3. Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители дают возможность усиливать слабые сигналы на фоне сильных синфазных сигналов (помех).

Функциональная схема дифференциального усилителя показана на рис. .3.

Вход схемы дифференциального усилителя должен быть по возможности симметричным.

В схемах дифференциального усилителя, как правило используется прецизионные резисторы с допуском по номиналу не хуже 1 %. Если Е₁ заменить коротко замкнутой цепью (точку 1 соединить с землей), то для источника сигнала Е₂ схема будет выглядеть как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равном – m (согласно формуле (.4). Следовательно, при этом выходе будет напряжение (формула .3):

Теперь представим, что замкнут на коротко источник Е₂ (точка 2 на земле), тогда Е₁ делится между резисторами R и mR, и на входе (+) оказывается напряжение Е₁m / (1+m). Для этого напряжения схема представляет неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1+m и

(формулы .8 и 9)

Следовательно Е₁ усиливается схемой в m раз. Когда на входах (+) и (-) присутствуют оба напряжения Е₁ и Е₂ соответственно напряжение на выходе усилителя будет:

(.12)

Это уравнение показывает, что выходное напряжение дифференциального усилителя V_вых пропорционально разности напряжений,

приложенных ко входам (+) и (-).

Рис3 Схема дифференциального усилителя

Коэффициент m называется дифференциальным коэффициентом усиления, он определяется соотношением сопротивлений резисторов в схеме.

(.13)

Очевидно, что при Е₁ = Е₂ выходное напряжение должно быть равно нулю. Другими словами для синфазного входного напряжения V_вых= 0.

Это будет так, если равны между собой отношения сопротивлений резисторов mR и R₁, задающих коэффициент усиления инвертирующего усилителя, и резисторов mR и R цепи делителя напряжения (на входе (+)), а так же наличие симметрии в самом операционном усилителе.

На практике равенства этих отношений добиваются установкой последовательно с одним из резисторов потенциометра. Этот потенциометр настраивают так, чтобы при закороченном входе (точки 1 и2) V_вых стало равно «0». При этом коэффициент усиления синфазного V_вых / Е_синф приближается к «0». Именно это свойство позволяет выделить слабый сигнал из сильной помехи.

2.2 Смещение, сдвиги , дрейф и ачх операционных усилителей в отличии от идеального оу существует ряд параметров, которые вносят вклад в ошибку в выходное напряжение оу.

Токи смещения – токи поступающие на входы (+) и (-) ОУ.

Обычно ток смещения входа (-) I_см^- не равен току смещения (+) I_см⁺.

В паспорте на ОУ производителем часто приводится средний входной ток смещения :

(2.1)

Величина I_см лежит в диапазоне от 1 мкА и больше для ОУ общего применения до 1 пА и меньше у ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Входной ток сдвига – разность между абсолютными значениями токов смещения I_см⁺ и I_см^-.

(2.2)

Изготовители ОУ определяют I_{вх сдв} при V_вх= 0 В и температуре +25˚С.

Типичное значение I_{вх сдв} по крайней мере в 4 раза меньше среднего входного смещения I_см.

Входное напряжение сдвига (V_вх сдв) – приведенное к входу ОУ напряжение, вызванное суммарным эффектом всех внутренних небалансов схемы ОУ.

V_{вх сдв} усиливается точно также, как любой сигнал, приложенный к входу (+) неинвертирующего усилителя

(2.3)

Резистор компенсации по току и напряжению сдвига , его сопротивление равно сопротивлению параллельно соединенных резистор ов R_вх и R_ос.

(2.4)

Дрейф Температурные изменения тока и напряжения сдвига выражают понятие дрейф. Дрейф тока сдвига дается обычно в спецификациях в наноамперах на градус Цельсия (нА/˚С), а для напряжения сдвига – в микровольтах на градус Цельсия(мкВ/˚С).

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ )показывает во сколько раз амплитуда сигнала на выходе системы отличается от амплитуды входного сигнала на всём диапазоне частот.

На графике АЧХ по оси абсцисс откладывается частота, а по оси ординат отношение амплитуд выходного и входного сигналов системы. Обычно для частоты используется логарифмический масштаб, так как исследуемый диапазон частот может изменяться в достаточно широких пределах (от единиц до миллионов Гц или рад/с). В случае когда логарифмический масштаб используется и на оси ординат, АЧХ превращается в логарифмическую амплитудно-частотную характеристику.