W tym tutorialu, nauczymy się o jednym z ważnych obwodów w projektowaniu obwodów analogowych: wzmacniaczu różnicowym. Jest to zasadniczo wzmacniacz elektroniczny, który ma dwa wejścia i wzmacnia różnicę pomiędzy tymi dwoma napięciami wejściowymi.
Wzmacniacz operacyjny jest wewnętrznie wzmacniaczem różnicowym z takimi cechami jak wysoka impedancja wejściowa, niska impedancja wyjściowa itd. Aby uzyskać więcej informacji na temat wzmacniacza operacyjnego, przeczytaj „Podstawy wzmacniacza operacyjnego”.
Outline
Wprowadzenie
Konfiguracja pary różnicowej lub wzmacniacza różnicowego jest najczęściej stosowanym blokiem konstrukcyjnym w projektowaniu analogowych układów scalonych. Jest to stopień wejściowy każdego wzmacniacza operacyjnego, praktycznie.
Wzmacniacz różnicy lub wzmacniacz różnicowy wzmacnia różnicę pomiędzy dwoma sygnałami wejściowymi. Wzmacniacz operacyjny jest wzmacniaczem różnicy; ma wejście odwracające i wejście nieodwracające. Jednak wzmocnienie napięciowe wzmacniacza operacyjnego w pętli otwartej jest zbyt duże (idealnie nieskończone), aby można go było używać bez połączenia ze sprzężeniem zwrotnym.
Więc praktyczny wzmacniacz różnicy wykorzystuje połączenie ujemnego sprzężenia zwrotnego do sterowania wzmocnieniem napięciowym wzmacniacza.
BACK TO TOP
Wzmacniacz różnicowy
Wzmacniacz różnicy przedstawiony w powyższym układzie jest połączeniem wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego. Jeśli zacisk nieodwracający jest połączony z masą, układ działa jak wzmacniacz odwracający, a sygnał wejściowy V1 jest wzmacniany przez – (R3 / R1).
Podobnie, jeśli zacisk wejściowy odwracający jest połączony z masą, układ zachowuje się jak wzmacniacz nieodwracający. Jeśli zacisk wejścia odwracającego jest uziemiony, to R3 i R1 działają jak elementy sprzężenia zwrotnego wzmacniacza nieodwracającego.
Wejście V2 jest potencjalnie dzielone przez rezystory R2 i R4, co daje VR4, a następnie VR4 jest wzmacniane przez (R3 + R1) / R1.
Za V2 = 0,
VO1 = -(R3 / R1) * V1
Za V1 = 0,
VR4 = {R4/(R2+R4)}*V2
i
VO2 = {(R1+R3)/R1}*VR4
Więc,
VO2 = {(R1 + R3) / R1} * {R4 / (R2 + R4) } * V2
Jeśli rezystancje wejściowe są tak dobrane, że, R2 = R1 i R4 = R3, to
VO2 = {R3 / R1} * V2
Teraz, zgodnie z zasadą superpozycji, jeżeli obecne są oba sygnały wejściowe V1 i V2, to napięcie wyjściowe wynosi
VO = VO1 + VO2
= {-(R3 / R1) * V1} + {R3 / R1} * V2
Wynika z tego, że
VO = (R3 / R1) * {V2 – V1}
Gdy rezystory R3 i R1 mają taką samą wartość, wyjście jest bezpośrednią różnicą przyłożonych napięć wejściowych. Wybierając R3 większe niż R1, można uzyskać wzmocnioną wersję wyjścia, będącą różnicą napięć wejściowych.
BACK TO TOP
Oporność wejściowa
Jednym z problemów związanych z doborem rezystorów wzmacniacza różnicowego jako R2 = R1 i R3 = R4 jest to, że rezystancje wejściowe zarówno dla wzmacniacza odwracającego, jak i nieodwracającego są nierówne.wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego są nierówne.
