Меню

Усилитель постоянного тока по дифференциальной схеме



Дифференциальный усилитель: виды и работа.

Схема дифференциального усилителя (ДУ) известна еще с 30-х годов прошлого столетия. Такое название усилитель получил от латинского слова «differentia» — «разность».
Принцип работы дифференциального усилителя (рис.1) состоит в том, что усилитель, имея два входа, усиливает разность напряжений приложенных к ним. В транзисторных схемах он используется в качестве первого каскада в некоторых специальных усилителях.
Это симметричная (мостовая, балансная) схема состоящая из внутренних сопротивлений двух идентичных усиливающих транзисторов R(VT1),R (VT2) и коллекторных резисторов Rк1, Rк2 (рис.1б). Условием баланса моста, при котором выходное напряжение на нагрузке Rн равняется нулю, является сохранение следующего равенства отношений:
R(VT1)/Rк2 = R(VT2)/Rк1
По сравнению с обычными усилителями дифференциальный усилитель имеет ряд преимуществ: два входа, два выхода и симметричный выход; у него очень хорошая температурная стабильность, значительный коэффициент усиления и способность усиления малых сигналов при наличии больших помех.
Но эти замечательные свойства ДУ возможны только при отличной симметрии обоих плеч усилителя. Сложность заключается в том, что симметрия должна быть не только при данной температуре (что делается довольно таки легко), а в диапазоне температур — например, от -20°С до +50°С. Это означает что основные параметры двух транзисторов должны быть одинаково зависимыми в этих границах температур. При использовании дискретных (отдельных) транзисторов такую симметрию получить практически невозможно. Поэтому в дискретной схемотехнике использование ДУ ограничен.
При развитии интегральных микросхем (ИС) решился вопрос о симметрии двух транзисторов. В микросхемах они одновременно производятся на одном и том же кристалле или пленке по одинаковой технологии. Даже при неправильном размещении фотошаблона транзисторы наносятся одинаково как два смежных элемента. Кроме того, они расположены рядом друг с другом, что обеспечивает одинаковый температурный режим. Следовательно, их температурные изменения в относительно широких интервалах таким же образом влияют и на их параметры.

На рис.2 изображен дифференциальный усилитель с дискретными транзисторами, которые запитываются от одного источника тока Е, где базовые резисторы R1′ — R2′ и R1″ — R2″, а также и Rэ обеспечивают необходимые напряжения на VТ1, VТ2. Сопротивление Rн равен сопротивлению нагрузки следующего каскада после ДУ.
Благодаря разделительным конденсаторам С1 и С2 постоянное напряжение от источников сигналов не попадает на вход ДУ. Но т.к. конденсаторы имеют значительную емкость, а в интегральном исполнении они не выполняются, поэтому должны быть удалены из схемы дифференциального усилителя в ИС. Однако в такой схеме, без конденсаторов на входах, постоянное напряжение смещения на базах будет влиять на режим транзисторов источников сигнала, что неприемлемо.
Выход из этой ситуации есть — питать дифференциальный усилитель от симметричного источника тока с общей средней точкой. Тогда убираются базовые делители и на двух базах будут нулевые потенциалы относительно заземленной средней точки (рис.2).
В идеальном ДУ мост, образованный из плеч VТ1, Rк1 и VТ2, Rк2, будет сбалансирован, если эти транзисторы полностью идентичны и их температурные параметры будут одинаково зависить от температуры, а коллекторные резисторы удовлетворять условию:
Rк1 = Rк2 = Rк.
Тогда коллекторные токи покоя будут одинаковы:
Iкп1 = Iкп2 = Iкп.
Величину Iкп выбирают в зависимости от предназначения ДУ. Обычно этот ток составляет 1-2 мА, а при необходимости, для создания большого входного сопротивления и низкого уровня шумов, его уменьшают до 50-100 мкА.
Нулевой потенциал на базах достигается путем выбора Iкп, величин Rк и Rэ, а также напряжений Е1 и Е2 (обычно Е1 = Е2). При режиме покоя величина Е2 слагается из двух напряжений:
Е2 = Uбэп + 2IэпRэ.
Через Е1 протекает ток 2Iкп, а через Е2 — 2Iэп, который будет немного больше на величину тока базы:
2Iэп = 2Iкп + 2Iбп.
Для большого входного сопротивления ДУ выбирают транзисторы с большим коэффициентом усиления β и малым Iбп = 1 ÷ 10 мкА.

