Для чего нужен дифференциальный усилитель

Дифференциальные усилители: принцип работы

Дифференциальные усилители используются для повышения разности напряжения нескольких выходных сигналов. При идеальной работе устройства импульсы определяются только их отличительными характеристиками. Одновременное изменение сигналов на всех выходах называется синфазным. Разностные или дифференциальные поступающие импульсы определяются как полезные или нормальные.

В качественном усилителе показатель ослабления сигнала всегда высокий. Он представляет собой соотношение входного импульса к выходному. При этом амплитуда полезного и синфазного сигнала должна быть одинаковой. Чаще всего КОСС измеряется в децибелах. Выходной импульс меняется в зависимости от уровня мощности, который может быть задан диапазоном синфазного входного сигнала.

Для чего используются?

Дифференциальные усилители применяются, когда есть вероятность потери слабых сигналов из-за шумов. Такая возможность возникает при передаче звуковых колебаний, радиочастот, напряжения электрокардиограмм, импульсов по длинным проводам, информации на магнитных накопителях и в ряде других случаев. При несущественных помехах прибор восстанавливает входной импульс на приемном конце. Для проектирования усилителей постоянного тока часто используются дифференциальные каскады. По своей сути их симметричная система компенсирует температурный дрейф.

Распространенный вариант

Схема дифференциального усилителя с однополюсным выходом делает замер выходного напряжения на коллекторе относительно потенциала заземления. Это устройство увеличивает энергию на входе и трансформирует ее в несимметричный импульс, с которым работают обыкновенные приборы. Дифференциальный сигнал при необходимости снимается между коллекторами. Коэффициент усиления в такой схеме легко просчитывается.

«Длиннохвостая пара»

Так можно назвать усилитель, когда величина сопротивления резистора обратно пропорциональна его длине. Подавление синфазных сигналов в схеме определяется как «длинный хвост», а максимальные сопротивления межэмиттерных связей являются повышением дифференциальных импульсов.

Смещение при помощи тока

В усилителях могут снижаться синфазные импульсы, если заменить резистор на источник питания. При этом текущее значение сопротивления будет возрастать, а эффект повышения сигналов существенно ослабится. Представим себе дифференциальный усилитель постоянного тока, на входе которого будут действовать синфазные импульсы. Источники энергии в эмиттерных цепях будут поддерживать напряжение, распределяя его между коллекторными цепями равномерно.

Нужно помнить о необходимости предусматривать цепи смещения постоянного тока. Если использовать конденсаторы для межкаскадной связи на входе, то должны быть активированы базовые заземленные резисторы. К таким дифференциальным усилителям относится одно предостережение. На переходе база-эмиттер не более 6 В биполярные транзисторы могут выдерживать обратное смещение. После этого может наступить пробой.

Если подается большее входное дифференциальное напряжение, то входной каскад будет разрушаться. Разрушение схемы предотвращается благодаря ограничению тока пробоя эмиттерным резистором, но качества транзисторов при этом могут понижаться. Если обратная проходимость будет возникать, снижение входного импеданса будет существенным в любом случае.

Использование в усилителях дифференциальных схем

Работа дифференциального усилителя может быть адаптирована под несимметричные входные сигналы. Для этого необходимо подать сигнал на один из его входов, а второй просто заземлить. Неиспользуемые транзисторы из устройства исключить не получится. Дифференциальная схема дает возможность компенсировать температурные изменения. Даже если будет заземлен один из входов, термостатор может функционировать. Они могут изменяться соответственно колебаниям температуры напряжения. При этом балансировка схемы нарушаться не будет.

Кроме того, исчезает необходимость учета падения подаваемого тока. Качество работы таких устройств может быть понижено только из-за несогласованности напряжений или их температурных характеристик. Производители поставляют на рынок транзисторные пары, а также интегральные дифференциальные усилители с достаточно высоким согласованием.

Применение токового зеркала

Иногда нужен дифференциальный усилитель, принцип работы которого основан на существенном увеличении коэффициента усиления. Идеальным решением такой задачи будет применение токового зеркала для активной нагрузки прибора. Дифференциальная пара с источником напряжения в эмиттерной цепи образуется транзисторами. Для создания коллективной нагрузки применяются транзисторы. Они играют роль токового зеркала. Таким образом сопротивление общей нагрузки может быть увеличено.

Коэффициент усиления благодаря этому достигает 5000 и даже выше, если отсутствует выходная нагрузка. Такие приборы чаще всего применяются в схемах, в которых есть петля обратной связи, а также в компараторах. Всегда нужно помнить, что нагрузка для таких приборов должна иметь немалый импеданс. В противном случае усиление значительно ослабится.

Схемы расщепления

На коллекторе дифференциальных симметричных усилителей могут возникать импульсы с одинаковой амплитудой и противоположными фазами. С двух элементов снимаются выходные сигналы. В результате может быть получена схема расщепления фазы. Естественно, можно применять устройство с дифференциальными входами и выходами. Импульсы при этом используются для управления одним каскадом усилителей. Для всей схемы будет существенно увеличена величина КОСС.

Усилитель для компаратора

Заключение

Дифференциальный операционный усилитель – это прибор для повышения постоянного тока, применяемый в различных операциях над аналоговыми величинами. Устройство задействуется в схемах, обратные связи которых являются отрицательными. Усилитель, работающий с постоянным током, отличается от прибора для переменного напряжения возможностью повышения медленно изменяющихся импульсов. Приборы используются для повышения разности тока в нескольких выходных сигналах.

Источник

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 ∆U_BX = 10 мВ, сопротивление источника сигнала R_Г = 1 кОм, изменение выходного напряжения ∆U_BbIX = 5 B.

Примем R_b2=R2=R8 = 10 кОм

где r_CE и r_BE – внутренние коллекторно-эмиттерное и базо-эмиттерное сопротивления транзистора

где U_γ – потенциал Эрли, который имеет следующие значения для n-p-n-транзисторов – 80…200 В, для p-n-p-транзисторов 40…150 В
U_Т – тепловой потенциал, равный 26 мВ для комнатной температуры
Таким образом, выходное дифференциальное сопротивление источника тока составит

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

где R_ВХ – 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

К_ОССФ = 55803 раза или 95 дБ, что является достаточно неплохим результатом, так как в случае применения вместо стабилизатора тока обычного резистора порядка нескольких сотен Ом К_ОССФ 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.

Источник

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)»:

Источник