Диференціальний підсилювач: принцип роботи

Диференціальний підсилювач (ДУ) використовується для посилення різниці між двома вхідними сигналами. Його можна розглядати як аналогову схему, що складається з двох входів і один вихід.

Підсилювачі, які застосовуються в різних електричних і електронних схемах для формування сигналів і виконання математичних операцій, називаються операційними підсилювачами (ОУ). Вони є ключовими компонентами електронного аналогового комп’ютера. Їх винахід на початку 1940-х призвело до заміни механічних лічильних пристроїв на тиху і швидку електроніку. Багато аналогові комп’ютери спиралися на вакуумні трубки, наявних у продажу у компанії Джорджа Филбрика в 1952 році.

У 1963 році Боб Видлар в Fairchild Semiconductor зробив ОУ на єдиної інтегральної схемою A702 – самого першого монолітного операційного підсилювача IC.

Схема транзисторного підсилювача

Диференціальний операційний підсилювач може бути зібраний за схемою, як показано на малюнку нижче, який складається з двох транзисторів T1 і T2.

У схемі ДУ є два входи I1 і I2 і два виходи V1out і V2out. Вхід I1 подається на базову клему транзистора T1, вхід I2 – на базовий термінал транзистора T2. Виходи емітера транзистора Т1 і транзистора Т2 підключені до загального резистору емітера. Таким чином, два вхідних сигналу I1 і I2 будуть впливати на виходи V1out і V2out. Схема складається з двох напруг живлення Vcc і Vee, але немає заземлюючого виводу. Навіть при наявності однієї напруги живлення, ланцюг може працювати нормально (аналогічно при використанні двох напруг живлення). Отже, протилежні точки позитивного напруги і негативного напруги живлення підключені до землі.

Принципова схема роботи ДТ

Робота диференціального підсилювача продемонстровано на схемі на малюнку нижче.

Якщо вхідний сигнал (I1) подається на базу транзистора T1, то через резистор під’єднаний до транзисторному транзистора T1, з’являється позитивне падіння напруги, яке буде меншим. Якщо вхідний сигнал (I1) не подається на базу транзистора T1, то через резистор під’єднаний до транзисторному транзистора T1, з’являється позитивне падіння напруги, яке буде великим.

Можна сказати, що інвертується вихід, виходить через колекторний термінал транзистора Т1, заснований на вхідному сигналі I1, подаваний на базовий термінал T1. Якщо T1 включений, застосовуючи позитивне значення I1, то струм, що проходить через опір емітера, збільшується, коли струм емітера і струм колектора майже рівні. Якщо падіння напруги на опір емітера збільшується, то емітер обох транзисторів йде в позитивному напрямку. Якщо емітер транзистора Т2 позитивний, то основа Т2 буде негативним, і в цьому стані струм буде менше. І буде менше падіння напруги на резисторі, підключеному до контакту колектора транзистора Т2.

Отже, для цього позитивного колектора вхідного сигналу T2 буде йти в позитивному напрямку. Можна сказати, що неінвертуючий вихід, що виникає на колекторному терміналі транзистора T2, заснований на вхідному сигналі, який подається в базу T1. Диференціальний підсилювач приймає вихідний сигнал між виводами колектора транзисторів T1 і T2. З наведеної вище принципової схеми передбачається, що всі характеристики транзисторів T1 і T2 ідентичні, і якщо базові напруги Vb1 рівні Vb2 (базова напруга транзистора T1 одно базового напруги транзистора T2), то емітерний струми обох транзисторів будуть рівним (Iem1 = Iem2).

Таким чином, загальний струм емітера буде дорівнює сумі струмів емітера T1 (Iem1) і T2 (Iem2). Розрахунок диференціального підсилювача. Iem1=Iem2 Ie= Iem1+Iem2 Vev=Vb-Vb em em I=(Vb-Vb em)/Rem. Таким чином, струм емітера залишається незмінним незалежно від значення hfe транзисторів T1 і T2. Якщо опору, підключені до клем колектора T1 і T2, рівні, то їх колекторні напруги також рівні.

