In questo tutorial, impareremo a conoscere uno dei circuiti importanti nella progettazione di circuiti analogici: un amplificatore differenziale. È essenzialmente un amplificatore elettronico, che ha due ingressi e amplifica la differenza tra queste due tensioni di ingresso.
L’amplificatore operazionale è internamente un amplificatore differenziale con caratteristiche come alta impedenza di ingresso, bassa impedenza di uscita ecc. Per maggiori informazioni sugli Op-Amp, leggi “Nozioni di base sugli amplificatori operazionali”.
Outline
Introduzione
La coppia differenziale o configurazione di amplificatore differenziale è un blocco di costruzione più usato nella progettazione di circuiti integrati analogici. È lo stadio di ingresso di ogni amplificatore operativo, praticamente.
Un amplificatore differenziale o amplificatore differenziale amplifica la differenza tra i due segnali di ingresso. Un amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale; ha un ingresso invertente e un ingresso non invertente. Ma il guadagno di tensione ad anello aperto di un amplificatore operazionale è troppo alto (idealmente infinito), per essere usato senza una connessione di feedback.
Quindi, un amplificatore differenziale pratico usa una connessione di feedback negativo per controllare il guadagno di tensione dell’amplificatore.
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Amplificatore differenziale
L’amplificatore differenziale mostrato nel circuito sopra è una combinazione di amplificatori invertenti e non invertenti. Se il terminale non invertente è collegato a terra, il circuito funziona come un amplificatore invertente e il segnale di ingresso V1 è amplificato da – (R3 / R1).
Similmente, se il terminale di ingresso invertente è collegato a terra, il circuito si comporta come un amplificatore non invertente. Con il terminale d’ingresso invertente a terra, R3 e R1 funzionano come i componenti di feedback di un amplificatore non invertente.
L’ingresso V2 è potenzialmente diviso attraverso le resistenze R2 e R4 per ottenere VR4, e poi VR4 è amplificato da (R3 + R1) / R1.
Con V2 = 0,
VO1 = -(R3 / R1) * V1
Con V1 = 0,
VR4 = {R4/(R2+R4)}*V2
e
VO2 = {(R1+R3)/R1}*VR4
Di conseguenza,
VO2 = {(R1 + R3) / R1} * {R4 / (R2 + R4) } * V2
Se le resistenze di ingresso sono scelte in modo che, R2 = R1 e R4 = R3, allora
VO2 = {R3 / R1} * V2
Ora, secondo il principio di sovrapposizione, se entrambi i segnali di ingresso V1 e V2 sono presenti, allora la tensione di uscita è
VO = VO1 + VO2
= {-(R3 / R1) * V1} + {R3 / R1} * V2
Che risulta in,
VO = (R3 / R1) * {V2 – V1}
Quando le resistenze R3 e R1 sono dello stesso valore, l’uscita è la differenza diretta delle tensioni di ingresso applicate. Scegliendo R3 maggiore di R1, l’uscita può essere resa una versione amplificata della differenza delle tensioni d’ingresso.
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Resistenza di ingresso
Un problema con la scelta delle resistenze dell’amplificatore di differenza come R2 = R1 e R3 = R4 è che le resistenze di ingresso sia per l’amplificatore invertente che per quello non invertente sono disuguali.invertente sono disuguali.
La resistenza di ingresso per la tensione V1 è R1 come nel caso di un amplificatore invertente. Per l’ingresso non invertente, cioè per la tensione d’ingresso V2, la resistenza d’ingresso è (R2 + R4).
Questa differenza nelle resistenze d’ingresso fa sì che uno dei segnali d’ingresso sia più amplificato dell’altro.
L’equazione d’uscita dell’amplificatore differenziale VO, può essere ottenuta rendendo il rapporto R4 / R2 uguale a R3 / R1, invece di fare R2 = R1 e R4 = R3.
La differenza di resistenza d’ingresso non causerà un problema se le resistenze della sorgente del segnale sono molto più piccole di quelle d’ingresso. Inoltre, di solito è auspicabile avere R2 = R1 e R4 = R3, al fine di minimizzare le tensioni di offset in ingresso.
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Guadagno differenziale
Il guadagno differenziale di un amplificatore differenziale è definito come il guadagno ottenuto al segnale di uscita rispetto alla differenza dei segnali di ingresso applicati.
La tensione di uscita di un amplificatore differenziale è data come,
VO = AD (V1 – V2)
dove, AD = – (R3 / R1) è il guadagno differenziale dell’amplificatore.
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Ingresso in modo comune
Un amplificatore differenziale amplifica la differenza tra le due tensioni di ingresso. Idealmente, un ingresso di modo comune Vcm renderebbe gli ingressi (V1 + Vcm) e (V2 + Vcm), il che risulterà nell’annullamento di Vcm quando la differenza delle due tensioni d’ingresso viene amplificata.
Siccome l’uscita di un amplificatore di differenza pratico dipende dal rapporto delle resistenze d’ingresso, se questi rapporti di resistenza non sono esattamente uguali, allora una tensione d’ingresso viene amplificata di una quantità maggiore rispetto all’altro ingresso.
