1.3 Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители дают возможность усиливать слабые сигналы на фоне сильных синфазных сигналов (помех).

Функциональная схема дифференциального усилителя показана на рис. 1.3.

Вход схемы дифференциального усилителя должен быть по возможности симметричным.

В схемах дифференциального усилителя, как правило используется прецизионные резисторы с допуском по номиналу не хуже 1 %. Если Е₁ заменить коротко замкнутой цепью (точку 1 соединить с землей), то для источника сигнала Е₂ схема будет выглядеть как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления равном – m (согласно формуле (.4). Следовательно, при этом выходе будет напряжение (формула .3):

Теперь представим, что замкнут на коротко источник Е₂ (точка 2 на земле), тогда Е₁ делится между резисторами R и mR, и на входе (+) оказывается напряжение Е₁m / (1+m). Для этого напряжения схема представляет неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1+m и

(формулы .8 и 9)

Следовательно Е₁ усиливается схемой в m раз. Когда на входах (+) и (-) присутствуют оба напряжения Е₁ и Е₂ соответственно напряжение на выходе усилителя будет:

(.12)

Это уравнение показывает, что выходное напряжение дифференциального усилителя V_вых пропорционально разности напряжений, приложенных ко входам (+) и (-).

Коэффициент m называется дифференциальным коэффициентом усиления, он определяется соотношением сопротивлений резисторов в схеме.

(.13)

Очевидно, что при Е₁ = Е₂ выходное напряжение должно быть равно нулю. Другими словами для синфазного входного напряжения V_вых= 0.

Это будет так, если равны между собой отношения сопротивлений резисторов mR и R₁, задающих коэффициент усиления инвертирующего усилителя, и резисторов mR и R цепи делителя напряжения (на входе (+)), а так же наличие симметрии в самом операционном усилителе.

На практике равенства этих отношений добиваются установкой последовательно с одним из резисторов потенциометра. Этот потенциометр настраивают так, чтобы при закороченном входе (точки 1 и2) V_вых стало равно «0». При этом коэффициент усиления синфазного V_вых / Е_синф приближается к «0». Именно это свойство позволяет выделить слабый сигнал из сильной помехи.

1.4 Смещение, сдвиги и дрейф операционных усилителей

При рассмотрении выше схем идеальных усилителей (п.п. .1 и .2) были приняты ряд условий, в том числе: входные токи ОУ настолько малы, что в расчет их не принимали, коэффициент усиления ОУ был постоянен и не зависел от частоты сигнала.

В идеальном случае выходное напряжение должно быть равно произведению входного сигнала постоянного тока на коэффициент усиления усилителя с обратной связью. Однако к этому входному напряжению может добавляться составляющая ошибки, которая возникает из-за различия между идеальным и реальным ОУ. Если составляющая ошибки сравнима с идеальным значением выходного напряжения, мы должны учитывать эту ошибку и попытаться свести ее к минимуму.

Существуют следующие параметры ОУ, которые вносят вклад в ошибку в выходном напряжении усилителя на постоянном токе: входные токи смещения, входной ток сдвига, входное напряжение сдвига и дрейф.

Для усилителя переменного тока существенными являются проблемы, связанные с частотной характеристикой и скоростью нарастания.

При использовании ОУ в усилителе переменного тока ошибка в выходном напряжении по постоянному току практически исключается благодаря наличию конденсаторов связи.

В табл. 1 указаны параметры ОУ, влияющие на его работу в различных схемах в зависимости от величины сигнала.

Условно считаем, что

V_вых мало – если амплитуда ≤ 1 В

V_вых велико – если амплитуда > 1 В

Параметры ОУ, которые вызывают ошибки в основном на постоянном токе, рассмотрены в этом параграфе.

Параметры, дающие ошибки при усилении сигналов переменного тока, рассмотрены ниже .

Дадим определения параметров.

До сих пор мы считали, что входные зажимы ОУ не потребляют ток. На практике это не так.

Таблица .1

Параметры ОУ, которые могут влиять на характеристику схемы	Область применения
	Усилитель постоянного тока		Усилитель переменного тока
	Vвых мало	Vвых велико	Vвых мало	Vвых велико
Входной ток смещения	+	+ / –	–	–
Ток сдвига	+	+ / –	–	–
Входное напряжение сдвига	+	+ / –	–	–
Дрейф	+	–	–	–
Частотная характеристика	–	–	+	+
Скорость нарастания	–	+	–	+

В таблице: + есть влияние, – нет влияния, + / – влияние может быть