3.5 Диференційний підсилювач

Диференційний (різницевий) підсилювач – це підстлювач, сигнал на виході якого пропорційний алгебраїчній різниці вхідних сигналів U_вх1, U_вх2. Різницевий підсилювач передбачає диференційне ввімкнення ОП. Такий тип ввімкнення ОП здійснюється шляхом об’єднання інвертуючої та неінвертуючої схем ввімкнення ОП. У відповідності з цим підсилювач має 2 входи. Різницевий підсилювач підсилює різницю сигналів, які прикладені до входів ОП. Знаючи коефіцієнт підсилення напруги по інвертуючому та неінвертуючому входах отримаємо вираз для визначення вихідної напруги різницевого підсилювача [13]:

(3.12)

Коли прийняти, що R2 = R1 = Rзз та , , звідки , то з виразу (3.34) отримаємо:

(3.13)

Якщо коефіцієнти підсилення різницевого підсилювача по інвертуючому та неінвертуючому входах внаслідок розбіжності номіналів резисторів R1, R2, R3, Rзз будуть відрізнятись, то рівняння (3.35) прийме вид:

(3.14)

Перевагою різницевого підсилювача (рис. 3.11) є можливість підсилення тільки різниці сигналів на його входах, у незалежності від того, які завади попадають на ці входи, або виникають в них. Властивість підсилювати інформаційний сигнал на фоні сильних синфазних завад дає змогу використовувати різницевий підсилювач у різних вимірювальних схемах. Недоліком різницевого підсилювача є різний вхідний опір по кожному з входів, а також складність регулювання його К_ПU, що пов’язана з одночасною зміною двох точно підібраних резисторів.

Рисунок 3.11 - Різницевий підсилювач напруги на ОП

Найкращим підсилювачем для вимірювання, контролю і керування є інструментальний підсилювач. Схема його містить кілька операційних підсилювачів і прецизійні резистори, що робить її винятково стабільною і придатною у випадках, коли важлива висока точність. В даний час існує велика кількість інтегральних мікросхем вимірювального підсилювача і модульних варіантів в одному корпусі. Там, де вимагаються якість і точність, вимірювальний підсилювач виправдовує витрачені засоби, тому що його характеристики не можна навіть порівнювати з характеристиками середнього операційного підсилювача — настільки вони кращі [11].

Найближчим родичам вимірювального підсилювача є недорогий диференціальний підсилювач. Додавши до диференційного підсилювача деякі додаткові елементи, ми одержуємо вимірювальний підсилювач.

Дистанційне вимірювання напруги

Часто у процесі досліджень об’єктів стоїть завдвння підсилити сигнал віддаленого джерела Евх так, як це показано на рис. 3.12,а. На цій схемі генератор сигналів підключений до підсилювача двома проводами з опором R_прl і R_пр2. Третій контакт генератора сигналів з'єднаний із землею. По зворотному проводу заземлення з опором R₃ неминуче будуть протікати зворотні струми від інших пристроїв, підключених до тієї ж лінії живлення, що і вимірювальний підсилювач.

а

б в

Рисунок 3.12 - Схеми, що показують механізм появи помилки вимірювання через наявність синфазної напруги

На рис. 3.13,а генератор сигналів підключений до вхідних контактів диференційного підсилювача. В цій схемі також струми в проводі заземлення створюють на ньому спад напруги U3. Однак, як видно з рис. 3.13,б, ця напруга шумів прикладена до диференціального підсилювача синфазно, а ми вже знаємо, що синфазна напруга диференціальним підсилювачем не підсилюється. Таким чином, диференційний підсилювач може підсилити слабкий сигнал (Евх=10 мВ), що у нормальних умовах був би перекритий (замаскований) набагато більшим сигналом (Е/з=0,1 В).

Описаний вище диференційний підсилювач має два недоліки: у нього низький і несиметричний вхідний опір, а крім того, важко змінювати його коефіцієнт підсилення, тому що співвідношення опорів повинно бути точно узгоджене. Перший із зазначених недоліків усувається ізоляцією чи розв'язкою входів повторювачами напруги. Це робиться включенням двох ОП за схемою повторювачів напруги (рис.3.14,а).

Напруга на виході операційного підсилювача DA1 щодо землі дорівнює Е₁, а на виході DA₂ — Е₂. Диференційна вихідна напруга Uвих виділяється на резисторі навантаження Rh. Вона дорівнює різниці між напругами Е₁ і Е₂ (Uвих=E₁ -E₂). Слід звернути увагу на те, що основна схема диференційного підсилювача (рис.3.11) має несиметричний вихід, тобто один з контактів Rh підключений до землі і Uвих вимірюється між вихідним контактом ОП і землею. Буферний диференційний підсилювач, зібраний на двох ОП за схемою рис. 3.14,а, має диференційний вихід; це означає, що жоден з контактів Rh не підключений до землі, і Uвих вимірюється тільки на Rh. Операційні підсилювачі спільно утворюють диференційний вхід, при цьому вхідна напруга дорівнює різниці між Е₁ і Е₂.

а

б

Рисунок 3.13 - Схема вимірювання сигналів віддаленого джерела із застосуванням диференційного підсилювача

а б

Рисунок 3.14 - Покращені схеми диференційного підсилювача

Другий недолік основної схеми диференційного підсилювача — неможливість регулювати його підсилення. Включення трьох додаткових резисторів у схему буферного диференційного підсилювача (рис. 3.14,а) вирішує цю проблему. Отримана при цьому схема підсилювача з диференційним входом і виходом та регульованим коефіцієнтом підсилення показана на рис. 3.14,б. Повторювачі напруги забезпечують високий вхідний опір схеми.

Оскільки диференційна вхідна напруга кожного ОП дорівнює 0 В, напруги в точках 1 і 2 (відносно землі) рівні відповідно Е₁ і Е₂. Звідси випливає, що на резисторі aR падає напруга E₁—E₂ (зазначеній на схемі полярності цієї напруги відповідає випадок, коли Е₁ >Е₂). Резистор aR — змінний; він використовується для регулювання коефіцієнта підсилення. Через резистор aR протікає струм:

(3.15)

При Е₁>Е₂ напрямок струму / збігається із показаним на рис. 3.14,б. Струм протікає також по обох резисторах R, і спад напруги на всіх трьох резисторах визначає величину Uвих:

чи, з огляду на, що a-R/R=a,

(3.16)

Для зміни величини коефіцієнта підсилення розглянутого підсилювача необхідно змінювати величину тільки одного резистора, а саме аR. Однак, диференційний підсилювач з буферними каскадами має один недолік: він може працювати тільки на незаземлене (плаваюче) навантаження, жоден з контактів якої не має з'єднання з землею. Щоб схема могла працювати на заземлене навантаження, необхідно добавити до неї каскад, що перетворить диференційну вхідну напругу в несиметричну напругу на виході. Таким каскадом є основна схема диференційного підсилювача Отримана в результаті такої модифікації схема називається інструментальним підсилювачем [11].