Предварительные (входные) усилители Дифференциальный усилитель

По принципу построения дифференциальный усилитель - это балансный (мостовой) каскад параллельного типа. Базовая схема дифференциального усилителя приведена на рис.2.1.

Рис.2.1. Дифференциальный усилитель.

Рассмотрим дифференциальный усилитель как два каскада, выполненные по схеме с общим эмиттером с общим эмиттерным резистором . Поскольку для дифференциального сигнала приращения напряжений на входах каскадов равны по величине и противоположны по знаку, то приращение напряжения набудет равно нулю и он не будет влиять на коэффициент усиления каждого каскада.

Лекция 6 Операционные усилители

В настоящее время в качестве входных усилителей используются интегральные операционные усилители (ОУ).

Идеальный ОУ обладает бесконечно большим входным и бесконечно малым выходнымсопротивлением, бесконечно большим коэффициентом усиления дифференциального сигналаи нулевым коэффициентом передачи синфазного сигнала. Следовательно, у идеального ОУ, охваченного обратной связью, напряжение инвертирующего входа отличается от напряжения неинвертирующего входа на бесконечно малую величину, а входные токиравны нулю.

Идеальный ОУ не может нормально работать в линейном режиме без внешней цепи обратной связи, так как.

На рис. 2.3 изображена схема инвертирующего усилителя на ОУ.

Рис. 2.3. Инвертирующее включение операционного усилителя.

Так как и(что обусловлено бесконечно большим входным сопротивлением), тои.Следовательно, коэффициент передачи ОУ с обратной связью, в инвертирующем включении, определяется соотношением

.

Для неинвертирующего включения ОУ (рис. 2.4) имеем и,.Таким образом, коэффициент передачи ОУ с цепью обратной связи, возбуждаемого по неинвертирующему входу

,

и ОУ в этом случае не меняет полярность усиливаемого напряжения.

Рис.2.4. Неинвертирующее включение операционного усилителя.

Чтобы измерить напряжение на выходе высокоомного источника сигнала и при этом не внести заметной погрешности, можно использовать неинвертирующий повторитель (рис. 2.5 а), для которого усиление по напряжениюК=1. Обладая высоким входным сопротивлением, такая схема работает как усилитель тока. При этом нужно учитывать, что высокоомная входная линия связи очень чувствительна к емкостным наводкам. Такая линия, как правило, экранируется, что приводит к большой емкостной нагрузке источника сигнала относительно общей шины (корпуса) (30-100 пф/м). При внутреннем сопротивлении источника, например, 100 КОм и емкости кабеля 100 пф верхняя граничная частота измеряемого сигнала равна 16 Гц.

Другая проблема - изменения величины этой емкости во времени, вызванные, например, механическими перемещениями. Это может привести к возникновению большого шумового напряжения. Если на проводник подано напряжение 10 В, то из-за колебаний величины емкости порядка 1% получаются скачки напряжения до 100 мВ.

а)б)

Рис 2.5. Включение операционного усилителя как неинвертирующего повторителя.

Для уменьшения разности потенциалов между внутренним проводником и экраном экран соединяют не с корпусом, а с выходом повторителя (рис. 2.5 б). Вследствие равенства потенциалов на входном проводе и экране влияние емкости уменьшается. При этом емкостные шумы значительно сокращаются, поскольку теперь разность потенциалов между проводниками определяется лишь напряжением смещения операционного усилителя.

Операционный усилитель с обратной связью может работать и как дифференциальный усилитель (рис. 2.6).

Рис.2.6. Дифференциальное включение операционного усилителя.

В этом случае

,

и с учетом равенства напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах

.

Отсюда

. (**)

Если и, (*) то

.

Таким образом, выходное напряжение зависит от дифференциального входного напряжения и не зависит от синфазного входного напряжения.

Рассмотрим усиление синфазного сигнала, когда условие (*) не выполняется. Тогда, учитывая, что выражение (**) можно переписать в виде

.

Отсюда видно, что с увеличением коэффициента усиления дифференциального сигнала увеличивается и коэффициент усиления синфазного сигнала.

Рис.2.8. Измерительный дифференциальный усилитель.

В измерительной технике увеличение входного сопротивления обеспечивается с помощью повторителя напряжения. При DA₁иDA₂работают как повторители напряжения.

Достоинством схемы является также и то, что сопротивлением одного резистора , можно регулировать дифференциальный коэффициент усиления.

Рассмотрим усиление дифференциального сигнала, положив и. Как следует из рис. 2.8, ток через цепь обратной связи каскадаDA₁,DA₂равен

.

Отсюда

.

Эта разность усиливается дифференциальным усилителем DA₃, к выходу которого можно подключать заземленную нагрузку.

Поскольку коэффициент усиления дифференциального усилителя DA₃равен, то суммарный коэффициент усиления схемы определяется выражением

.

Усиление синфазного сигнала каскадом DA₁-DA₂не зависит от дифференциального коэффициента усиления и относительно потенциала земли имеет величину 1. Поэтому коэффициент усиления синфазного сигнала будет определяться разбалансом сопротивлений дифференциального усилителяDA₃. Учитывая формулу, получаем для коэффициента усиления синфазного сигнала выражение

.

По такой схеме сейчас строятся инструментальные интегральные усилители, в качестве примера можно привести ОУ AD620иINA103.

Если требуется очень низкий уровень шума, малый дрейф, или минимальный потребляемый ток, операционный усилитель дополняется входным каскадом на согласованных транзисторах, как показано на рис. 2.9.