Diferenciální zesilovač: Pracovní metoda a termín, který musíte znát

Úvod

Diferenciální zesilovače jsou v konstrukci analogových integrovaných obvodů nejrozšířenější stavební kameny. Diferenciální zesilovač je v podstatě elektronický obvod, který se skládá ze dvou vstupů, invertujícího a neinvertujícího vstupu provozovaných v konfiguraci se zápornou zpětnou vazbou. Diferenciální zesilovač v podstatě zesiluje rozdíl mezi použitým vstupním napětím v těchto dvou vstupních svorkách a odmítá jakýkoli společný signál k těmto dvěma vstupním svorkám

V podstatě vše operační zesilovače jsou diferenciální zesilovače, protože všechny mají stejnou konfiguraci vstupu. Pokud je vstupní napěťový signál přiveden na jeden ze vstupních kolíků a jeden další napěťový signál je přiveden na druhý kolík místo toho, aby byl uzemněn, je výsledné výstupní napětí úměrné odchylce mezi dvěma vstupními napětími zapojenými do dvou příslušných vstupních svorek.

Konstrukce a práce

Zvažte obvod, který je zobrazen na obr. (A), se vstupy V_i1 a V_i2. K analýze obvodu použijeme koncept superpozice a virtuálního zkratu. Obr (b) ukazuje obvody s V_i2 = 0. V R nebude proudit žádný proud₃ a R₄; proto, V_2a = 0. Výsledný obvod se bude chovat jako an invertující zesilovač tak,

  Rozdílový zesilovač ve výše uvedeném obvodu sestává z konfigurace invertujícího i neinvertujícího zesilovače.

Zatímco, pokud je invertující kolík uzemněn, obvod funguje jako neinvertující zesilovač, jak je znázorněno v příslušných schématech zapojení. Když jsou invertující vstupní svorky uzemněny, R₂a R₁ funguje jako komponenty zpětné vazby spojující výstupní svorku a invertující svorku a pro neinvertující zesilovač je dosaženo vhodné podmínky zpětné vazby.

Obr (c) ukazuje obvod s V_i1 = 0. Nyní je proud operačního zesilovače 0. Takže, R₃ a R₄ tvoří dělič napětí. Proto,

Z konceptu virtuálního zkratu dostaneme V_1b = V_2b a obvod se stane neinvertujícím zesilovačem, pro který

Dosazením do výše uvedených rovnic získáme

Or

Protože čisté výstupní napětí je součtem jednotlivých členů, máme

                                                                              V₀ = V₀₁ + V₀₂

Or                                                       

Vlastností ideálního diferenciálního zesilovače je to, že výstupní napětí je nulové, když V_i1 = V_i2. Při analýze poslední rovnice je tato podmínka splněna, pokud

Výstupní napětí je pak,

Můžeme vhodně přidat další rezistory paralelně se vstupními rezistory podle naší potřeby a obvod diferenciálního zesilovače lze nakonfigurovat tak, aby jej podle naší potřeby přidal nebo odečetl.

Některé důležité pojmy týkající se diferenciálního zesilovače

Diferenční vstupní odpor:

Na obrázku jsme nastavili podmínku, že a nastavili jsme R₁ = R₃ a R₂ = R₄. Vstupní odpor je pak definován jako,

Vezmeme-li v úvahu koncept virtuálního zkratu, můžeme napsat následující rovnici smyčky,

V_i = iR₁ + iR₁ = i (2R₁)

Proto je vstupní odpor R_i = 2R₁

Vstupní signál v běžném režimu:

: V ideálním rozdílovém zesilovači by vstupy Vcm v běžném režimu vytvářely vstupy (V_i1 + V_cm) a (V._i2 + V_cm), tj. přidá se ke každému ze vstupních napájecích napětí, a proto se zruší, když se odečte a zesílí rozdíl dvou vstupních napětí.

Výstup V₀ je nula, když V_i1 = V_i2. Pokud však tyto poměry rezistorů nejsou přesně stejné, tj

 , pak ve výsledku napětí v běžném režimu V_cm se úplně nezruší.

Protože je prakticky nemožné mít odporové poměry dokonale přesných hodnot, je pravděpodobné, že bude přítomno nějaké výstupní napětí v běžném režimu.

