3.3.3. Інструментальні диференційні підсилювачі

Такі підсилювачі мають високий вхідний опір по обох входах і забезпечують встановлення заданого коефіцієнта підсилення з допомогою одного змінного підсилення.

Схема диференційного підсилювача, побудованого на двох ОП і наділеного вказаними якостями, показана на рис. 3.10.а. Для цього підсилювача при R₂/R₃=R₅/R₄ вихідну напругу можна знайти за формулою

. (3.31)

Якщо прийняти R₂ = R₃ = R₄ = R₅, то рівняння (3.30) приймає вигляд

. (3.32)

Рис.3.10 - Схеми інструментальних підсилювачів

Даний підсилювач іноді використовують без резистора R₁ (R₁=∞), але при цьому він втрачає одну з своїх позитивних якостей – можливість регулювання коефіцієнта підсилення різницевого сигналу U₂-U₁, з допомогою одного резистора R₁. Абсолютна зведена до виходу підсилювача похибка визначатиметься як

, (3.33)

Вищий коефіцієнт послаблення синфазного вхідного сигналу забезпечує диференційний підсилювач на трьох ОП. Схема якого показана на рис. 3.10.б. Резистори R₄–R₇, що входять до складу цього підсилювача, повинні визначатись відношенням R₇/R₆ = R₅/R₄. Тоді вихідна напруга вираховується за простою формулою

(3.34)

В принципі в підсилювачі за схемою рис.3.10.б можна замість вхідних підсилювачів, виконаних на основі ОП А₁ і А₂, можна встановити повторювачі напруги (це досягається при R₁= ∞). Але при цьому втрачається можливість регулювання підсилення з допомогою одного резистора (R₁ в схемі рис. 3.11,б), і, окрім цього, зменшується коефіцієнт послаблення синфазного сигналу. В цьому неважко переконатися, якщо знайти напругу на виходах ОП А₁ і А₂. Відносний рівень синфазної складової цієї напруги менший, ніж ідентичний рівень для вхідних сигналів U₁ і U₂.

3.3.4. Похибки диференційних підсилювачів

Похибки диференційних підсилювачів практично визначаються такими ж факторами, що й похибки інвертувальних і неінвертувальних підсилювачів, а саме неточністю резисторів, які використовуються та неідеальністю операційних підсилювачів і транзисторів. В принципі диференційний підсилювач можна розглядати як з'єднання інвертувального і неінвертувального підсилювачів. Тому співвідношення, які отримані під час аналізу похибок цих підсилювачів, часто можуть з деякими змінами використовувати і для опису похибки диференційних підсилювачів. Згадані зміни стосуються перш за все вхідного сингалу; для диференційного підсилювача корисним вхідним сигналом є диференційна вхідна напруга U_д=(U₂-U₁).

Розглянемо, наприклад, похибки простого диференційного підсилювача. схема якого показана на рис. 3.8,а. Напруга зміщення і вхідні струму ОП викличуть в цьому підсилювачі зміни вхідної напруги на величину, яку можна знайти за формулою, подібною до формули (3.14);

.

Для того, щоб зменшити похибку від вхідних струмів, доцільно встановити R₁ = R₃ і R₂ = R₄. Тоді отримаємо

Приведену похибку знайдемо, відносячи ∆U_вих до номінальної вихідної напруги U_{вих.ном.}

(3.35)

де U_д.ном – номінальний диференційний вхідний сигнал.

Формула (3.35) практично співпадає з отриманою раніше формулою (3.17). Якщо в диференційному підсилювачі проведена початкове коригування нуля, то адитивна складова похибки в подальшому буде викликана в основному температурним дрейфом напруги зміщення і різниці вхідних струмів. В такому випадку можна застосувати формулу (3.18), замінивши в ній U_д.ном на U_вх.ном .

Неточність резисторів диференційного підсилювача за схемою рис. 3.8.а викликають як мультиплікативні, так і адитивні складові похибок.

Перетворимо рівняння (3.27) наступним чином :

(3.36)

де U_д. і U_еф. – диференційний і синфазний вхідні сигнали ; U_д.=U₁-U₂, U_еф=(U₁+U₂)/2.

Корисним вхідним сигналом підсилювача є диференційний сигнал. Тому неточність коефіцієнта при напрузі U_д в (3.35) приводить до мультиплікативної складової похибки, а нерівність нулю частини, яка містить U_сф, - до адитивної складової похибки. Аналізуючи (3.33) і враховуючи, що номінально R₂R₃=R₁R₄, отримаємо в кінцевому результаті формулу відносної мультиплікативної і приведеної адитивної складової похибки:

, (3.37)

. (3.38)

Адитивна складова похибка, визначається рівнянням (3.36), викликається тим, що неточність резисторів призводить до появи відмінного від нуля коефіцієнта передачі синфазного вхідного сигналу. Окрім неточностей резисторів на коефіцієнт передачі синфазного сигналу впливає коефіцієнт М_сф її послаблення операційним підсилювачем, що застосовується. Нагадаємо, що коефіцієнт послаблення синфазного сигналу ОП М_сф – це відношення синфазного вхідного сигналу до викликаного ним сигналу зміни напруги зміщення ОП дорівнює U₂ R₄/(R₃ + R₄). Відповідно він викликає напругу зміщення, рівне [U₂R₁/(R₃+R₄)]/М_сф. Враховуючи, що R₁ = R₃ і R₂ = R₄ , і беручи до уваги тільки похибку від нерівного нескінечності коефіцієнта М_сф, отримуємо

(3.39)

Наближене рівняння в останньому співвідношенні вірне при U_сф >>U_д, так як в цьому випадку U_сф=(U₁+U₂)/=U₂–(U₂–U₁)/2≈U₂. Відповідна приведена адитивна похибка буде рівна

. (3.40)