Если напряжение наблюдается относительно одного из выходных зажимов (рис. 3.3, б), то оно окажется усиленной разностью входных сигналов.

Если же на входы подаются одинаковые по величине (амплитуде) и одинаковые по знаку (фазе) сигналы, то на каждом из в ы- ходов относительно общей точки сигналы будут нулевые (рис. 3.3, в). Нулевым окажется и выходной сигнал относительно любого из выходных зажимов (рис.3.3, г).

Именно это качество дифференциальных усилителей и соответствует повышению помехозащищенности электронных устройств. Так если на входе и выходе линии связи используются дифференциальные усилители (рис. 3.3, д), то по проводам линии связи (витая пара) транспортируются два противофазные (парафазные) напряжения относительно общей точки.

Внешние помехи наводят на провода линий связи одинаковые по величине и фазе напряжения – синфазные напряжения. На конце линии дифференциальный усилитель производит вычитание напряжений, поступающих на его вход по тому и другому проводам. В результате полезный сигнал наблюдается на входе дифференциального усилителя, в конце линий, в виде суммы напряжений, транспортируемых по отдельным проводам, а напряжение помехи обнуляется.

Такая организация линий передачи сигналов повышает их помехозащищенность не только от внешних магнитных полей, но и от продольных помех, образующихся на общих проводах – на общей шине (рис. 3.3, е). Здесь Uш одинаково транспортируется по проводам линии связи и обнуляется на выходном конце линии дифференциальным усилителем.

3.3. Устройство дифференциальных усилителей и основные определяющие их параметры

Коммерчески доступные дифференциальные усилители выполняются по различным схемам и имеют разную структуру. Одна из упрощенных схем построения дифференциальных усилителей, использующая дифференциальные входные каскады, представлена на рис. 3.4.

69

вышающей 0,08°. При этом одинаковость выходных напряжений практически не зависит от коэффициентов передачи каналов. С другой стороны, подавая на специальный вывод постоянное напряжение смещения можно смещать в ту или другую сторону н а- пряжения, наблюдаемые на отдельных выходах относительно об-

щей точки. При этом Uвых1 см = Uвых2 см = Uвх см.

Любой дифференциальный усилитель определяется:

•входным дифференциальным Uвх диф = Uвх(+) – Uвх(–) и входным синфазным напряжением Uвх сс = (Uвх(+) + Uвх(–))/2;

•выходным дифференциальным напряжением Uвых диф=Uвых(+) –

–Uвых(–) и выходным синфазным напряжением Uвых сс = (Uвых(+) +

Uвых(–))/2;

•выходным напряжением смещения Uвых см = Uвх см;

•коэффициентом усиления каждого канала по напряжению Ku. По входу дифференциальный усилитель аналогичен обычному

операционному усилителю, он хорошо подавляет синфазный сигнал, т.е. обладает высоким коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС) и приблизительно столь же высоким коэффициентом ослабления пульсаций напряжения питания (КОНП).

На качество работы усилителя влияют входные токи смещения усилителя, его входной ток сдвига и входное напряжение сдвига.

3.4. Схемы включения дифференциальных усилителей

Усилитель может быть включен по схеме дифференциального устройства по входу и выходу. На рис.3.5 приведена полная схема включения дифференциального усилителя.

Питание усилителя осуществляется от источника напряжения со средней точкой. Возможно и питание его от однополярного источника напряжения. Как и в любом операционном усилителе, на выводы питания возможно ближе к корпусу подключаются параллельно по два конденсатора С1 и С2. Один из них танталовый электролитический, емкостью около 10 мкФ, а другой керамический, имеющий емкость около 0,1 мкФ. Как и при анализе обычных операционных усилителей, источники питания на схемах не указываются.

71

–Uп

Rос2

Рис. 3.5

Проанализировать данную схему легко, например, методом узловых потенциалов.

Полагая равенство сопротивлений резисторов R1 = R2 = R и Rос1 = Rос = Rос2, а также практически бесконечное усиление кана-

лов усилителя по напряжению Ku ≈ ∞, получаем

Uвых(+) = [Uвх(+) – Uвх(–)]Rос /R + Uвх см;

Uвых(–) = [Uвх(–) – Uвх(+)]Rос /R + Uвх см;

Uвых диф = 2[Uвх(+) – Uвх(–)]Rос /R.

Отсюда следует, что разностное входное напряжение усиливается дифференциальным усилителем так, что на каждом из выходов наблюдается усиленное переменное напряжение, смещенное относительно общей точки. Это значит, что присъеме сигнала с одного из выходов и дифференциальном входном сигнале усилитель может усиливать даже при однополярном питании. При этом в случае усилителей R-t-R, если принять смещение равным Uвх см= =U п/2, максимальная амплитуда выходного напряжения окажется приблизительно равной половине напряжения питания. Выходное дифференциальное напряжение оказывается здесь копией входно-

72

го, усиленного во столько же раз, во сколько усиливает инвертирующий усилитель на обычном операционном усилителе.

Дифференциальный усилитель позволяет усиливать однофазные сигналы, преобразуя их в парафазные (рис. 3.6).

Rос

R

R+

–

Uвх см

Rос

Рис. 3.6

Используя, например, метод узловых потенциалов, и в этой схеме легко получить:

Uвых(+) = Uвх(+)Rос /R + Uвх см;

Uвых(–) = –Uвх(+)Rос /R + Uвх см;

Uвых диф = Uвх(+)Rос /R.

Данные соотношения позволяют сделать ряд выводов. Вопервых, при двухполярном питании усилителя на его выходах относительно общей точки наблюдаются переменные напряжения, смещенные относительно общей точки и по форме подобные входным сигналам. Усиление входных сигналов здесь такое же, как и в обычных инвертирующих усилителях. Во-вторых, при однополярном питании усилитель усиливает положительные им-

пульсные входные сигналы даже при Uвх см = 0.Если U вх см ≠ 0, то положительные смещенные импульсы будут наблюдаться не от нуля, а от Uвх см. В-третьих, однофазный входной сигнал переменного тока преобразуется в парафазный.

Из приведенных соотношений следует, что дифференциальные усилители хорошо подавляют синфазную и продольную помехи, если выполняется условие R1 = R2 = R и Rос1 = Rос2 = Rос. При этом

73

одинаково смещаются выходные напряжения, т.е. Uвх см не влияет на разностное выходное напряжение. Это условие сохраняется и

если Rос1 ≠ Rос2 и R1 ≠ R2 при равенстве отношений R1/(R1+Rос1) = = R2/(R2+Rос2).

К сожалению, при этом на выход усилителя начинают проходить входной синфазный сигнал и продольная помеха. Помехозащищенность от воздействия синфазной или продольной составляющей на входе ухудшается, если упомянутое равенство нарушается даже вследствие допусков на резисторы цепей внешних обратных связей. Так, несогласование сопротивлений резисторов порядка 1% приводит к изменению ослаблению входной синфазной помехи с 90 до 40 дБ.

Хорошо сбалансированные дифференциальные усилители в сочетании с двумя диодами Шоттки позволяют строить двухполупериодные выпрямители высокочастотных сигналов очень малого уровня (рис. 3.7).

Рис. 3.7

Диоды Шоттки выбраны по той причине, что они могут работать на частотах до десятков мегагерц. На более низких частотах можно использовать обычные кремниевые диоды. Поскольку, как известно, пороговые напряжения диодов Шоттки составляют порядка 0,3...0,4 В, то для выпрямления переменных напряжений очень малого уровня необходимо их смещение. Оно осуществляется переменным резистором R3 и источником напряжения Uп.

74