Симметричный и несимметричный входы.

Понятия о симметричных и несимметричных входах и выходах связаны с переменной составляющей сигналов.
Когда выводы сигнала генератора подключены на две базы, и ни один из выводов по переменному току не заземлен, тогда вход у ДУ — симметричный. В этом случае можно мысленно провести ось симметрии в дифференциальном усилителе и середине генератора, которая имеет нулевой потенциал по переменному току (рис.3а). В качестве примера на рис.3б показан симметричный индуктивный ввод.
Когда генератор включен на одну из баз и шасси, а вторая база заземлена, вход является несимметричным (рис.3в,г,д,е.). В таком случае на одну базу будет подано переменное напряжение сигнала, а на вторую базу — постоянный нулевой потенциал.

Симметричный и несимметричный выходы.

При одновременной подаче выходных сигналов с двух коллекторов на нагрузку — это симметричный выход (рис.4а). Когда на нагрузку подается выходной сигнал с любого коллектора с одной стороны, и нулевой потенциал средней точки с другой стороны, тогда выход дифференциального усилителя считается несимметричным (рис.4б,в).

Читайте также:  Сила лоренца сила ампера взаимодействие проводников с током

Дифференциальный входной сигнал.

В ДУ возможно подача двух видов входных сигналов: дифференциальный и синфазный.
Дифференциальный — это такой входной сигнал Uдиф , при котором его половина Uдиф/2 подаётся относительно общей точки схемы на один вход, а другая половина подаётся в противофазе на второй вход (рис.2) и равен разнице между напряжениями сигналов по отношению к корпусу:
Uдиф = Uвх1 — Uвх2.
Для дальнейшего удобства предполагаем, что дифференциальный сигнал подается от генератора.
При симметричных входах (рис.5а) синусоидальный сигнал в противофазах подается на две базы, который попеременно открывает и закрывает транзисторы: когда один открывается — другой закрывается, и наоборот.
На несимметричные входы сигнал также подается на базы, только одна из баз заземлена (рис.5б). При этом сигнал генератора попеременно открывает VT1 и, одновременно паявившееся падение напряжение на Rэ, закрывает VT2.
Этот процесс можно представить в виде, как на рис.5в, где транзисторы заменены двумя спаренными переменными резисторами на одной оси, которые при вращении оси меняют сопротивления в противоположных направлениях. При этом выходные напряжения резисторов (транзисторов) будут меняться, но сумма этих напряжений Uвых на нагрузочном резисторе будет постоянным.

Синфазный входной сигнал.

Синфазными называются такие сигналы, которые, имеющие одинаковую амплитуду и фазу, одновременно присутствуют на обоих входах дифференциального усилителя (рис.6а). Этот сигнал будет равен полусумме сигналов, действующих на обоих входах ДУ (рис.6б):
Uсф = (Uвх1 + Uвх2)/2
Здесь тоже предположим, что генератор включается между связанными базами и шасси. Тогда синфазный сигнал одновременно или открывает, или закрывает транзисторы.
Эквивалентная схема (рис.6в) будет похожа, как при дифференциальном входном сигнале, только здесь переменные резисторы одновременно одинаково меняют сопротивления. Вследствие этому после резисторов (транзисторов), при идеальной симметрии схемы ДУ, на коллекторах будут одинаковые потенциалы относительно средней точки и, значит, разность потенциалов Uвых будет равно нулю.
На практике, в отличии от полезного дифференциального сигнала, который поступает на входы ДУ в противофазе, могут действовать синфазные помехи (шумы), совпадающие по фазе. Появление этих помех обусловленно, например, температурными шумами транзисторов,наводками внешних электромагнитных полей и др. Поэтому дифференциальный усилитель должен эти помехи полностью подавлять, т.е. как можно больше усиливать дифференциальный сигнал и как можно меньше — синфазный.
Рассмотрим особенности дифференциальных усилителей в комбинациях с различными видами входных сигналов и выходов усилителей.

Свойства дифференциального усилителя с симметричным выходом.

1.С дифференциальным входным сигналом.

