3.5.4. Дифференциальный усилитель

В схеме дифференциального усилителя (рис. 3.19) входная цепь выполнена так, что подача сигнала обратной связи совмещена с наличием дифференциального входа, фактически эта схема представляет собой комбинацию схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Если неинвертирующий вход заземлить (U_{вх. 2}=0), а на инвертирующий вход подать сигнал U_{вх. 1}, то получившаяся схема будет эквивалентна инвертирующему усилителю с коэффициентом усиления по напряжению –R_ОС/R₁. Если входы поменять местами, то получится неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления по напряжению R_ОС/R₁. Относительное ослабление синфазного сигнала, в принципе, может быть таким же большим, каким оно является у самого ОУ, но на практике оно ограничено допусками на сопротивления резисторов.

Рис. 3.19. Дифференциаль­ный усилитель

В общем случае имеем:

U_{вх. 1}=I₁R₁+I₁R_ОС+U_вых; (3.14)

U_{вх. 2}=I₂R₂+I₂R₃; (3.15)

U_{вх. 1}=I₁R₁+U_см+I₂R₃≈I₁R₁+I₂R₃. (3.16)

Из уравнений (3.14) и (3.15)

Подставляя значения токов в уравнение (3.16), получаем:

(3.17)

Коэффициент усиления дифференциального сигнала (при U_{вх. 2}=0)

(3.18)

При синфазном сигнале на входе U_{вх. 1}=U_{вх. 2}=U_сф, поэтому

(3.19)

При R₃/R₂=R_ОС/R₁ K_сф=0. Небольшие изменения в величинах резисторов схемы могут повлиять на коэффициент усиления синфазного сигнала.

Отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала, выраженное в децибелах, называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала (K_ОСС):

(3.20)

Типичные значения K_ОСС 80—100 дБ.

В случае, если сопротивления всех резисторов в схеме одинаковы R₁=R₂=R₃=R_ОС,

U_вых=U_{вх. 2}–U_{вх. 1}. (3.21)

Входное сопротивление схемы по инвертирующему входу при заземленном входе U_{вх. 2} равно R₁, а по неинвертирующему при заземленном входе U_{вх. 1} — R₂+R₃, при этом они могут различаться весьма существенно. Но ведь одним из важных применений дифференциального усилителя является подавление с его помощью фона и помех, которые наводятся на подводящих проводах. Если сопротивление источника сигнала не мало, то значительное различие входных сопротивлений становится существенным недостатком.

Обычно бывает можно пожертвовать оптимальными условиями согласования по постоянному току, беря сопротивления такими, чтобы выполнялись равенства: R₂+R₃=R₁; R₃/R₂= =R_ОС/R₁; при этом входные сопротивления выравниваются, а коэффициент подавления синфазной помехи остается большим. Для получения больших значений этого коэффициента используют дифференциальные усилители на нескольких ОУ (с повторителями напряжения на входах).

R_ОС

U _с.1 R_c U₁, I₁ R₁

U_вых

U_с.2 R_c U₂, I₂ R₂=R₁

R₃=R_ОС

Рис. 3.20. Схема дифференциального усилителя с учетом выходных сопротивлений входных источников

Теперь рассмотрим схему рис. 3.20, в которую включены напряжения источника и его выходные сопротивления (выделенная в рамку область):

Теперь, даже если входные напряжения U_с1=U_с2 и резисторы R_с абсолютно идентичны, то U₁ все равно отличается от U₂ из-за разницы входных сопротивлений, что проявляется в наличии некоторого синфазного сигнала. Разница напряжений U₁ и U₂ уменьшается при снижении сопротивления R_с. При R_с=0 напряжения U₁=U₂=U_с, усиление синфазного сигнала равно нулю. Для достижения наибольшего коэффициента ослабления синфазного сигнала источник сигнала должен иметь низкоомный выход — как, например, у повторителя напряжения.

Дифференциальный усилитель с входными повторителями напряжения (рис. 3.21). Входное сопротивление такого усилителя

R_ОС

U_вх.1 R₁

U_вых

U_вх.2 R₂

R₃

Повторители напряжения с единич­

ным усилением (=1): высокий вход­

ной импеданс, низкоомный выход

Рис. 3.21. Схема дифференциального усилителя с входными повторителями напряжения

R_{вх. нов}=R_{вх. ст}(1+K_U)R_{вх. ст}K_U

(при K_U~10⁵>>1).

Для источника сигнала будет нагрузкой только высокий импеданс входного каскада — этим достигается максимальная передача полезного сигнала U_с и исключается неравномерность нагрузки источника сигнала.

На сам усилитель поступает сигнал источника (входного каскада) с малым выходным сопротивлением — выходное сопротивление операционного усилителя R_вых очень низкое (~75 Ом). Увеличивается K_ОСС. Эффект от импеданса источника гораздо более значителен в K_ОСС, чем от несовпадения номиналов резисторов.

Дифференциальный усилитель с перекрестными обратными связями входных каскадов (рис. 3.22). Входной каскад не является дифференциальным усилителем. Разница выходных напряжений равна разнице входных напряжений, помноженной на усиление. Синфазный сигнал проходит через схему без усиления. Только дифференциальный усилитель в совокупности ослабляет синфазный сигнал.

Резисторы обратной связи R₁ и R₂ предназначены для поддержания равного потенциала на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ, поскольку на выводах R фактически присутствуют напряжения U_{вх. 1} и U_{вх. 2}.

U _вх.1 U₀₁

R₁

U_сф R

R₂

U_вх.2 U₀₂

Рис. 3.22. Схема входного каскада диффе­ренциального усилите­ля с перекрестными обратными связями

Теперь,

U_{вх. 1}–U_{вх. 2}=IR, U₀₁–U_{вх. 1}=IR₁, U_{вх. 2}–U₀₂=IR₂,

Отсюда усиление входного каскада

Таким образом, усиление входного каскада может быть изменено путем подстройки всего одного резистора. Усиление каскада увеличивается с уменьшением R. При очень больших значениях R коэффициент усиления приближается к 1.

Если входной сигнал содержит синфазную составляющую напряжения U_сф, то:

Поскольку синфазный сигнал не усиливается, то

Тогда коэффициент ослабления синфазного сигнала усилителя с перекрестными обратными связями

Но

Если R₁=R₂, то

Следовательно, K_сф=1.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОСС=K_вх/K_сф, но K_сф=1, поэтому K_ОСС= =K_вх. Но K_вх является коэффициентом усиления входного каскада, который изменяется посредством R. Это означает, что КОСС можно изменять. Для наибольшего значения КОСС требуется большое значение усиления K_вх, следовательно, малая величина сопротивления R.