Глава 7

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

До сих пор мы рассматривали усилители с несимметричным входом. Иначе говоря, у таких усилителей есть только один выход, на который поступает входной сигнал, создающий напряжение относительно земли. Тем не менее для многих измерительных схем и схем, входящих в состав научной аппаратуры, требуется дифференциальный вход. Конечно, стандартная ИС операционного усилителя удовлетворяет этому требованию, так как она имеет пару дифференциальных входов.

Ослабление синфазной составляющей

Вспомним сформулированные в гл. 1 правила работы операционного усилителя, которым подчиняется схема, изображенная на рис. 7.1. Каждое из напряжений и Е оказывает воздействие только на один вход, а напряжение Е подается сразу на оба входа. Таким образом, напряжение £3 известно под названием напряжения синфазной составляющей. Идеальный операционный усилитель, работающий в дифференциальном режиме, реагирует только на такой входной сигнал:

Е,, = {Е,-Е). (7.1)

и генерирует выходное напряжение, равное

£вых = Л,, (7.2а)

Ев = АЛЕ,-Е). (7.26)

Под воздействием напряжения синфазной составляющей £3 соответствующие входы оказывают на выход одинаковое по вели-

Рис. 7.1. Операционный усилитель с дифференциальными входами.

чине, но противоположное по знаку воздействие, поэтому выходное напряжение теоретически сводится к нулю. Коэффициент ослабления синфазной составляющей (КОСС) является мерой способности дифференциального усилителя к ослаблению синфазных сигналов. Он оценивается в децибелах:

КОСС(дБ) = 201Е(Л,р/4(сс)). (7.3)

где А„р - коэффициент усиления дифференциального напряжения, А„(сс) - коэффициент усиления синфазного напряжения, определяется по схеме рис. 7.1, в которой {Ei-£2)=, а вых обусловлено только напряжением £3:

"" £2) =0. (7.4)

(co)

Для большинства операционных усилителей КОСС достигает 120 дБ и даже для тех схем, которые можно приобрести почти задаром, часто превышает 80 дБ. Это значит, что при 120 дБ они усиливают дифференциальный сигнал почти в миллион раз сильней, чем синфазный.

Очевидно, что при этом влиянием синфазных сигналов можно пренебречь, за исключением наиболее критичных приложений. А может быть, и в критичных схемах синфазные сигналы можно не принимать во внимание? К сожалению, КОСС снижается почти сразу после включения операционного усилителя в реальную схему, так как другие факторы приводят к разбалансу дифференциальных входов усилителя.

Однокаскадные схемы операционных усилителей

Простейшая схема операционного усилителя с дифференциальными входами показана на рис. 7.2. Коэффициент усиления дифференциального сигнала для этой схемы определяется следующим выражением:

Л, = ад, (7.5)

если

1 = 2 и = R-\-R,

С этой схемой связаны две проблемы, которые в определенных практических случаях могут проявиться, а могут и не проявиться. Одна проблема состоит в том, что входной импеданс ограничен значениями сопротивлений R\ и R2, а не действительным значением ZbxHC.

Если входной импеданс увеличить за счет увеличения этих сопротивлений, то могут возникнуть затруднения с получением высокого значения коэффициента усиления. Это как раз тот случай, когда два требования противоречат друг другу, и для того, чтобы выйти из затруднения, необходимо принять компромис-

» Регулировка

г\ косе

Рис. 7.2. Простой однокаскадный дифференциальный операционный усилитель.

сное решение. Например, обычно допускается уменьшение R\ и 7?2 до значения, в 10 раз превышающего выходной импеданс схемы формирования входных сигналов. Во всех практических случаях источники входных сигналов (другие электронные схемы или датчики) обладают определенным выходным импедансом. В большинстве случаев он лежит в диапазоне от 100 до 1000 Ом. Исключение составляют (и это имеет немаловажное значение) некоторые электроды (например, рН), применяемые в биофизических и химических экспериментах. Если вы столкнетесь с таким случаем, когда импеданс источника не превышает 1000 Ом, то для R\ и .2 подойдет значение 10 кОм. Для поддержания высокого значения КОСС необходимо, чтобы выполнялось условие Ri=R2 и R3=Ri-\-R5. Потенциометр Rs обычно маркируют как «регулировка КОСС», потому что он помогает установить оптимальное значение КОСС путем компенсации последствий несогласованности резисторов. Конечно, мы по-прежнему должны исходить из того, что резисторы Ri и R2 должны быть согласованными, но обычно удобнее пользоваться такими резисторами, у которых допуск на сопротивление составляет 1%. Можно также вручную отсортировать их с помощью прецизионного омметра или моста Уитстона.

Как показывает практика, желательно строить схему таким образом, чтобы при установке потенциометра в среднее положение выполнялось условие: R3=Ri-\-R5. Желательно также, чтобы полное значение Rs составляло приблизительно 10% Ri-В качестве R5 следует использовать регулировочный потенциометр. Понятно, конечно, что допуск на резистор, выбранный в качестве R4, оказывает некоторое влияние на допустимую вели-