Построение дифференциальных усилителей
Дифференциальные схемы на операционных усилителях
Операционный усилитель без обратной связи уже является дифференциальным усилителем, усиливающим разность напряжений между двумя входами. Однако его коэффициент усиления нельзя контролировать, и он, как правило, слишком велик для практического использования. До сих пор наше применение отрицательной обратной связи для операционных усилителей приводило к практической потере одного из входов, и этот усилитель был хорош только для усиления напряжения одиночного входного сигнала. Однако с небольшой изобретательностью мы можем построить на операционном усилителе схему, поддерживающую оба входных напряжения, и с регулируемым коэффициентом усиления, установленным внешними резисторами.
Если номиналы всех резисторов равны, этот усилитель будет иметь дифференциальный коэффициент усиления по напряжению 1. Анализ этой схемы, по сути, такой же, как и для инвертирующего усилителя, за исключением того, что неинвертирующий вход (+) операционного усилителя вместо того, чтоб быть непосредственно соединенным с землей, находится под напряжением, равным части V2. Как и следовало ожидать, V2 действует как неинвертирующий вход конечной схемы усилителя. Следовательно:
\(V_{вых} = V_2 - V_1\)
Если бы мы хотели обеспечить дифференциальное усиление, отличающееся от 1, нам пришлось бы подстраивать сопротивления и в верхнем, и в нижнем делителях напряжения, что потребовало бы изменений нескольких резисторов и балансировки между этими двумя делителями для симметричной работы. По понятным причинам это не всегда практично.
Буфер сигнала входного напряжения
Другим ограничением конструкции этого усилителя является то, что его входные импедансы довольно низки по сравнению с другими схемами на операционных усилителях, в первую очередь, по сравнению с неинвертирующим усилителем (с несимметричным входом). Каждый источник входного напряжения должен обеспечивать ток через сопротивление, которое значительно меньше импеданса просто входа одиночного операционного усилителя. Решение этой проблемы, к счастью, довольно простое. Всё, что нам нужно, это «буфер» для каждого сигнала входного напряжения через повторитель напряжения следующим образом:
Теперь входные линии V1 и V2 подключаются напрямую к входам двух повторителей напряжения на операционных усилителях, что обеспечивает очень высокий импеданс. Два операционных усилителя слева теперь вместо источников входных напряжений обеспечивают ток через резисторы. Повышение сложности нашей схемы минимально для полученной существенной выгоды.