г. Барнаул
  ttennis.webuspex-m.ru







Дифференциальные усилители специального назначения

Усилители с дифференциальными входом и выходом. Усилители с подавлением синфазного сигнала. Инструментальные усилители. Измерительные усилители.

Видеокурс "Блог для Инфобизнеса за 15 шагов"
Книга "Пошаговое руководство по созданию инфопродукта"


Зачастую необходимо усилить сигнал от датчиков расположенных на значительном расстоянии от усилительных и исполнительных устройств. В этом случае обычно присутствует большой сигнал помехи или наводки на соединительные провода.

Простейшим примером это может быть микрофон, и все слышали, какие присутствуют у него помехи в виде низкочастотного фона. Такая наводка представляет собой синфазный сигнал (т.к. наводится на оба провода одинаково), который можно подавить с помощью дифференциального (разностного) усилителя. Полезный же сигнал является дифференциальным сигналом, который необходимо усилить.

классическая схема усилителя с дифференциальным входом На рисунке приведена базовая схема включения такого каскада на операционном усилителе. При равенстве отношений резисторов R2/R1 и R4/R3 усилитель сбалансирован и в идеале будет усиливать только дифференциальный (разностный сигнал) U2 - U1. Для данной схемы коэффициент усиления такого сигнала равен
Ku=R2/R1=R4/R3=10 (R2=10кОм, R1=1кОм)
Коэффициент подавления синфазного сигнала определяется типом операционного усилителя и является величиной справочной.

Недостатком такого усилителя являются большие величины синфазного сигнала на входе и малый коэффициент их подавления.

дифференциальный усилитель на 2 ОУ с нулевым синфазным сигналом Избежать этого можно применив улучшенную схему на двух ОУ. В ней синфазный сигнал на входах операционных усилителей равен 0 за счет применения инвертирующего включения усилителей. Из входного сигнала U1 вычитается U2. Каскад на ОУ2 выступает в роли сумматора. Но этот усилитель имеет низкое входное сопротивление.

дифференциальный усилитель на 2 ОУ с высоким входным сопротивлением Повышение входного сопротивление на двух ОУ можно добиться применением неинвертирующих усилителей, но здесь мы опять возвращаемся к увеличению синфазного сигнала на входе. При равенстве резисторов первый каскад усиливает сигнал в 2 раза. Второй каскад также усиливает свой сигнал в 2 раза. Одновременно второй каскад выступает в роли сумматора, где и происходит вычитание входных сигналов. Выпускается в виде интегральной схемы.

Измерительные (инструментальные) прецизионные усилители

инструментальный усилитель с дифференциальным входом на трех ОУ Рассмотренная выше схема обладает существенными недостатками:
Низкое входное сопротивление, определяемое входными резисторами; для точной настройки необходимо подбирать два делителя; низкое подавление синфазного сигнала.

Для преодоления этих ограничений используют инструментальные прецизионные усилители.
Рассмотрим схему усилителя с дифференциальными входом и выходом на ОУ А1 и А2, к которой добавлен выходной дифференциальный каскад А3 для получения на выходе обычного сигнала относительно общего провода.

Усиление входного каскада (выделен желтым цветом) определяется по формуле: K =2(R2/R1)+1. Для регулировки усиления в нем достаточно подобрать только один резистор R1. Для получения хороших характеристик усилителя необходимо в качестве А1 и А2 использовать сдвоенные усилители в одном корпусе. Включение усилителя по данной схеме обеспечивает большое входное сопротивление, т.к. на входе отсутствуют дополнительные резисторы.

Инструментальный измерительный усилитель на двух ОУ Для построения схемы инструментального усилителя с дифференциальным входом и обычным выходом вместо схемы на трёх ОУ можно использовать аналогичную схему всего на двух операционных усилителях.

Коэффициент усиления: K=1+R1(1/R2+2/R3)
Усиление можно регулировать подборкой только одного резистора R3.

Данную схему мы выбрали для управления источником тока, который формирует необходимый сигнал в нагрузке. Поэтому к выходу рассмотренного усилителя подключаем источник тока управляемый напряжением на одном ОУ и одном транзисторе, рассмотренный в статье источник тока на операционном усилителе.

Iн = Uвх/Rэ
Подводим итоги: нам удалось спроектировать схему, позволяющую усилить сигнал от удаленного датчика, значительно подавив при этом синфазные помехи. К выходу усилителя подключили преобразователь напряжение - ток, который позволяет из усиленного входного сигнала сформировать токовый сигнал для питания нужного нам устройства.
 

преобразователь напряжения в ток с заземленной нагрузкой Спроектированный выше преобразователь может не удовлетворить некоторые запросы разработчиков. Дело в том, что нагрузка данного преобразователя не имеет соединения с общим проводом. Обойти эту проблему можно с помощью так называемого токового зеркала, например, на согласованных транзисторах.
Просмотрев литературу по данному вопросу, мне удалось найти решение с помощью операционного усилителя, который поможет уйти от необходимости подбора транзисторов. Для этого введем ещё один усилитель ОУ2 и транзистор VT2. Если при этом соблюсти равенство резисторов R1 и R2, то ток в нагрузке сохранит прежнюю величину Iн = Uвх/Rэ.

P.S. Все эти рассмотренные преобразователи имеют общий недостаток: могут усиливать только однополярный положительный сигнал (либо отрицательный).
Для проектирования двухполярного преобразователя напряжения -ток возможно построение его по типу схемотехники усилителей низкой частоты. Но это отдельная тема.

Изучила тему и рассказала об этом Вам Наталья С. Рассказать друзьям и получить подарок

При написании статьи руководствовалась следующей литературой:
Интересной, переведённой с английского языка, книгой
- А. Уильямс. Применение интегральных схем. Сочинение в 2-х томах, том 1, Москва, Мир 1987
И родной, отечественной
- Алексенко, Коломбет, Стародуб. Применение прецизионных аналоговых ИС.- М: Сов. радио, 1980.

Изучаем источник тока
Подходящие схемы на операционных усилителях
Где грань между источником тока и напряжения
Электронная книга с аудиоверсией "Создание базы подписчиков с нуля"

Ваши комментарии и возражения. Вопросы и ответы

Усилители с дифференциальными входом и выходом. Усилители с подавлением синфазного сигнала. Инструментальные усилители. Измерительные усилители. Прецизионные усилители. Схема на операционном усилителе. Источник тока на операционном усилителе. Входное сопротивление.