Короткий опис роботи операційного підсилювача

Цей підсилювач (Op-amp, англійський варіант) може бути ідеальним з нескінченним коефіцієнтом посилення і ширини смуги пропускання при використанні в режимі Open-loop з типовим коефіцієнтом посилення постійного струму понад 100 000 або 100 дБ. Диференціальний підсилювач струму ОУ має два входи, один з яких інвертований. Посилена різниця цих входів виводиться на виході у вигляді напруги. Ідеальний операційний підсилювач має нескінченно високий коефіцієнт підсилення. Це має висловити символ нескінченності з новим символом. Операційний підсилювач працює або з подвійним позитивним (+ V), або з відповідним негативним (-V) харчуванням, або може працювати від одного постійного напруги живлення.

Два основні закони, пов’язаних з ОП

Вони полягають у тому, що такий підсилювач має нескінченний вхідний імпеданс (Z = ∞), який призводить до відсутності струму, припливаючого в один з двох його входів і нульовому вхідному напрузі зміщення V1 = V2. Біля операційного підсилювача також є нульовий вихідний імпеданс (Z = 0). Оптичні підсилювачі визначають різницю між сигналами напруги, що подаються на їх два вхідних терміналу, а потім множать їх на певний, заздалегідь визначений коефіцієнт посилення (A). Цей коефіцієнт підсилення (A) часто називають – Коефіцієнт розімкнутого контуру. ОУ можуть бути з’єднані в двох основних конфігураціях – інвертуючий та неінвертуючий.

Для негативного зворотного зв’язку, якщо напруга зворотного зв’язку знаходиться в антифазе на вході, загальний коефіцієнт підсилення зменшується. Для позитивного зворотного зв’язку, коли напруга зворотного зв’язку знаходиться у «фазі», при цьому вхідний сигнал підсилювача збільшується. Підключивши вихід назад до негативного вхідного роз’єму, досягається 100% зворотній зв’язок, внаслідок чого ланцюг послідовника напруги (буфер) виходить з постійним посиленням 1 (Unity). Замінюючи резистор з фіксованою зворотним зв’язком (Rƒ) для потенціометра, схема буде мати регульований коефіцієнт підсилення.

Технічні характеристики

Основні:

Вхідний струм нульової послідовності (вхідний струм зміщення) у положенні спокою, різні струми можуть протікати на двох входах. Це на практиці означає, що напруга спотворюється у разі джерел сигналу з високим внутрішнім опором, оскільки джерела піддаються різним рівнями напруги.

Вхідний опір може бути виміряно проти землі на входах, за умови, що інший вхід заземлений. Недоліком тут є джерела з високим внутрішнім опором, які частково навантажені вхідним опором.

Вхідна ємність — конденсатори, паралельні вхідним резистори. Вони надають рівноваги вплив, особливо на високих частотах, оскільки ємності створюють додаткові паралельні вхідні опору, які залежать від частоти. У диференціального підсилювача принцип роботи залежить від цього показника.

Низьке посилення (збільшення посилення сигналу) вказує на коефіцієнт підсилення, який виходить без зворотного зв’язку. Він визначається з опором навантаження 2 кОм і коливанням вихідної напруги ± 10 Ст. На практиці вказане значення 200 000 ніколи не досягалося і зазвичай нижче в 10 разів.

Коефіцієнт відхилення напруги живлення. При зміні напруги живлення одного вольта зміщення змінюється на 0,3 мкВ. Однак з коефіцієнтом посилення 300 разів помилка збільшується на 0,1 мВ.

Хитання вихідної напруги. ОУ ніколи не може генерувати повний вхідний напруга на його виході. У будь-якому випадку максимальна вихідна напруга при вхідній напрузі ± 15 В буде значно вище ± 10 Ст. При нормальних навантаженнях близько ± 13 В і ідеальною – всього на 1 нижче напруги живлення.

Вихідний опір — ефективний опір змінного струму на виході, тільки для вихідних сигналів з низьким і зміщеним виходом. Практично застосовні тільки в прикордонних випадках.

Струм короткого замикання на виході.

Струм живлення за допомогою розвантаженого операційного підсилювача, з типом 1,7 мА.

