Файл: конспект лекций схемотехника.pdf

негативного зворотного зв'язку. Коефіцієнт передачі у цьому випадку (для сигнала Uвх2 ) буде дорівнювати добутку коефіцієнтів передачі подільника та підсилювача:

щоб виконувалася рівність коефіцієнтів для вхідних напруг:

Із формули (9.28) видно, що для одержання чистої різниці двох вихідних сигналів необхідне виконання умови R1 R2 R3 R4 R . Слід зазначити, що чим точніше

виконуватиметься останнє співвідношення (або співвідношення (9.28)), тим точніше забезпечуватиметься різниця двох вхідних напруг. Тому під час проектування

210

диференціальних підсилювачів необхідно використовувати високоточні та високостабільні резистори. Зрозуміло, що простіше застосовувати чотири однакові резистори, а необхідне додаткове підсилення можна реалізувати у подальших каскадах. Для одержання особливо точних різницевих схем може бути потрібне додаткове підстроювання одного з опорів (зазвичай R4). Можна вважати, що граничний коефіцієнт підсилення синфазної складової визначається відповідним коефіцієнтом ОП, що може бути дуже малим.

Особливістю цієї схеми є наявність синфазного вхідного сигналу, що дорівнює

Ця обставина вимагає враховувати вихідні опори r1 і r2 джерел вхідних сигналів Uвх1 і Uвх2 , що підключаються

послідовно з опорами R1 і R3 і впливають на коефіцієнти

підсилення цих сигналів, особливо за малих значеннь вхідних опорів диференціального підсилювача. Якщо вихідні опори рівні (r1 r2), то доцільно для виконання співвідношення (9.28) брати

коефіцієнт підсилення диференціального сигналу, але не будуть призводити до порушення умови «диференціальності» підсилювача, тобто коефіцієнт підсилення для синфазного вхідного сигналу залишатиметься близьким до нуля. Одним із недоліків цієї схеми є складне регулювання коефіцієнта підсилення, що може здійснюватися лише одночасною зміною опору двох резисторів (наприклад, R2 і R4 ), інакше порушуватиметься

рівність (9.28).

Ще один недолік – відносно низькі вхідні опори. Для

211

сигналів Uвх1 і Uвх2 вони відповідно дорівнюють

Rвх1 R1,

Rвх2 R3 R4 .

Із цих співвідношень і рівності (9.28) випливає, що для забезпечення однакових вхідних опорів Rвх1 Rвх2 , опори

резисторів R3 і R4 треба вибирати відповідно до формул

що суперечить наведеній вище умові рівності нулю коефіцієнта підсилення для синфазного сигналу.

Напруга зміщення і вхідні струми реального ОП зумовлюють у цьому підсилювачі зміщення вихідної напруги на величину

Зміщення за рахунок вхідних струмів зменшується за виконання умови

цьому випадку зміщення має мінімальне значення:

Підсумовуючи все вищезазначене, можна зробити такі висновки:

недоліком диференціального підсилювача є те, що вхідні опори диференціального каскаду за двома входами відрізняються один від одного;

212

для забезпечення точного перетворення необхідно обмежувати внутрішній опір джерела сигналу або, що те саме, підвищувати опір всіх резисторів диференціальної схеми. Радикальним рішенням цих проблем є використання повторювачів на ОП на кожному вході, проте найкращим є використання схеми інструментального підсилювача;

складне регулювання коефіцієнта підсилення, що може здійснюватися лише одночасною зміною опору двох

резисторів (наприклад, R2 і R4 ).

Удосконалені диференціальні підсилювачі називають інструментальними (вимірювальними) підсилювачами. Такі підсилювачі мають високі вхідні опори по обох входах і забезпечують установлення заданого коефіцієнта підсилення за допомогою одного змінюваного опору.

9.4Інструментальний підсилювач

Схема інструментального підсилювача наведена на рисунку 9.8.

DA1

Рисунок 9.8 – Інструментальний підсилювач

Каскад на ОП DA3 є диференціальним підсилювачем.

213

Зазвичай у ньому використовують чотири однакових точних

коефіцієнт підсилення синфазної складової і одночасно може значно підсилювати диференціальну складову, причому це виконується навіть без особливого узгодження резисторів R1 і R3 . Вихідний каскад диференціального

підсилювача додатково ослаблює синфазну напругу перешкоди і формує на виході різницевий сигнал.

Знайдемо диференціальний і синфазний коефіцієнти підсилення схеми. При диференціальному вхідному сигналі напруги на входах схеми і на виходах ОП DA1 і DA2 будуть рівними за модулем, але протилежні за знаком, тому потенціал точки, що відповідає «середині» резистора R2 ,

буде дорівнювати 0. Тоді кожен із вхідних каскадів є неінвертувальним підсилювачем (якщо подумки заземлити «середину» резистора R2 ).

Коефіцієнт підсилення кожного такого каскаду

коефіцієнт підсилення згідно із (9.28) і (9.29) буде дорівнювати 1. Остаточно одержимо диференціальний коефіцієнт підсилення інструментального підсилювача:

Kдиф 1 2 R3 .

R2

При синфазному вхідному сигналі напруги на обох

214

входах і виходах ОП DA1 і DA2 рівні за величиною. Це означає, що напруги на двох кінцях резистора R2 також

будуть однакові, отже, струм через нього проходити не буде, тому величина цього резистора не впливатиме на властивості схеми при синфазному вхідному сигналі та його можна взагалі виключити із розгляду. У такому разі вхідні каскади є повторювачами напруги та їх коефіцієнти підсилення будуть дорівнювати КСФ1 КСФ2 1. При

цьому величини цих коефіцієнтів підсилення не залежать від величини і точності резисторів R1 і R3 . Для

диференціального підсилювача відповідний коефіцієнт підсилення синфазної складової виявляється дуже малим (визначається властивостями ОП DA3), отже, таким самим буде і сумарний синфазний коефіцієнт підсилення всього інструментального підсилювача.

Таким чином, у схемі інструментального підсилювача забезпечується набагато більший диференціальний коефіцієнт підсилення при такій самій величині синфазного коефіцієнта підсилення, що і для звичайного диференціального підсилювача або диференціального підсилювача з додатковими повторювачами на вході. Крім того, можна легко регулювати диференціальний коефіцієнт підсилення, змінюючи величину опору лише одного резистора R2 (у диференціальному підсилювачі для цього

потрібно було б синхронно змінювати два). Саме тому такі підсилювачі досить поширенні у схемах вимірювання і контролю, у системах управління, тим більше, що існують такі інструментальні підсилювачі в інтегральному виконанні.

9.5Функціональний підсилювач

Функціональний підсилювач є універсальною схемою, за допомогою якої можна реалізувати будь-яку залежність вихідної напруги від вхідної. Ідея функціонального

215

216