Что такое дифференциальный усилитель
Дифференциальные усилители
Для успешного продвижения высокотехнологичного изготовления новой техники потребуется огромная разработка результативных автоматизированных органов для управления и контролирования процессов. С этой целью разрабатывается разнообразие механизмов, помогающих производить курирующие обязанности над множеством критерий высокотехнологических задач и результатов на выпуске запланированного продукта.
Что такое дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель — это электронное снаряжение, имеющее 2 входящих компонента, сигнальный толчок на выходном конце, учитывающий разницу указателя напряжения на входной детали, умноженного на константную величину. Используется в вариантах, если требуется показать маленькую разницу показателя в зоне существенного диамагнитного компонента.
Сигнал на выходном конце такого агрегата бывает с 1 фазой и различительной. Это устанавливается схемой каскадного начала на выходе.
Транзисторные детали машины бывают:
Самые высокочастотные усилители идут на интегральной паре с баллистическими транзисторными элементами.
Мост – база модуля
При установленных требованиях современности к показателям на сигнальном выходе прибора, размещающихся в границах 0…20 мА, отклонения данных сопоставимы со сведениями питательных блоков контролирующего аппарата. Частотные колебания движения измеряется в частях Герца.
Эксплуатация простых оптических приборов затруднено, благодаря тому что между изобилием устройства встраиваются разделяющие конденсаторные компоненты, которые не пускают регулярный поступающий толчок. Помимо этого, теплообменники могут приносить неточности в выходной толчок.
Для решения аналогичной проблемы допускается выбирать усилительные приборы, сделанные на принципе динамических схем. Действие таких чертежей построены на мосту, имеющей идентичные рычаги.
Осуществление его вычисляется следующей формулой:
Как итог, при соблюдении необходимых требований, в период смены интенсивности в электрической сети, токовая сила будет по прежнему нейтральной.
Чертеж транслятора
Усилительное устройство, созданное на базе вышеуказанной картины, относится к числу разграниченного оборудования, предназначенных для повышения амплитуды 2-х толчков на вводе. Элементарная диаграмма похожего прибора показана здесь:
Диаграмма усилительного устройства.
Микрорезисторы R1 = R7 и R2 = R8 обеспечивают постановку задач величины действия приемников, а R4’, R4’’ и R5 для того, чтобы сбалансировать мостовой элемент. Оптимальная работоспособность диаграммы образуется за счет выдерживания равномерных параметров мостика.
На финишном этапе, когда нет входящего толчка на Вх.1 и Вх.2, установленное сосредоточение на выходном конце станет приравниваться к 0-му показателю, в независимости от динамики колебания питательного ингредиента электрической сети.
Система функций оборудования
Оптимальное воздействие устройства можно получить при поддержке однозначного равенства разработанной диаграммы. Тогда ток спокойного состояния в 2-х приборах, а также колебания будут иметь равномерные параметры, как и сосредоточенность на существующих транзисторных и коллекторных устройствах VT1 и VT2. Следовательно, во время влияния наружных факторов на транзисторные элементы, устойчивость мостового элемента сохраняется, а сосредоточение на выводе сохраняется в первоначальном положении.
При влиянии напряженности на входе на 1 или 2 вх. диаграммы, возникает колебание внутреннего противодействия 1 или 2-х транзисторных устройств и начинается разбалансированность мостового элемента, колебания сосредоточенности на выводе.
В существующих диаграммах довольно сложно создать точное схематичное соответствие, следовательно, чтобы отрегулировать токи в состоянии спокойствия транзисторных устройств применяют микрорезисторы R4’ и R4’’, часто соединенные в единый подстрочный резисторный элемент, имеющий противодействия, которые вычисляются по формуле:
Каскады дифференциальных усилителей способны функционировать с равноценными, с неравноценными выходными и входными концами.
Неравноценным входным элементом считается сигнальный толчок, приходящий на 1 из Вх.1 или Вх.2 и единым выходом.
В случае, когда с выходным концом случается подобное действие – неравноценный выходной элемент – 1 из выходных концов (Вых.1 или Вых.2) и единый выход, одинаковый выходной конец между Вых.1 и Вых.2. выходными концами.
Неодинаковые дифференциальные каскады, как правило, применяются для того, чтобы перейти от неравноценных вариантов к равноценным моделям и обратно.
Ключевые характеристики преобразователей
Для продолжения демонстрации нужно установить определенную терминологию как диамагнитные и различительные, функционирующие в дифференциальных устройствах.
