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 усилителем DA3, 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
