Wzmacniacz różnicowy: metoda pracy i termin, który musisz znać

Wprowadzenie

Wzmacniacze różnicowe są najczęściej używanymi elementami konstrukcyjnymi w projektach analogowych układów scalonych. Wzmacniacz różnicowy jest w zasadzie obwodem elektronicznym, który składa się z dwóch wejść, wejścia odwracającego i nieodwracającego, pracującego w konfiguracji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Wzmacniacz różnicowy zasadniczo wzmacnia różnicę między przyłożonymi napięciami wejściowymi w tych dwóch zaciskach wejściowych i odrzuca każdy wspólny sygnał do tych dwóch zacisków wejściowych

Zasadniczo wszystko wzmacniacze operacyjne są wzmacniaczami różnicowymi, ponieważ wszystkie mają tę samą konfigurację wejść. Jeśli sygnał napięcia wejściowego zostanie przyłożony do jednego ze styków wejściowych, a jeszcze jeden sygnał napięciowy zostanie przyłożony do drugiego styku zamiast uziemienia, wynikowe napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do różnicy między dwoma napięciami wejściowymi podłączonymi w dwóch odpowiednich zaciskach wejściowych.

Budowa i praca

Rozważ obwód, który pokazano na rys. (A), z wejściami V._i1 i V_i2. Aby przeanalizować obwód, użyjemy pojęcia superpozycji i wirtualnego zwarcia. Rys. (B) demonstruje obwód z V_i2 = 0. W R nie płynie prąd₃ i R₄; dlatego V_2a = 0. Wynikowy obwód będzie zachowywał się jak wzmacniacz odwracanie tak,

  Wzmacniacz różnicowy w powyższym obwodzie składa się zarówno z odwracającej, jak i nieodwracającej konfiguracji wzmacniacza.

Natomiast jeśli styk odwracający jest uziemiony, obwód działa jak wzmacniacz nieodwracający, jak pokazano na odpowiednich schematach obwodów. Kiedy odwracające zaciski wejściowe są uziemione, R₂i R₁ działa jak komponenty sprzężenia zwrotnego łączące zacisk wyjściowy i zacisk odwracający, a odpowiedni stan sprzężenia zwrotnego jest osiągany dla wzmacniacza nieodwracającego.

Rys (c) pokazuje obwód z V._i1 = 0. Teraz prąd wzmacniacza operacyjnego wynosi 0. Więc R₃ i R₄ tworzą dzielnik napięcia. W związku z tym,

Z koncepcji wirtualnego krótkiego otrzymujemy V_1b = V_2b a obwód staje się wzmacniaczem nieodwracającym, dla którego

Zastępując powyższe równania, otrzymujemy

Or

Ponieważ napięcie wyjściowe netto jest sumą poszczególnych składników, mamy

                                                                              V₀ = V₀₁ + V₀₂

Or                                                       

Właściwością idealnego wzmacniacza różnicowego jest to, że napięcie wyjściowe wynosi zero, gdy V_i1 = V_i2. W analizie ostatniego równania warunek ten jest spełniony, jeżeli

Napięcie wyjściowe wynosi wtedy

Możemy odpowiednio dodać dodatkowe rezystory w połączeniu równoległym z rezystorami wejściowymi, zgodnie z naszą potrzebą, a obwód wzmacniacza różnicowego można skonfigurować tak, aby dodawać lub odejmować go zgodnie z naszymi potrzebami.

Kilka ważnych terminów związanych ze wzmacniaczem różnicowym

Różnicowa rezystancja wejściowa:

Na rysunku ustawiliśmy warunek i ustawiliśmy R.₁ = R₃ i R₂ = R₄. Opór wejściowy jest wtedy definiowany jako

Biorąc pod uwagę koncepcję wirtualnego skrótu, możemy napisać następujące równanie pętli,

V_i = iR₁ + iR₁ = i (2R₁)

Dlatego rezystancja wejściowa wynosi R._i = 2R₁

Sygnał wejściowy w trybie wspólnym:

: W idealnym wzmacniaczu różnicowym wejście Vcm w trybie wspólnym spowodowałoby wejście (V_i1 + V_cm) i (V_i2 + V_cm), tj. zostanie dodany do każdego z przyłożonych napięć wejściowych, a zatem zostanie anulowany, gdy różnica dwóch napięć wejściowych zostanie pobrana i wzmocniona.

Wyjście V₀ wynosi zero, gdy V_i1 = V_i2. Jeśli jednak te stosunki rezystorów nie są dokładnie równe, tj

 , to w rezultacie napięcie składowe V_cm nie zlikwiduje całkowicie.

Ponieważ praktycznie niemożliwe jest uzyskanie współczynników rezystorów o idealnie dokładnych wartościach, prawdopodobne jest, że będzie obecne pewne napięcie wyjściowe w trybie wspólnym.