Дифференциальными толчками считаются действия абсолютно одинакового колебания, но происходящие в противоположном направлении по фазе, находящихся на входных концах устройствах, не важно, где расположено место заземленности усилительного элемента.
Диамагнитные – это сигнальные толчки, обладающие одинаковой фазой и амплитудой параллельно имеющиеся на 2-х входных концах различительного прибора.
Разобраться в информации подобных сигналов довольно несложно, как было сказано ранее, различительный усилитель используется для увеличения амплитуды между входящими сигнальными толчками. Следовательно, когда параллельно на входные концы преобразователя поступают сигналы с различной степенью напряженности, то это считается различительными. В том случае, когда на входные элементы поступают толчки в конкретное время равной напряженности, тогда это понимается как диамагнитные сигналы.
Различительные сигнальные толчки приходят на входной конец усилительного адаптера, в случае выбора равноценных и неравноценных входных элементов для различных толчков в сравнительных диаграммах.
Диамагнитными сигнальными толчками считаются токи тепла и сигнальные затруднения, идущие на входные концы устройства параллельно с равной степенью напряженности.
На основании вышеизложенного, сигнальные толчки на входном конце прибора определяются в зависимости от разновидности суммированного диамагнитного и различительного сигнального толчка: 
Входящая степень различительного сигнального толчка равной: 
а показатель увеличения дифференциального сигнала равняется: 
Подобно синфазному сигналу входной уровень: 
Показатель увеличения синфазного сигнала равна:
Ключевым показателем, который характеризует качество дифференциального усилителя считается коэффициент снижения синфазного сигнала (КОСС)
либо в логарифмическом представлении
Оптимизирование характеристик дифференциального адаптера
Необходимость оптимизирования величины аппаратуры связывается с повышением указателя ослабления диамагнитного сигнала. Самый элементарный метод — это обеспечение роста противодействия эмиттерного резисторного элемента (R5 на схеме). Однако подобный вариант не удается реализовать, потому что для сохранения установленного принципа действия транзисторов нужно повышать напряжение сети, сопротивление такого коммутатора получается поднять лишь больше 3…6 кОм. Есть наиболее оптимальный и приемлемый способ повышения КОСС – использование первоисточников тока.
Возможная схема дифференциального робота, имеющего транзисторный источник тока:
Оптимизация функционирования дифференциального каскада, имеющего стабилизаторный компонент можно объяснить определенным способом.
Стабилизаторное приспособление в цепочке излучателя каскада дифференцирования не позволяет выполнять любые изменения суммарного тока транзисторных элементов VT1 и VT2. Следовательно, входные толчки, меняя противодействие внутри указанных транзисторных деталей, осуществляет распределение параметров между другими транзисторными компонентами. Поэтому диамагнитные сигнальные толчки никак не меняют многоколлекторный ток у транзисторных элементов и напряженность на выходе остается в прежнем положении.
Различительные сигнальные толчки, поступающие на каскадные входные концы, выполняют распределение тока, который устанавливается токовым стабилизаторным элементом, тем самым меняя напряженность на выходном конце. Как пример, на Вх.1 (вывод) показатель значительно выше, чем на выходе Вх.2. Следовательно, транзисторный ток VT1 повышается благодаря току транзисторного элемента VT2, меняя напряженность на выходе.
Если текст дается Вам тяжко, посмотрите видео «Дифференциальный усилитель. Операционные усилители (ОУ)»:
ElectronicsBlog
Обучающие статьи по электронике
Дифференциальные усилители
Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о генераторах пилообразного напряжения с использованием отрицательной обратной связи. Сегодняшняя статья посвящена такому классу электронных схем, как дифференциальные усилители.
Электрический мост – основа дифференциального усилителя
Одним из условий развития современной промышленности производства является широкое внедрение и использования средств автоматики и контроля. Для этого разработано большое количество различных датчиков, которые позволяют контролировать большинство параметров технологических процессов и характеристик выходного продукта.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
При современных требованиях к параметрам, выходной сигнала датчиков находится в пределах 0…20 мА, при этом колебания выходного сигнала соизмеримы с колебаниями источников питания устройств контроля (десятки мкА), а частота колебаний может составлять доли Герца. Поэтому применение обычных аналоговых усилителей весьма проблематично, вследствие того, что между каскадами усилителя обычно ставятся разделительные конденсаторы, не пропускающие постоянной составляющей сигнала. Кроме того конденсаторы вносят искажение в выходной сигнал.
Выходом из сложившейся ситуации является использование усилителей выполненных по так называемым балансным (балансно-разностным) схемам. Работа данных схем основана на электрическом мосту с симметричными плечами
Электрический мост с симметричными плечами.