На рис.7а,б приведены схемы ДУ с дифференциальным входным сигналом, где в разные полупериоды входного сигнала показаны пути прохождения переменного тока с указанием их направлений (голубые стрелки).
Как видно на рис.7а,что когда на вход VT1 подается сигнал от генератора, то в первом полупериоде положительная его фаза открывает Т1, а отрицательная — закрывает Т2. В результате, в этот момент, коллекторное напряжение на T 1 будет отрицательным, а на T2 — положительным (обозначение полярности напряжения в кружочке).
При втором полупериоде (рис.7б) происходит все в точности наоборот: Т1 закрывается, Т2 открывается, а коллекторные напряжения на Т1 положительное, на Т2 — отрицательное. Нагрузкой коллекторных токов являются сопротивления Rн и 2Rк = Rк1 + Rк2, включенных параллельно. Тогда их общее сопротивление равно:
Rт сим = 2RкRн/(2Rк + Rн).
В этом случае дифференциальный усилитель ведет себя как генератор переменного тока с внешним возбуждением и параллельной нагрузкой.
На рисунках видно, что в каждый полупериод переменные токи противофазны (красные стрелки) и, при полной симметрии, компенсируют друг друга. Поэтому через резистор Rэ и источники тока Е1, Е2 переменный ток не течет.
На рис. 7а,б показываются только входные и выходные цепи переменного тока. Переменное выходное напряжение на обоих концах нагрузки равно разнице между напряжения на обоих выходов:
Uвых диф сим = Uвых1 — Uвых2
Когда общее сопротивление коллекторных токов Rт сим 3 ÷ 10 6 .

Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом.

Схема с несимметричным выходом применяется, как правило, для согласования дифференциального усилителя с каскадами, выполненными на одиночных транзисторах. При этом резистор в цепи транзистора, не связанного с выходом усилителя, в общем случае может отсутствовать. Если к дифференциальному усилителю необходимо подключить каскад с несимметричным выходом, напряжение неиспользуемого входа, как правило, фиксирует на неизменном уровне. Для этой цели может быть использован дополнительный делитель напряжения.

1.С дифференциальным входным сигналом.

Такая схема приведена на рис.9, где выходной сигнал берется с коллектора VT1. В коллекторе VT2 резистора R2 может и не быть. Тогда входное сопротивление VT1 равно:
Rт нес = RкRн/(Rк + Rн).
При Rн ≤ 10 кОм основные зависимости будут следующие:
Кu диф нес ≈ 0,5h21к·Rк·Rн/h11э(Rк + Rн) = 0,5SRт нес,
Rвх диф нес = 2h11э,
Rвых диф нес = Rк.

Читайте также:  Сопротивление катушек реле переменного тока

2.С синфазным входным сигналом.

Для такого вида включения показана схема на рис.10. В этом случае входное сопротивление VT1 такое же, как и при дифференциальном входе:
Rт нес = RкRн/(Rк + Rн).
При Rн ≤ 10 кОм выполняются следующие основные зависимости:
Ku сф нес = SRн/(1 + 2SRэ) ≈ Rн/2Rэ,
Rвх сф нес = 0,5h11э(1 + 2SRэ),
Rвых сф нес = Rк,
КОСС ≈ 1 + 2SRэ.

Теперь, зная, как работает дифференциальный усилитель, рассмотрим случай , когда на ДУ подается полезный и синфазный (помеха) сигналы (рис.11).
В этом примере входной импульс имеет только положительную амплитуду. Чтобы подавить помеху, необходимо однофазный входной сигнал преобразовать в дифференциальный. Для этого его инвертируют и подают вместе с не измененным входным сигналом на диффенциальные входы ДУ. Одновременно на вход будет действовать наведенный через входные цепи синфазный сигнал помехи, который складывается с полезным сигналом. ДУ вычитает уже разнофазные импульсы помехи, а полезный сигнал снимается с положительного несимметричного выхода.

Источник

Дифференциальный УПТ, его достоинства и недостатки

Усилители постоянного тока (УПТ), дрейф нуля.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназна­чены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т. е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудно- частотной характеристикой в виде изоб­раженной на рис. Связь источни­ка сигнала с входом усилителя и меж­каскадные связи не могут быть осуще­ствлены в УПТ посредством конденсато­ров и трансформаторов, поскольку это обеспечило бы амплитупно-частотную характеристику, у которой Ки=О при f=0.

Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основной причиной этого явления являются температурная и временная нестабильность параметров активных элементов схемы усилителя, резисторов, а также источников питания. Одним из возможных путей уменьшения дрейфа нуля является использование дифференциальных усилителей.

