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 на будет равно нулю и он не будет влиять на коэффициент усиления каждого каскада.

Занятие 6

Операционные усилители

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

Идеальный ОУ обладает бесконечно большим входным и бесконечно малым выходным сопротивлением, бесконечно большим коэффициентом усиления дифференциального сигнала и 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 токи равны нулю.

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

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), то и . 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 напряжению К=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 DA₁ и DA₂ работают 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 каскада DA₁, DA₂ равен

.

Отсюда

.

Эта разность усиливается дифференциальным усилителемDA₃, к выходу которого можно подключать заземленную нагрузку.

Поскольку коэффициент усиления дифференциального усилителя DA₃ равен , то суммарный коэффициент усиления схемы определяется выражением

.

Усиление синфазного сигнала каскадом DA₁-DA₂ не зависит от дифференциального коэффициента усиления и относительно потенциала земли имеет величину 1. Поэтому коэффициент усиления синфазного сигнала будет определяться разбалансом сопротивлений дифференциального усилителя DA₃. Учитывая формулу, получаем для коэффициента усиления синфазного сигнала выражение

.

По такой схеме сейчас строятся инструментальные интегральные усилители, в качестве примера можно привести ОУ AD620 и INA103.

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.

Занятие 7