Вопрос 49 Дифференциальные усилители на оу

На рис. 5.3, г приведена схема дифференциального включения ОУ. Для определения коэффициента передачи учтем, что U_{вх и}–U_{вх ни} = 0, т. е. U_{вх и} = U_{вx ни}, а токи сигналов не ответвляются на входы ОУ.

З апишем уравнение

из которого определим

Найдем напряжение

Так как U_{вх ин} = U_{вх ни}, то:

Отметим недостатки рассмотренной схемы. Их в основном два: входные сопротивления по инвертирующему и не инвертирующему входу имеют малую и неравную друг другу величину и сложность регулировки коэффициента усиления. Первый недостаток можно избежать, если для дифференциального усилителя использовать два ОУ, как показано на рис. 5.3, д.

Используя принцип суперпозиции для схемы рис. 5.3. д можно записать

Где

Таким образом,

Рассмотренная схема дифференциального усилителя имеет высокое входное сопротивление, так как входные сигналы подаются на прямые входы ОУ.

Усилители с дифференциальным входом широко применяются в различных измерительных схемах для усиления сигналов с выхода мостовых схем. Если схема мостового преобразователя предназначена для работы в переменных электрических и магнитных полях, то связанный с ним усилитель должен быть дифференциальным. Дифференциальный усилитель не только подавляет синфазный сигнал, снимаемый с мостовой схемы, но и значительно подавляет различные синфазные помехи. Любой мостовой датчик обеспечивает более высокую точность, если напряжение с его выхода подается на усилитель с высоким входным сопротивлением.

Датчик представляет собой устройство, которое преобразует изменение физического параметра этого датчика в электрический сигнал. В качестве датчиков применяются: фоторезисторы — для преобразования уровня освещенности в величины сопротивлений; термисторы — для преобразования изменений температуры в изменения сопротивления; тензодатчики — специально закрепляемые резисторы, сопротивления которых изменяются пропорционально механической деформации материала; термопара — соединение разных металлов, дающие на выходе напряжение, пропорциональное температуре.

На рис. 5.4 приведена схема подключения измерительного моста ко входу дифференциального усилителя. Если все резисторы измерительного моста будут иметь одинаковые сопротивления т.е. R1=R2=R3=R4=R, то измерительный мост будет сбалансирован. В этом случае разность напряжений, снимаемая с диагонали моста, будет равна нулю. Когда физическое воздействие вызывает изменение сопротивления одного из резисторов, т.е. датчика на величину ΔR, то U1 ≠ U2 и полярность U1 по отношению к U2 будет зависеть от того, уменьшится или увеличится сопротивление датчика. В этом случае на вход дифференциального усилителя кроме синфазного сигнала будет поступать и небольшой дифференциальный сигнал.

Выходное напряжение, снимаемое с диагонали моста

или при малых значениях ΔR

Заметим, что сопротивления резисторов R1 и R2, R3 и R4 должны быть подобраны друг к другу очень близко, чтобы синфазные напряжения, имеющиеся на каждом входе, точно взаимно компенсировались на выходе. В такой схеме можно получить высокое ослабление синфазного сигнала

Высокое входное сопротивления в дифференциальном усилителе на ОУ может быть получено также подключением входов ОУ к измерительному мосту через инвертирующие повторители напряжения на ОУ. Однако, такая схема представляет интерес, когда требуется фиксированный коэффициент усиления.

Р ассмотрим еще одну схему дифференциального усилителя на ОУ, приведенную на рис. 5.5, в которой входные сигналы поступают на прямые входы ОУ.

В этой схеме неинвертирующие ОУ DA1 и DА2 параллельно включены в схему. Синфазные напряжения пропускается этими усилителями без усиления и ослабления. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе DA3 подавляет синфазный сигнал. Одновременно он усиливает поступающую на его входы разность входных сигналов. Определим выходное напряжение в рассматриваемой схеме. Так как можно считать, что через резисторы R1, R2, R3 протекает один и тот же ток, то

Отсюда найдем

В этих уравнениях первое слагаемое представляет составляющую выходного напряжения, обусловленную соответствующим входным напряжением U₁ или U₂ на неинвертирующих входах усилителей. Второе слагаемое — составляющую выходного напряжения, определяемую соответственно напряжениями U₂ и U₁ , приложенными к инвертирующим входам. Третье слагаемое передается с К_u = 1.

Для данной схемы U_вых параллельно соединенных неинвертирующих усилителей при R1=R3=R будет равно

Коэффициент усиления обоих каскадов в данной схеме

и может регулироваться изменением сопротивления резистора R2. Недостаток данной схемы - нелинейность при регулировке коэффициента усиления при помощи резистора R2.