Дифференциальные усилители постоянного тока (УПТ) – усилители, обеспечивающие усиление разности сигналов, поступающих на два входа усилителя в широкой полосе частот, включая и сигналы нулевой частоты (постоянный ток). Дифференциальные УПТ совместно с внешними элементами (резисторами, конденсаторами, диодами и т.д.) широко применяются для выполнения математических операций, например сложения, вычитания, логарифмирования, дифференцирования и интегрирования. Поэтому сами дифференциальные УПТ часто называют операционными усилителями (ОУ).

Дифференциальный усилитель имеет следующие достоинства: малый дрейф нуля; высокая степень подавления синфазных помех. Недостатки дифференциального усилителя: требует двухполярного источника питания; необходима очень высокая симметрия схемы.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Дифференциальные усилители постоянного тока

В настоящее время наибольшее распространение получили УПТ на основе дифференциальных каскадов. Такие усилители реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются промышленностью (КТ118УД, КР198УТ1 и др.).

Дифференциальный каскад представляет собой симметричный усилитель

параллельного баланса (рис.13.4).

Eп
Rб Rк1 Rк2 Rб
Uвх1 Uвых вх
U

VT1 a b Vt 2

Rэ

Рис.13.4. Принципиальная схема дифференциального УПТ

Схема дифференциального усилителя УПТ состоит из двух каналов усиления. Выходное напряжение представляет собой разность выходных напряжений двух каналов усиления. Таким образом, при условии симметрии плеч усилителя удается уменьшить напряжение дрейфа УПТ. Пусть на усилитель действует некоторое дестабилизирующее воздействие

(непостоянство напряжение питания, изменение температуры окружающей среды и др.). В этом случае выходное напряжение на выходе каждого из каналов изменяется одинаково:

Uк1 U Uк2 U (13.5)

Поскольку выходное напряжение равно разности выходных напряжений двух каналов, то при условии идентичности плеч имеем:

U вых U к1 U к2 (13.6)

Для дифференциального УПТ вводится понятие ослабления синфазных сигналов Fs . Чем больше коэффициент ослабления синфазных сигналов, тем меньше напряжение дрейфа. Для хорошей дифференциальной пары Fs 80дБ.

При общей эмиттерной нагрузке обоих активных элементов усиление увеличивается в два раза. Напряжение на общем сопротивлении в цепи эмиттера Rэ , вызванное изменением входного напряжения на базе транзистора

VT1,оказывается противофазным для транзистора VT2.

Поскольку идентичность двух плеч усиления обеспечить сложно, то включают дополнительное подстроечное сопротивление в цепи эмиттера транзисторов (рис.13.5).

a Rбал b

Eп

Рис.13.5 Схема включения подстроечного сопротивления Rбал

Дальнейшее уменьшение напряжение дрейфа требует применения специальных схем для стабилизации тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2,

чем достигается стабильность рабочих точек транзисторов. В качестве таких схем используют генераторы стабильного тока (ГСТ), которые включают в эмиттерную цепь транзисторов. В качестве ГСТ часто используют схему

Читайте также:  Измерители тока тн вэд

«токовое зеркало» (рис.13.6).

R1 R 2

Рис.13.6. Принципиальная схема токового зеркала

Требуется стабилизировать ток J . Самым стабильным элементом является сопротивление. Класс точности этого элемента является достаточно высоким. На этом и основан принцип работы схемы токового зеркала.

Необходимым и достаточным условием работы схемы является большое значение крутизны транзистора:

S 200 300 мА (13.7)
В

При выполнении условия Jб Jк,Jэ током базы можно пренебречь, по сравнению с токами коллектора и эмиттера транзистора, при этом:

Uбэ JR1 Uд J1R2 (13.8)
Если допустить, что напряжения Uбэ и Uд одинаковы, то
J J1 R 2 (13.9)
R

Таким образом, если J1 стабилен, то будет стабилен и ток J .

Вместо диода в схемах токового зеркала часто используют транзистор в диодном включении.

Источник

Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение

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

Дифференциальный усилитель - схема на ОУ и его предназначение

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.

Дифференциальный усилитель - схема на ОУ и его предназначение

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.

Дифференциальный усилитель - схема на ОУ и его предназначение

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.

AliExpress RU&CIS

Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название — АудиоГик. Материалы этого сайта — личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали 🙂

Источник