Диференціальні підсилювачі: принцип роботи

Диференціальні підсилювачі використовуються для підвищення різниці напруги декількох вихідних сигналів. При ідеальній роботі пристрою імпульси визначаються тільки їх відмінними характеристиками. Одночасне зміна сигналів на всіх виходах називається синфазним. Різницеві або диференціальні надходять імпульси визначаються як корисні чи нормальні.




В якісному підсилювачі показник ослаблення сигналу завжди високий. Він являє собою співвідношення вхідного імпульсу до вихідного. При цьому амплітуда корисного і синфазного сигналу повинна бути однаковою. Найчастіше КОСС вимірюється в децибелах. Вихідний імпульс змінюється в залежності від рівня потужності, який може бути заданий діапазон синфазної вхідного сигналу.

Для чого використовуються?

Диференціальні підсилювачі застосовуються, коли є ймовірність втрати слабких сигналів через шумів. Така можливість виникає при передачі звукових коливань, радіочастот, напруги електрокардіограм, імпульсів по довгих проводах, інформації на магнітних накопичувачах і в ряді інших випадків. При несуттєвих перешкодах прилад відновлює вхідний імпульс на приймальному кінці. Для проектування підсилювачів постійного струму часто використовуються диференційні каскади. За своєю суттю їх симетрична система компенсує температурний дрейф.

Поширений варіант

Схема диференціального підсилювача з однополюсним виходом робить замір вихідного напруги на колекторі щодо потенціалу заземлення. Це пристрій збільшує енергію на вході і трансформує її в несиметричний імпульс, з яким працюють звичайні прилади. Диференціальний сигнал при необхідності знімається між колекторами. Коефіцієнт посилення в такій схемі легко прораховується.

«Довгохвоста пара»

Так можна назвати підсилювач, коли величина опору резистора назад пропорційна його довжині. Придушення синфазних сигналів в схемі визначається як «довгий хвіст», а максимальні опору межемиттерних зв'язків є підвищенням диференціальних імпульсів.

Зміщення за допомогою струму

В підсилювачах можуть знижуватися синфазні імпульси, якщо замінити резистор на джерело живлення. При цьому поточне значення опору буде зростати, а ефект підвищення сигналів істотно послабиться. Уявімо собі диференціальний підсилювач постійного струму, на вході якого будуть діяти синфазні імпульси. Джерела енергії в емиттерних ланцюгах будуть підтримувати напругу, розподіляючи його між колекторними ланцюгами рівномірно. Потрібно пам'ятати про необхідність передбачати ланцюга зсуву постійного струму. Якщо використовувати конденсатори для міжкаскадної зв'язку на вході, то повинні бути активовані базові заземлені резистори. До таких диференціальних підсилювачів належить одне застереження. На переході база-емітер не більше 6 В біполярні транзистори можуть витримувати зворотне зміщення. Після цього може наступити пробій. Якщо подається більша вхідна диференціальна напруга, то вхідний каскад буде руйнуватися. Руйнування схеми запобігається завдяки обмеженню струму пробою емиттерним резистором, але якості транзисторів при цьому можуть знижуватися. Якщо зворотна прохідність буде виникати, зниження вхідного імпедансу буде істотним у будь-якому випадку.

Використання в підсилювачах диференціальних схем

Робота диференціального підсилювача може бути адаптована під несиметричні вхідні сигнали. Для цього необхідно подати сигнал на один з його входів, а другий просто заземлити. Невикористані транзистори з пристрою виключити не вийде. Диференціальна схема дає можливість компенсувати температурні зміни. Навіть якщо буде заземлений один з входів, термостатор може функціонувати. Вони можуть змінюватися відповідно до коливань температури напруги. При цьому балансування схеми порушуватися не буде. Крім того, зникає необхідність обліку падіння подається струму. Якість роботи таких пристроїв може бути знижений тільки із-за неузгодженості напружень або їх температурних характеристик. Виробники постачають на ринок транзисторні пари, а також інтегральні диференціальні підсилювачі з досить високим погодженням.

Застосування струмового дзеркала

Іноді потрібен диференціальний підсилювач, принцип роботи якого заснований на суттєвому збільшенні коефіцієнта підсилення. Ідеальним рішенням такого завдання буде застосування струмового дзеркала для активного навантаження приладу. Диференціальна пара з джерелом напруги у емітерної ланцюга утворюється транзисторами. Для створення колективної навантаження застосовуються транзистори. Вони відіграють роль струмового дзеркала. Таким чином опір загального навантаження може бути збільшена. Коефіцієнт підсилення завдяки цьому досягає 5000 і навіть вище, якщо відсутня вихідна навантаження. Такі прилади найчастіше застосовуються в схемах, у яких є петля зворотного зв'язку, а також в компараторах. Завжди потрібно пам'ятати, що навантаження для таких приладів повинна мати чималий імпеданс. В іншому випадку посилення значно послабиться.

Схеми розщеплення

На колекторі диференціальних симетричних підсилювачів можуть виникати імпульси з однаковою амплітудою і протилежними фазами. З двох елементів знімаються вихідні сигнали. У результаті може бути отримана схема розщеплення фази. Природно, можна застосовувати пристрій з диференціальними входами і виходами. Імпульси при цьому використовуються для управління одним каскадом підсилювачів. Для всієї схеми буде істотно збільшена величина КОСС.

Підсилювач для компаратора

Диференціальні підсилювачі включені до складу компараторів завдяки високим КОСС і стабільності. Схеми, які порівнюють надходять імпульси, оцінюють, який з сигналів більше. Компаратори застосовуються в різних областях - для включення систем опалення та освітлення, для отримання трикутних та прямокутних сигналів, порівняння рівнів імпульсів з пороговими значеннями, а також у багатьох інших схемах. Принцип роботи заснований на тому, що один з транзисторів весь час працює в режимі відсічки.

Висновок

Диференціальний операційний підсилювач – це прилад для підвищення постійного струму, що застосовується в різних операцій над аналоговими величинами. Пристрій задіяний у схемах, зворотні зв'язки яких є негативними. Підсилювач, що працює з постійним струмом, відрізняється від приладу для змінного напруги можливістю підвищення повільно змінюються імпульсів. Прилади використовуються для підвищення різниці струму в декількох вихідних сигналах.