Di conseguenza, la tensione di modo comune Vcm non sarà completamente annullata. Poiché è praticamente impossibile far combaciare perfettamente i rapporti di resistenza, è probabile che ci sia una certa tensione di uscita di modo comune.
Con la tensione di ingresso di modo comune presente, la tensione di uscita dell’amplificatore differenziale è data come,
VO = AdVd + Ac Vc
dove Vd = la tensione differenziale V1-V2
Vc = la tensione di modo comune (V1+V2)/2
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Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR)
La capacità di un amplificatore differenziale di respingere i segnali di ingresso di modo comune è espressa in termini di rapporto di reiezione di modo comune (CMRR). Il rapporto di reiezione di modo comune di un amplificatore differenziale è matematicamente dato come il rapporto tra il guadagno di tensione differenziale dell’amplificatore differenziale e il suo guadagno di modo comune.
CMRR = | Ad / Ac|
Idealmente, il guadagno di tensione di modo comune di un amplificatore differenziale è zero. Quindi il CMRR è idealmente infinito.
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Caratteristiche di un amplificatore differenziale
- Alto guadagno di tensione differenziale
- Basso guadagno di modo comune
- Alta impedenza di ingresso
- Bassa impedenza di uscita
- Alto CMRR
- Grande larghezza di banda
- Basse tensioni e correnti di offset
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Amplificatore differenziale come comparatore
Un circuito amplificatore differenziale è un circuito op-circuito amplificatore, poiché può essere configurato per “aggiungere” o “sottrarre” le tensioni di ingresso, aggiungendo opportunamente più resistenze in parallelo alle resistenze di ingresso.
Un circuito amplificatore differenziale a ponte di Wheatstone è quello mostrato nella figura qui sopra. Questo circuito si comporta come un comparatore di tensione differenziale.
Collegando un ingresso a una tensione fissa e l’altro a un termistore (o a una resistenza dipendente dalla luce), il circuito amplificatore differenziale rileva livelli alti o bassi di temperatura (o di intensità della luce) poiché la tensione di uscita diventa una funzione lineare dei cambiamenti nella gamba attiva della rete a ponte resistivo.
Un amplificatore differenziale a ponte di Wheatstone può anche essere usato per trovare la resistenza sconosciuta nella rete a ponte resistivo, confrontando le tensioni di ingresso attraverso i resistori.
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Interruttore attivato dalla luce usando un amplificatore differenziale
Il circuito mostrato nella figura sopra agisce come un interruttore dipendente dalla luce, che accende o spegne il relè di uscita quando l’intensità della luce che cade sul resistore dipendente dalla luce (LDR) supera o scende sotto un valore preimpostato al terminale di ingresso non invertente V2.
La tensione V2 è determinata dalla resistenza variabile VR1. Le resistenze R1 e R2 agiscono come una rete di divisori di potenziale. Una tensione di riferimento fissa è applicata all’ingresso invertente, attraverso R1 e R2.
Lo stesso circuito può essere modificato per rilevare variazioni di temperatura, semplicemente sostituendo il LDR con un termistore. Cambiando le posizioni di LDR e VR1, il circuito può essere fatto per rilevare il buio o la luce (o il caldo o il freddo con l’uso di un termistore).
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Esempio di amplificatore differenziale
Determinare la tensione di uscita di un amplificatore differenziale per tensioni di ingresso di 300µV e 240µV. Il guadagno differenziale dell’amplificatore è 5000 e il valore di CMRR è (i) 100 e (ii) 105
L’amplificatore differenziale per i dati indicati è rappresentato come mostrato in figura.
i) CMRR = Ad / Ac
100 =5000 / Ac
Ac = 50
Vd = V1 – V2 = 300µV – 240µV = 60µV
Vc = (V1 + V2)/2 = 540µV / 2 = 270 µV
VO = Ad Vd + Ac Vc
= µV
VO = 313500 µV = 313.500 mV
ii) CMRR = 105
Ac = Ad / CMRR = 5000 / 105 = 0.05
VO = AdVd + Ac Vc = µV
VO = 300013.5 µV
Nota: Idealmente, Ac èzero. Quindi l’uscita è solo AdVd, che risulta in VO = 5000 x 60 µV = 300mV.
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Riassunto dell’amplificatore differenziale
- Un amplificatore differenziale noto anche come amplificatore di differenza è un’utile configurazione op-amp che amplifica la differenza tra le tensioni di ingresso applicate.
- Un amplificatore differenziale è una combinazione di amplificatori invertenti e non invertenti. Utilizza una connessione di feedback negativo per controllare il guadagno di tensione differenziale.
- Il guadagno di tensione differenziale dell’amplificatore dipende dal rapporto delle resistenze di ingresso. Pertanto, scegliendo attentamente le resistenze d’ingresso, è possibile controllare accuratamente il guadagno dell’amplificatore differenziale.
- Il guadagno di modo comune di un amplificatore differenziale è idealmente zero. Ma a causa della mancata corrispondenza dei valori delle resistenze, ci sarà una tensione di uscita di modo comune molto piccola e un guadagno di modo comune finito.
- Modificando opportunamente i collegamenti delle resistenze ai terminali di ingresso, un amplificatore differenziale può essere fatto per aggiungere, sottrarre e confrontare i livelli di tensione di ingresso applicati.
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