Oporność wejściowa dla napięcia V1 wynosi R1 jak w przypadku wzmacniacza odwracającego. Dla wejścia nieodwracającego, czyli dla napięcia wejściowego V2, rezystancja wejściowa wynosi (R2 + R4).
Ta różnica rezystancji wejściowych powoduje, że jeden z sygnałów wejściowych jest bardziej wzmocniony niż drugi.
Równanie wyjściowe wzmacniacza różnicy VO, można uzyskać przez uczynienie stosunku R4 / R2 takim samym jak R3 / R1, zamiast uczynienia R2 = R1 i R4 = R3.
Różnica rezystancji wejściowych nie spowoduje problemu, jeśli rezystancje źródła sygnału są znacznie mniejsze niż rezystancje wejściowe. Ponadto, zwykle pożądane jest, aby R2 = R1 i R4 = R3, w celu zminimalizowania wejściowych napięć przesunięcia.
BACK TO TOP
Wzmocnienie różnicowe
Wzmocnienie różnicowe wzmacniacza różnicy definiuje się jako wzmocnienie uzyskane na sygnale wyjściowym w odniesieniu do różnicy przyłożonych sygnałów wejściowych.
Napięcie wyjściowe wzmacniacza różnicowego jest dane jako,
VO = AD (V1 – V2)
gdzie, AD = – (R3 / R1) jest wzmocnieniem różnicowym wzmacniacza.
BACK TO TOP
Wejście wspólnego trybu
Wzmacniacz różnicy wzmacnia różnicę między dwoma napięciami wejściowymi. W idealnym przypadku, wejście wspólnego trybu Vcm spowodowałoby, że wejścia (V1 + Vcm) i (V2 + Vcm) byłyby połączone, co spowodowałoby, że Vcm zostałoby zniesione, gdy różnica dwóch napięć wejściowych zostałaby wzmocniona.
Ponieważ wyjście praktycznego wzmacniacza różnicy zależy od stosunku rezystancji wejściowych, jeśli te stosunki rezystorów nie są dokładnie równe, to jedno napięcie wejściowe zostanie wzmocnione bardziej niż drugie.
W konsekwencji, napięcie wspólnego trybu Vcm nie zostanie całkowicie zniesione. Ponieważ idealne dopasowanie współczynników rezystorów jest praktycznie niemożliwe, prawdopodobnie wystąpi pewne napięcie wyjściowe trybu wspólnego.
Przy obecności napięcia wejściowego typu common mode, napięcie wyjściowe wzmacniacza różnicowego jest określone jako,
VO = AdVd + Ac Vc
Gdzie Vd = napięcie różnicy V1-.V2
Vc = napięcie trybu wspólnego (V1+V2)/2
BACK TO TOP
Współczynnik odrzucania sygnału trybu wspólnego (CMRR)
Zdolność wzmacniacza różnicowego do odrzucania sygnałów wejściowych trybu wspólnego jest wyrażana w postaci współczynnika odrzucania sygnału trybu wspólnego (CMRR). Współczynnik odrzucania sygnału wspólnego trybu wzmacniacza różnicowego jest matematycznie określany jako stosunek wzmocnienia napięciowego wzmacniacza różnicowego do jego wzmocnienia sygnału wspólnego trybu.
CMRR = | Ad / Ac|
Idealnie, wzmocnienie napięciowe sygnału wspólnego trybu wzmacniacza różnicowego wynosi zero. Stąd CMRR jest idealnie nieskończone.
BACK TO TOP
Charakterystyka wzmacniacza różnicowego
- Wysokie wzmocnienie napięcia różnicowego
- Niskie wzmocnienie trybu wspólnego
- Wysoka impedancja wejściowa
- Niska impedancja wyjściowa
- Wysoki współczynnik CMRR
- Duża szerokość pasma
- Niskie napięcia i prądy offsetu
BACK TO TOP
Wzmacniacz różnicowy jako komparator
Układ wzmacniacza różnicowego jest bardzo użytecznym układem wzmacniacza op- amp.amp circuit, ponieważ może być skonfigurowany do „dodawania” lub „odejmowania” napięć wejściowych, poprzez odpowiednie dodanie kolejnych rezystorów równolegle do rezystorów wejściowych.
