилителяУравнение 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. Следовательно, выражение выходного напряжения будет следующим:
V0 = -[V1 – V2]
Применение дифференциальных усилителей
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 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 — это два входа, а V01 и V02 — выходы 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.
Несимметричный дифференциальный усилитель
Несимметричный дифференциальный усилительНесимметричные 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 подходящего 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 рисунке ниже показана схема дифференциального усилителя по мосту Уитстона. Эта схема ведет себя как дифференциальный компаратор напряжения, как обсуждалось ранее.
Дифференциальный усилитель моста УитстонаСхема 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 сопротивлений неизвестных резисторов в резистивной гребенчатой сети. Это можно сделать, сравнив входные напряжения на резисторах в резистивной гребенчатой сети.