Работа моста описывается следующим выражением
Таким образом, если выполняется данное условие, то при изменении напряжения питания ток в нагрузке остается равным нулю.
Схема дифференциального усилителя
Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже
Схема дифференциального каскада усиления.
Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.
Принцип работы дифференциального усилителя
Как говорилось выше, правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.
В реальных схемах достаточно трудно обеспечить абсолютную симметрию схемы, поэтому для регулировки токов покоя транзисторов используются резисторы R4’ и R4’’, которые иногда объединяют в общий переменный или подстроечный резистор, сопротивление которого составляет
Дифференциальные каскады усиления могут работать как с симметричными, так и с несимметричными входами и выходами. Несимметричным вход называется, в случае если входной сигнал поступает на один из входов (Вх.1 или Вх.2) и общим выводом, а симметричный вход – сигнал поступает между входными выводами. В случае с выходом происходит аналогичное именование: несимметричный выход – один из выходов (Вых.1 или Вых.2) и общий вывод, симметричный выход – между выходными выводами Вых.1 и Вых.2.
Несимметричные дифференциальные каскады обычно используются для перехода от несимметричных каскадов к симметричным каскадам и наоборот.
Основные параметры дифференциальных усилителей
Для дальнейшего повествования необходимо ввести такие понятия как дифференциальные и синфазные сигналы, которые действуют в дифференциальном усилителе.
Дифференциальные сигналы называют сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах дифференциального усилителя независимо от точки заземления усилителя.
Синфазные сигналы – это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.
Объяснить значение данных сигналов достаточно просто, как указывалось выше, дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности между сигналами на его входах. Таким образом, если одновременно на входы усилителя пришли сигналы с разным уровнем напряжения, то это дифференциальные сигналы, а если на входы пришли в один момент времени одинаковые по уровню напряжения сигналы то это синфазные сигналы. Дифференциальные сигналы приходят на вход усилителя, если использовать симметричный вход или несимметричные входа для разных сигналов в схемах сравнения. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.
Таким образом, сигналы на входах дифференциального усилителя поступают в виде суммы дифференциального и синфазного сигналов
Следовательно, входной уровень дифференциального сигнала будет равен
а коэффициент усиления дифференциального сигнала будет равен
Аналогично с синфазным сигналом. Входной уровень синфазного сигнала
а коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен
Одним из основных параметров характеризующих качество дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС)
или же в логарифмической форме
Улучшение параметров дифференциального усилителя
Улучшение параметров дифференциального усилителя, прежде всего, связано с увеличением коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС). Наиболее простой способ это увеличение сопротивления эмиттерного резистора (R5 на схеме). Но это не всегда возможно, так как для поддержания заданного режима работы транзисторов необходимо увеличивать напряжение питания, и поэтому сопротивление данного резистора редко удается увеличить выше 3…6 кОм. Существует более качественный способ увеличения КОСС – применение источников тока. Одна из возможных схем дифференциального усилителя с транзисторным источником тока представлена ниже
Дифференциальный усилитель со стабилизатором тока в цепи эмиттера.
Улучшение работы дифференциального каскада со стабилизатором тока объясняется следующим образом. Стабилизатор тока в цепи эмиттера дифференциального каскада не даёт изменить суммарный ток транзисторов VT1 и VT2, поэтому входные сигналы, изменяя внутренне сопротивления данных транзисторов, как бы перераспределяют его между транзисторами. Следовательно, синфазные сигналы не изменяют коллекторный ток транзисторов, и выходное напряжение также не изменяется. Дифференциальные сигналы, пришедшие на входы каскада, как бы перераспределяют ток заданный стабилизатором тока, тем самым изменяя выходное напряжение. Например, на выводе Вх.1 напряжение больше, чем на выводе Вх.2, и поэтому ток транзистора VT1 увеличится за счёт тока транзистора VT2, изменяя выходное напряжение.
Расчёт дифференциального каскада усиления
Необходимо рассчитать дифференциальный усилитель со следующими параметрами: изменение входного сигнала ∆UBX = 10 мВ, сопротивление источника сигнала RГ = 1 кОм, изменение выходного напряжения ∆UBbIX = 5 B.
