2.3.3. Дифференциальный усилитель

Д ифференциальный усилитель (рис.7), так же, как и дифференциальный каскад, предназначен для усиления разности двух входных напряжений, но в отличие от него охвачен глубокой отрицательной ОС.

Для точного вычитания необходимо обеспечить равенство коэффициентов усиления как первого, так и второго входных напряжений, рассматриваемых по отдельности (принцип суперпозиции):

. (4)

Левая часть равенства (4) - это коэффициент усиления (2) инвертирующего усилителя для U_вх1. Его находим при U_вх2 = 0. При этом в вывод неинвертирущего входа ОУ оказывается включенным сопротивление R2 || R4. Однако оно ничтожно мало по сравнению с R_вх.д и на коэффициент усиления не влияет. В правой части (4) первый сомножитель - это коэффициент передачи резистивного делителя напряжения R2, R4, а второй - коэффициент усиления (3) неинвертирующего усилителя для напряжения U_вх2 (находим при U_вх1 = 0).

Разделим обе части равенства (4) на отношение R₃/R₁, а числитель и знаменатель дроби в правой части - на R₄. Получим

,

откуда

.

При этом условии выходное напряжение

пропорционально разности входных напряжений. Иначе говоря, такой усилитель нечувствителен к синфазному входному напряжению, поданному на оба входа одновременно. Однако в реальных ОУ синфазный сигнал все же проходит на выход, хотя и очень слабо.

Известно, что отрицательная ОС по напряжению уменьшает U_вых в глубину раз независимо от точек подачи входного напряжения. Следовательно, в дифференциальном усилителе она одинаково уменьшает оба коэффициента передачи - для дифференциального напряжение (К_д) и для синфазного напряжения (К_сф). Поэтому их отношение, называемое коэффициентом ослабления синфазной помехи К_{осл сф}, для дифференциального усилителя (рис.7) такое же, как и для самого ОУ, т.е.

.

Последней формулой можно воспользоваться для определения K_осл сф , если измерить К_{β сф} = U_вых/U_вх.сф. Здесь U_вх.сф = U_вх1 = U_вх2 и подается при запараллеленных между собой входах схемы рис.7, а К_β  = R₃/R₁ для любого из входов. Тогда

. (5)

В заключение отметим, что во всех рассмотренных усилителях, если они предназначаются для усиления только переменных напряжений, можно обойтись источником питания одной полярности. Соответствующие схемы мы здесь не рассматриваем.

2.4. Сдвиги нуля выходного напряжения и их компенсация

Операционные усилители, как и другие усилители постоянного тока, подвержены дрейфу и сдвигам нуля выходного напряжения. Сдвиг нуля не только вносит ошибку в усиленное постоянное напряжение, но и уменьшает максимально достижимую амплитуду переменного выходного напряжения, так как приводит к одностороннему ограничению. Рассмотрим основные причины сдвига нуля.

2.4.1. Сдвиг от эдс смещения нуля оу

ЭДС смещения нуля ОУ (Е_см) - это постоянное напряжение той или иной полярности, которое необходимо приложить к дифференциальному входу ОУ, чтобы его выходное напряжение сделать равным нулю. Максимально возможное значение Е_см приводится в справочниках и не превышает единиц милливольт, знак его неизвестен и может меняться от экземпляра к экземпляру. Без подачи на вход Е_см постоянное напряжение на выходе ОУ не равно нулю из-за неидеальной симметрии входного ДК и разбаланса всей схемы. Оно называется напряжением сдвига нуля на выходе и обозначается U_вых.0

Реальный ОУ в схеме можно заменить идеальным, не дающим никакого сдвига, т.е. имеющим U_вых.0 = 0, но, последовательно с дифференциальным входом которого, включена ЭДС Е_см. Очевидно, что в этой последовательной цепи можно Е_см включить в любой из входных выводов ОУ. Включим его в вывод неинвертирующего входа (рис.8,а) Тогда Е_см оказывается в роли входного напряжения неинвертирующего усилителя с ОС и передается на выход усилителя с коэффициентом передачи (3), т.е. напряжение сдвига нуля на выходе в схеме с ОС

. (6)

Формулу (6) можно использовать для определения Е_см, если в схеме с ОС измерить выходное напряжение сдвига U_вых.0β. Из (6) видно, что чем больше К_β, тем больше сдвиг нуля на выходе из-за Е_см.