Продуктивність — втрати потужності, зрозуміло, у розвантаженого операційного підсилювача викликані струмом живлення і залежать від робочої напруги. Диференціальний підсилювач на транзисторах потребує певного часу реакції і погіршує вхідний сигнал з перескоком. Це відноситься до навантаження 2 кОм || 100 пФ і посилення «єдності» (одиничне посилення).

Швидкість наростання для запобігання неконтрольованого розмаху. Якщо вихідна напруга змінюється на 10 В, операційного підсилювача потрібен час, зазвичай 5 мкс. Він стає критичним на високих частотах, так як його вихідний сигнал сильно ослаблений.

Граничні умови застосування

Основні:

Напруга живлення максимально ± 18В. Більшість ланцюгів працюють при ± 15 В, тому на безпечній стороні.

Максимальна втрата потужності (потужність, що розсіюється) залежить від версії корпусу і максимально допустимої температури. Простий 8-контактний пластиковий корпус може обробляти 310 мВт, 14-контактний дворядний корпус може працювати приблизно в два рази більше.

Вхідні напруги і різниці можуть перебувати в діапазоні -15 … + 15 Ст. Припій. Під час пайки (пайка) дають нагрітися клем до 300° C протягом однієї хвилини. Пайку до клем виконують не одночасно, а один за іншим і тільки після повного охолодження всього компонента.

Коротке замикання на стороні виходу. За словами виробника, вихідна коротке замикання може тривати нескінченно, якщо всі граничні умови виконані.

Обмеження: температура корпусу не повинна перевищувати 125° C, тому температура навколишнього середовища не повинна перевищувати 75° C

Диференціальний підсилювач з використанням BJT

Принцип його роботи показаний на схемі нижче.

Він побудований з використанням двох узгоджувальних транзисторів в загальній конфігурації емітера, емітери яких пов’язані один з одним. Проста схема, здатна посилювати невеликі сигнали, що подаються між двома входами, але при цьому пригнічувати шумові сигнали, загальні для обох входів.

Диференціальний підсилювач на біполярних транзисторах (BJT) має унікальну топологію: два входи і два виходи. Хоча можна використовувати сигнал тільки з одного виходу, різниця між обома виходами забезпечує вдвічі більше виграшу! І це покращує придушення синфазного режиму (CMR), коли сигнал синфазного сигналу є джерелом шуму або зміщенням постійного струму з попереднього етапу.

Конфігурація транзисторного обчислювача

Ґрунтуючись на методах введення вхідних і вихідних даних, диференціальні підсилювачі можуть мати чотири різних конфігурації, як показано нижче.

Однофазний незбалансований вихід.

Єдиний вхідний збалансований вихід.

Подвійний вхідний незбалансований вихід.

Подвійний вхідний збалансований вихід.

Принципова схема підсилювача постійного струму

При розробці аналогових будівельних блоків (різні типи передпідсилювачів, фільтрів і т. д.) важливо поряд з розробкою сучасних рішень для глибоких субмікронних технологій, звернути увагу на нові структурні рішення традиційних підсилювальних пристроїв.

Диференціальний підсилювач постійного струму (ДППС), його вихідна напруга пропорційна різниці між двома вхідними напругами. Це можна представити у формі рівняння наступним чином: V out=A*((Vin+)-(Vin)), де A = коефіцієнт підсилення.

Практичне застосування

В практичних схемах ДУ застосовується для посилення: імпульсів по довгих проводах, звуку, радіочастот, управління двигунами і сервомоторами, електрокардіограм, інформації на магнітних накопичувачах.

Недоліки

Диференціальний підсилювач володіє рядом недоліків, кілька обмежують його застосування в електроніці:

Низька величина вхідного опору, що залежить від резистора , наприклад, при слабкому сигналі з термопари — ДУ дасть помилковий результат вимірювання.

Труднорегулируемый коефіцієнт підсилення, який вимагатиме зміни значення двох резисторів, що практично важко реалізовується, а введення в схему додаткових елементів (потенціометрів або мультиплексорів) невиправдано ускладнить схему.