Kiedy V._i1 = V_i2, wejście nazywa się sygnałem wejściowym trybu wspólnego. Napięcie wejściowe w trybie wspólnym można wyrazić jako

wzmocnienie w trybie wspólnym można następnie wyrazić jako,

Współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym (CMRR):

CMRR można wyjaśnić jako wartość modułu stosunku wzmocnienia różnicowego do wzmocnienia w trybie wspólnym. Zasadniczo jest to zdolność wzmacniacza różnicowego do odrzucania sygnałów wejściowych, które są w trybie wspólnym.

                                                    CMRR =

Generalnie CMRR jest wyrażane w dB,

CMRR (dB) =

W idealnym świecie współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym jest nieskończony. W rzeczywistym przypadku wzmacniacza różnicowego chcemy, aby CMRR był jak największy.

Zastosowania wzmacniacza różnicowego

Wzmacniacz różnicowy mostka Wheatstone'a

W tym przypadku rezystory są rozmieszczone w mostku Wheatstone'a (rezystancyjnym) w taki sposób, że mogą działać jako komparator różnicowy napięcia, porównując napięcia wejściowe.

Gdy na jednym końcu sieci mostka Wheatstone'a zostanie przyłożone stałe referencyjne napięcie wejściowe, a na drugim końcu sieci termistor lub rezystor zależny od światła (LDR), obwód można wykorzystać do wykrywania różnych poziomów temperatury lub światła intensywność. Napięcie wyjściowe tego obwodu różnicowego wzmacniacza operacyjnego jest funkcją liniową różnic w aktywnym końcu obwodu, w którym znajduje się termistor lub LDR.

 Obwód różnicowy mostka Wheatstone'a używany do obliczania wartości nieznanej rezystancji przez pro- tem jako komparator między napięciami wejściowymi na poszczególnych rezystancjach.

WZMACNIACZ RÓŻNICOWY WRAŻLIWY NA ŚWIATŁO

Zależny od światła obwód różnicowy działa jako wyłącznik zależny od światła, który za pomocą przekaźnika podaje stan „wł.” Lub „wył.” Na wyjściu. Przyłożone napięcie na V1 ustawia punkt wyzwalania wzmacniacza (zapewnia wartość progową) i zmienną rezystancję działającą jako miernik potencjału VR₂ służy do przełączania histerezy.

 Do odwracającego zacisku wzmacniacza różnicowego podłączony jest standardowy rezystor zależny od światła, który zmienia swoją wartość rezystancji w zależności od ilości światła padającego na niego. Rezystancja fotodiody obecna w LDR jest proporcjonalna do poziomu światła i maleje wraz ze wzrostem natężenia światła, a co za tym idzie, poziom napięcia w punkcie V2 również będzie się zmieniać iw zależności od tego, czy jest powyżej, czy poniżej punktu progowego, zmienny rezystor VR₁ wskaże jego wartość.

Teraz, gdy światło pada na rezystor zależny od światła (LDR), na podstawie jego intensywności, czy przekracza on lub pozostaje poniżej ustawionej wartości progowej na nieodwracającym zacisku wejściowym V1, wyjście pokazuje ON lub OFF.

Poziom wyłączenia światła lub położenie wartości progowej można regulować za pomocą potencjometru VR₁ oraz potencjometr histerezy przełączania VR₂. Dlatego w ten sposób można wykonać światłoczuły przełącznik za pomocą wzmacniacza różnicowego.

Obwód można skonfigurować tak, aby wykrywał zmiany temperatury, wymieniając VR₁ oraz LDR z termistorem i odpowiednim rezystorem zmiennym do wykrywania ciepła lub zimna. Wadą wzmacniacza różnicowego jest to, że impedancja wejściowa jest znacznie niższa w porównaniu z innymi konfiguracjami obwodów wzmacniacza operacyjnego. Obwód wzmacniacza różnicowego działa dobrze w przypadku źródeł o niskiej impedancji, ale nie w przypadku źródeł o wysokiej impedancji. Dzięki zastosowaniu wzmacniacza Unity Gain Buffer Amplifier ten problem można rozwiązać.

Więcej artykułów związanych z elektroniką kliknij tutaj

Przeczytaj także:

• Przewodnictwo a konwekcja
• Jakie są rodzaje tarcia suchego, jakie są rodzaje tarcia suchego
• Jak zwiększyć siłę elektromagnesu?
• Kiedy następuje zmiana fizyczna
• Przykłady oscylatorów harmonicznych
• Skąd w meteorologii biorą się zjawiska takie jak aureole i psy słoneczne?
• Jak znaleźć współczynnik tarcia statycznego
• Aberracja sferyczna
• Warunki równowagi dynamicznej
• Czy twardość jest właściwością fizyczną?