Коэффициента усиления

Для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, и во многих случаях также большое входное сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи, охватывая ею операционный усилитель. Однако дифференциальный усилитель на базе одного операционного усилителя не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких мегаом, поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на схеме. Здесь входное дифференциальное напряжение (V2-V1) подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя, который не используется для создания обратной связи, а собственное входное сопротивление прецизионных операционных усилителей составляет значения порядка нескольких сотен мегаом. Инструментальные дифференциальные усилители применяются для точного съёма напряжений с плеч электронного моста и других датчиков с малым выходным импедансом. Промышленностью выпускаются микросхемы, подобные приведённой схеме, с дополнительными возможностями по настройке коэффициента усиления, фильтрации шумов и частотной коррекции.
Применение[править | править код]

Схема дифференциального усилителя на базе одного ОУ
Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью.
Следует использовать дифференциальные усилители всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалографии и подобных методах исследования. Обычно необходимо также использовать специальные линии передачи сигналов, например, экранированную двухпроводную линию для передачи сигнала с микрофона (применяется, например, в линиях с разъёмом XLR).

• 
  С 1960-х годов дифференциальный усилитель применяется в цифровых микросхемах с эмиттерно-связанной логикой (ЭСЛ).
  
• 
  Дифференциальный усилитель применяется в эмиттерно-связанных триггерах Шмитта.
  
• 
  Аналоговые умножители, Ячейка Гилберта.
  

Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель — операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Дифференциальные усилители могут определить и усиливать разницу между входными сигналами. Поскольку многие дифференциальные усилители способны определять очень маленькую по величине разницу, они очень часто используются в контрольно-измерительных устройствах.

Схема дифференциального усилителя
Схема дифференциального усилителя
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.
Дифференциальный усилитель состоит из одного операционного усилителя и нескольких резисторов. Отличие дифференциального усилителя от других усилителей состоит в том, что обычно напряжение подается на оба его входа. Именно это позволяет легко отличить дифференциальный усилитель на принципиальной схеме.

К недостатка дифференциальных усилителей можно отнести входное сопротивление усилителя, которое слишком низкое для его широкого использования. Также затруднительно регулировать коэффициент усиления усилителя так, чтобы это не влияло на его входное сопротивление, поскольку входному резистору и резистору цепи обратной связи должны соответствовать уравновешивающие их резисторы.

Принцип действия дифференциального усилителя
В схемах других операционных усилителей напряжение на опорном соединении всегда было равно входному напряжению, но с дифференциальным усилителем дело обстоит иначе. В дифференциальном усилителе напряжение на опорном соединении всегда будет отличаться от напряжения на неинвертирующем входе; фактически, оно всегда будет ниже напряжения на неинвертирующем входе.

Инвертирующий вход дифференциального усилителя имеет те же характеристики, что и инвертирующего усилителя.

В дифференциальном усилителе выходное напряжение, образующееся при подаче напряжения на инвертирующий вход, если его рассматривать отдельно, и выходное напряжение, образующееся при подаче напряжения на неинвертирующий вход, если его также рассматривать отдельно, равны указанным входным напряжениям, умноженным на коэффициент усиления усилителя. Кроме того, коэффициент усиления усилителя равен отношению сопротивления резистора цепи обратной связи к входному резистору, Rfb/Rin.

Некоторые дифференциальные усилители имеют встроенные защитные схемы, предохраняющие от чрезмерного входного напряжения. Другие усилители не имеют внутренних компенсирующих элементов и поэтому должны использовать внешние элементы. Для этих целей обычно используются диоды, называемые фиксирующими диодами. Вместо обычных диодов могут быть использованы стабилитроны. Если превышено предельно допустимое дифференциальное входное напряжение, стабилитроны переходят в проводящее состояние, отводя чрезмерное входное напряжение в обход входных зажимов усилителя. И наконец, дифференциальные усилители могут иметь элементы частотной коррекции.

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
П о 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.