9.3. Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители предназначены для усиления разности двух входных напряжений с заданным коэффициентом усиления. Простейшая схема дифференциального усилителя, реализованная на базе одного ОУ, приведена на рис. 9.11. Этот усилитель имеет два входа, обозначенных на рисунке (-) и (+). Если, к примеру,E₁=0, то для источника E₂ схема станет инвертирующим усилителем с коэффициентом усиления m. При этом на выходе напряжение . Положим теперь E₂=0, тогда напряжение E₁ разделится между сопротивлениями R и mR и на входе (+) ОУ будет присутствовать напряжение mE₁/(1+m), по отношению к которому схема явится неинвертирующим усилителем с коэффициентом усиления (1+mE₁). На выходе усилителя выделится напряжение U_вых2=mE₁, т. е. по отношению к E₁ схема станет неинвертирующим усилителем, но уже с коэффициентом усиления т. Согласно принципу суперпозиции в случае наличия двух входных сигналов U_вых=m(E1-E2). Коэффициент усиления идеализированного дифференциального усилителя определяется отношением сопротивлений, т. е. величиной m.

Потенциометр в схеме дифференциального усилителя служит для балансировки усилителя при подаче на оба входа синфазного сигнала (входной синфазный сигнал подается на оба входа усилителя, и усилитель подстраивается таким образом, чтобы U_вых стало пренебрежимо мало).

Недостатком простейшего дифференциального усилителя являются относительно низкие входные сопротивления и трудность регулировки коэффициента усиления. Коэффициент усиления регулируется лишь путем одновременного изменения сопротивлений R₃ и R_о.с Входные сопротивления по входам (-) и (+) равны соответственно R_вх(-)=R₁=R; R_вх(+)=R₂+R₃=R(1+m). Низкие входные сопротивления приводят к тому, что коэффициенты усиления дифференциального усилителя по входам (+) и (-) будут зависеть от внутренних сопротивлений источников сигналов.

В схеме улучшенного дифференциального усилителя (рис. 9.12) входные сопротивления по обоим входам определяются входными сопротивлениями повторителей напряжения, а коэффициент усиления регулируется посредством изменения лишь одного сопротивления. Направление тока, а также полярность падений напряжения на рис. 9.12 приведены для случая E₁>E_2. Анализ схемы достаточно прост. Поскольку дифференциальное входное напряжение для каждого ОУ равно нулю, то потенциалы в точках 1 и 2 равны соответственно E₁ и E_{2 .}

Следовательно, в цепи, состоящей из трех последовательно соединенных сопротивлений R— αR— R, протекает ток I=(E1-E2)/αR. Падение напряжения на этих сопротивлениях и составляет U_вых:

При изменении α (т. е. величины лишь одного сопротивления) изменяется и коэффициент усиления усилителя.

При расчете схемы улучшенного дифференциального усилителя необходимо учитывать, что величина тока I должна быть существенно меньше выходного тока ОУ, так как разница между этими токами будет составлять ток нагрузки. Недостаток такой схемы — возможность работы лишь на незаземленную нагрузку. Чтобы схема могла работать на заземленную нагрузку, необходимо добавить к ней каскад (см. рис. 9.11), преобразующий дифференциальное входное напряжение в несимметричное напряжение на выходе. В результате получается так называемый измерительный усилитель. Он обладает следующими свойствами: коэффициент усиления регулируется одним резистором; входное сопротивление схемы по обоим входам очень велико и не меняется при изменении коэффициента усиления схемы; выходное напряжение практически не зависит от синфазного входного сигнала, а определяется лишь дифференциальным сигналом.