Obwód wzmacniacza różnicowego z mostkiem Wheatstone’a jest taki, jak pokazano na rysunku powyżej. Obwód ten zachowuje się jak różnicowy komparator napięcia.
Podłączając jedno wejście do stałego napięcia, a drugie do termistora (lub rezystora zależnego od światła), obwód wzmacniacza różnicowego wykrywa wysokie lub niskie poziomy temperatury (lub natężenia światła), ponieważ napięcie wyjściowe staje się liniową funkcją zmian w aktywnej nodze sieci mostka rezystancyjnego.
Wzmacniacz różnicowy mostka Wheatstone’a może być również użyty do znalezienia nieznanej rezystancji w sieci mostka rezystancyjnego, poprzez porównanie napięć wejściowych przez rezystory.
BACK TO TOP
Wyłącznik aktywowany światłem z wykorzystaniem wzmacniacza różnicowego
Obwód przedstawiony na rysunku powyżej działa jako przełącznik zależny od światła, który włącza lub wyłącza przekaźnik wyjściowy, gdy natężenie światła padającego na rezystor zależny od światła (LDR) przekracza lub spada poniżej ustawionej wartości na nieodwracającym zacisku wejściowym V2.
Napięcie V2 jest określane przez zmienny rezystor VR1. Rezystory R1 i R2 działają jak sieć dzielnika potencjału. Do wejścia odwracającego, poprzez R1 i R2, podawane jest stałe napięcie odniesienia.
Ten sam układ może być zmodyfikowany do wykrywania zmian temperatury, po prostu przez zastąpienie LDR przez termistor. Poprzez zmianę pozycji LDR i VR1, układ może wykrywać ciemność lub światło (lub ciepło lub zimno przy użyciu termistora).
BACK TO TOP
Przykład wzmacniacza różnicowego
Określ napięcie wyjściowe wzmacniacza różnicowego dla napięć wejściowych 300µV i 240µV. Wzmocnienie różnicowe wzmacniacza wynosi 5000, a wartość współczynnika CMRR wynosi (i) 100 oraz (ii) 105
Wzmacniacz różnicowy dla podanych danych jest przedstawiony jak na rysunku.
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
Uwaga: Idealnie, Ac jest zerowe. Zatem na wyjściu jest tylko AdVd, co daje VO = 5000 x 60 µV = 300mV.
BACK TO TOP
Podsumowanie wzmacniacza różnicowego
- Wzmacniacz różnicowy znany również jako wzmacniacz różnicy jest użyteczną konfiguracją op-ampa, która wzmacnia różnicę pomiędzy przyłożonymi napięciami wejściowymi.
- Wzmacniacz różnicowy jest kombinacją wzmacniaczy odwracających i nieodwracających. Wykorzystuje on ujemne sprzężenie zwrotne do kontroli wzmocnienia napięcia różnicowego.
- Wzmocnienie napięcia różnicowego wzmacniacza zależy od stosunku rezystancji wejściowych. Dlatego, wybierając starannie rezystancje wejściowe, można dokładnie kontrolować wzmocnienie wzmacniacza różnicy.
- Wzmocnienie trybu wspólnego wzmacniacza różnicowego jest idealnie równe zeru. Ale z powodu niedopasowania wartości rezystorów, będzie bardzo małe napięcie wyjściowe trybu wspólnego i skończone wzmocnienie trybu wspólnego.
- Poprzez odpowiednią modyfikację połączeń rezystorów na zaciskach wejściowych, wzmacniacz różnicy może być wykonany tak, aby dodawać, odejmować i porównywać przyłożone poziomy napięcia wejściowego.
BACK TO TOP
Previous Post – Wzmacniacz sumujący
Next Post – Wzmacniacz instrumentalny