Když V_i1 = V_i2, vstup se nazývá vstupní signál v běžném režimu. Vstupní napětí v běžném režimu lze vyjádřit jako

zisk společného režimu lze potom vyjádřit jako,

Poměr odmítnutí společného režimu (CMRR):

CMRR lze vysvětlit jako hodnotu modulu poměru diferenciálního zisku k zisku v běžném režimu. V zásadě se jedná o schopnost diferenciálního zesilovače odmítat vstupní signály, které jsou v běžném režimu.

                                                    CMRR =

Obecně se CMRR vyjadřuje v dB,

CMRR (dB) =

V ideálním světě je poměr odmítnutí v běžném režimu nekonečný. Ve skutečném případě diferenciálního zesilovače požadujeme, aby CMRR byl co největší.

Aplikace diferenciálního zesilovače

Diferenciální zesilovač Wheatstone Bridge

V tomto případě jsou rezistory uspořádány ve Wheatstoneově (odporovém) můstku takovým způsobem, mohou fungovat jako komparátor diferenciálního napětí porovnáním vstupních napětí.

Když je na jeden konec sítě Wheatstoneova mostu přivedeno pevné referenční vstupní napětí a na druhém konci sítě termistor nebo rezistor závislý na světle (LDR), lze obvod použít k detekci různých úrovní teploty nebo světla intenzita. Výstupní napětí tohoto diferenciálního obvodu operačního zesilovače je lineární funkcí rozdílů na aktivním konci obvodu, ve kterém je termistor nebo LDR.

 Wheatstoneův můstek diferenciální obvody využívané k výpočtu hodnoty neznámého odporu pomocí programu jako komparátoru mezi vstupními napětími napříč jednotlivými odpory.

SVĚTLE CITLIVÝ DIFERENCIÁLNÍ ZESILOVAČ

Diferenciální obvod závislý na světle funguje jako spínač závislý na světle, který pomocí relé poskytne výstup jako „zapnutý“ nebo „vypnutý“. Aplikované napětí na V1 nastavuje vypínací bod zesilovače (poskytuje prahovou hodnotu) a proměnný odpor působící jako potenciální měřič VR₂ se používá pro přepínání hystereze.

 Na invertující svorku diferenciálního zesilovače je připojen standardní rezistor závislý na světle, který mění jeho hodnotu hodnoty odporu v závislosti na množství světla při jeho dopadu. Odpor fotodiody přítomný v LDR je úměrný úrovni světla a klesá s rostoucí intenzitou světla, a proto se bude měnit také úroveň napětí v bodě V2 a v závislosti na tom, zda je nad nebo pod prahovým bodem, bude proměnný rezistor VR₁ bude indikovat jeho hodnotu.

Nyní, když světlo dopadá na rezistor závislý na světle (LDR), na základě jeho intenzity, ať už přesahuje nebo zůstává pod nastavenou prahovou hodnotou na neinvertující vstupní svorce V1, výstup ukazuje ZAPNUTO nebo VYPNUTO.

Vypnutí úrovně světla nebo polohu prahové hodnoty lze upravit pomocí potenciometru VR₁ a potenciometr spínací hystereze VR₂. Tímto způsobem lze tedy vyrobit spínač citlivý na světlo pomocí diferenciálního zesilovače.

Okruh lze nakonfigurovat tak, aby detekoval změny teploty, výměnou VR₁ a LDR, s termistorem a vhodným proměnným odporem pro detekci tepla nebo chladu. Nevýhodou diferenciálního zesilovače je, že vstupní impedance je mnohem nižší ve srovnání s ostatními konfiguracemi obvodů operačního zesilovače. Obvod diferenciálního zesilovače funguje dobře pro zdroje s nízkou impedancí, ale ne pro zdroje s vysokou impedancí. Použitím zesilovače vyrovnávací paměti Unity Gain lze tento problém překonat.

Další článek týkající se elektroniky klikněte zde

Také čtení:

• Kondukce vs konvekce
• Co je suché tření typy suchého tření
• Jak zvýšit sílu elektromagnetu
• Kdy dochází k fyzické změně
• Příklady harmonických oscilátorů
• Odkud se v meteorologii berou jevy jako svatozář a sluneční psi
• Jak zjistit koeficient statického tření
• Sférická aberace
• Podmínky dynamické rovnováhy
• Je tvrdost fyzikální vlastností