Примем Rb2=R2=R8 = 10 кОм
где rCE и rBE – внутренние коллекторно-эмиттерное и базо-эмиттерное сопротивления транзистора
где Uγ – потенциал Эрли, который имеет следующие значения для n-p-n-транзисторов – 80…200 В, для p-n-p-транзисторов 40…150 В
UТ – тепловой потенциал, равный 26 мВ для комнатной температуры
Таким образом, выходное дифференциальное сопротивление источника тока составит
Коэффициент усиления дифференциального сигнала
где RВХ – входное сопротивление дифференциального усилителя
где R11 – эквивалентное входное сопротивление
Rb – эквивалентное базовое сопротивление
а коэффициент дифференциального усиления составит
Коэффициент усиления синфазного сигнала
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
КОССФ = 55803 раза или 95 дБ, что является достаточно неплохим результатом, так как в случае применения вместо стабилизатора тока обычного резистора порядка нескольких сотен Ом КОССФ составил бы 50…60 дБ, что является недостаточным значениемдля современного уровня развития электронных устройств.
Вместо заключения
Закончить статью о дифференциальных усилителях невозможно без рассказа о тех сферах, где они применяются. Как уже понятно из названия, прежде всего это применение в качестве усилителя с большим коэффициентом усиления. Также широко применяются в тех сферах, где обычные усилители неэффективны из-за большого уровня помех. Кроме этого на основе дифференциальных усилителей построены операционные усилители различного назначения, которые имеют коэффициент усиления от 100 тыс. нескольких миллионов, а входное сопротивление составляет порядка нескольких ГИГАОМ. Также дифференциальные усилители применяют прежде всего в схемах усилителей постоянного тока, для которых они и были разработаны в первую очередь, а также в схемах сравнения и так далее.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение
В тех случаях, когда требуется получить не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня земли), а требуется разность напряжений между двумя точками, применяется дифференциальный усилитель. Чаще всего такая необходимость возникает при работе с датчиками, а так же микрофонами.
Дифференциальный усилитель — это усилитель, обладающий двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных сигналов, умноженный на константу. Константа в данном случае — это коэффициент усиления дифференциального усилителя.
Фишкой данного типа усилителей является то, что сигнал приходящий на оба входа одновременно не усиливается. Т.е. если к полезному сигналу примешаны синфазные помехи или постоянные уровни, то усилен будет только полезный сигнал. Помимо этого такие усилители обладают высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим Коэффициентом Ослабления Синфазного Сигнала (КОСС).
Эти свойства делают дифференциальный усилитель невероятно полезным и даже незаменимым при усилении очень маленьких по величине сигналов, например, от различных датчиков.
Помимо этого дифференциальный усилитель используется в симметричных линиях передачи данным, например, при симметричном подключении микрофона. Т.к. длина микрофонного кабеля может быть значительной (более 50м), на него отлично наводятся различные помехи. В случае применения симметричного включения микрофона помехи приходят на оба входа дифференциального усилителя в фазе, и не усиливаются им.
Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ
Коэффициент усиления такой схемы равен К=R2/R1. Для обеспечения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого желательно применение резисторов точностью 0.01%.
Резисторы такой точности достаточно дороги, и не всегда их можно найти в продаже. Поэтому при первой возможности лучше закупить 100 кОм резисторы указанной точности для применения в подобных схемах.
Если все резисторы будут одного номинала, что вполне допустимо, то коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен 1. Дальнейшее усиление при необходимости можно произвести дополнительными каскадами, зато наличие синфазной помехи было уже устранено.
Дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления
При необходимости получения очень большого коэффициента усиления дифференциального усилителя применяется Т-образная обратная связь, показанная на рисунке.
Достоинство этой схемы состоит в том, что она позволяет использовать удобные сопротивления резисторов, и не создает опасности присутствия паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.
Так в случае, если R2=R5=100 кОм, а R6=1 кОм, то представленная цепь работает как один резистор с сопротивлением 10 МОм.
Повторители для повышения входного сопротивления дифференциального усилителя
Для обоих схем дифференциальных усилителей сопротивление источника должно быть меньше 25 Ом для обеспечения КОСС 100дБ. Однако это неприемлемые требования для большинства источников, в частности стандартная головка микрофона обладает сопротивлением в 600Ом, а тензодатчик имеет внутреннее сопротивление около 350 Ом.
Для решения этой проблемы прибегают к использованию повторителей, устанавливаемых по входам, как это изображено на следующей схеме.
При таком включении и использовании современных ОУ можно получить колоссальное значение входного полного сопротивления, такое, что вопросы полного сопротивления источника уже не должны нас волновать. Однако это справедливо лишь для низких частот, т.к. для высоких частот входная емкость в комбинации с сопротивлением источника образуют делитель напряжения.
Для решения этой проблемы применяется схема инструментального (измерительного) усилителя, которому посвящена отдельная статья. Сам по себе инструментальный усилитель — это готовый микрофонный предусилитель.