Перейти к содержанию

Дифференциальный усилитель

Нужно измерить разность двух напряжений, ни одно из которых не на земле: падение на шунте в плюсовом проводе, сигнал между двумя точками схемы. Самый простой способ — один операционный усилитель и четыре резистора, включённые как вычитатель. У схемы есть слабые места, и от них зависит, когда её достаточно, а когда нужен инструментальный усилитель.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Дифференциальный усилитель (difference amplifier, вычитающий усилитель) — схема на одном операционном усилителе и четырёх резисторах, выходное напряжение которой пропорционально разности двух входных. Сигнал V1 поступает через делитель R1–R2 на неинвертирующий вход, сигнал V2 — через R3 на инвертирующий, а R4 замыкает обратную связь (SLOD006B, разд. 3.5).

Формула

Выход находят наложением: вклад V1 — как у неинвертирующего усилителя после делителя, вклад V2 — как у инвертирующего:

Uвых=V1R2R1+R2⋅R3+R4R3−V2R4R3U_\text{вых} = V_1 \frac{R_2}{R_1 + R_2} \cdot \frac{R_3 + R_4}{R_3} - V_2 \frac{R_4}{R_3}

Если R2 = R4 и R1 = R3, формула упрощается:

Uвых=(V1−V2)R4R3U_\text{вых} = (V_1 - V_2) \frac{R_4}{R_3}

При четырёх равных резисторах выход просто равен разности входов (Kuphaldt, Vol. III, разд. 8.9).

Слабые места

СвойствоПочемуЧем лечат
Малое входное сопротивлениекаждый источник гонит ток через резисторы схемыбуферы-повторители на входах
Смена усилениянужно менять два резистора, сохраняя балансинструментальный усилитель с одним резистором
Подавление синфазного сигналазависит от точности равенства R2/R1 = R4/R3прецизионные или подогнанные резисторы

Последний пункт главный. КОСС такой схемы определяется не столько самим ОУ, сколько согласованием резисторов: малейшее неравенство отношений превращает часть синфазного напряжения в ошибку на выходе.

Где применяют

  • Измерение напряжения между двумя точками, ни одна из которых не на земле.
  • Приём дифференциального сигнала с подавлением наводки, общей для двух проводов.
  • Сдвиг уровня: на V2 подают опорное напряжение, и выход смещается на нужную величину.

Разбор ошибок и выбор между этой схемой и инструментальным усилителем — в статье об операционном усилителе, а усиление и диапазоны трёхоперационной схемы считает калькулятор инструментального усилителя.

Частые вопросы

Почему дифференциальный усилитель плохо подавляет синфазный сигнал?

Потому что вычитание точное только при точном равенстве отношений R2/R1 и R4/R3. Любое рассогласование резисторов превращает часть синфазного напряжения в ложный выходной сигнал. Поэтому для высокого подавления берут прецизионные резисторы с малым допуском или готовые сборки с подогнанными резисторами, а не четыре обычных резистора.

Чем он хуже инструментального усилителя?

Малым входным сопротивлением — каждый источник нагружен резисторами схемы — и тем, что для смены усиления нужно менять пару резисторов, сохраняя баланс (Kuphaldt, Vol. III, разд. 8.9). Инструментальный усилитель добавляет на входы буферы и задаёт усиление одним резистором.

Можно ли так измерять ток в плюсовом проводе?

Можно, если оба вывода шунта находятся в пределах допустимого синфазного диапазона схемы: делитель на неинвертирующем входе умножает синфазное напряжение на R2/(R1 + R2), то есть уменьшает его на входах ОУ в (R1 + R2)/R2 раз. Ошибку от несовпадения резисторов при большом синфазном напряжении нужно оценить заранее; для таких задач есть специализированные усилители токового шунта.

Источники

  1. Texas Instruments. Op Amps For Everyone, Design Reference, SLOD006B (August 2002) — разд. 3.5: дифференциальный усилитель усиливает разность сигналов на входах; выходное напряжение находят наложением: от V1 — делитель R1–R2 на неинвертирующем входе и неинвертирующее усиление (R3 + R4)/R3 (ур. 3-10, 3-11), от V2 — инвертирующее усиление −R4/R3 (ур. 3-12); сумма — ур. 3-13; при R2 = R4 и R1 = R3 выход равен (V1 − V2)·R4/R3; прил. A.3.9 и A.3.10: дифференциальный усилитель и вариант с коррекцией смещения
  2. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. III — Semiconductors, ch. 8 «Operational Amplifiers» (CC BY) — разд. 8.9: ОУ без обратной связи уже дифференциальный, но его усиление не управляется; схема с четырьмя равными резисторами даёт Vout = V2 − V1; для другого усиления приходится менять резисторы в обоих делителях с сохранением баланса; входные сопротивления схемы малы по сравнению с неинвертирующим усилителем — каждый источник гонит ток через резистор; решение — буферы-повторители на входах; разд. 8.10: инструментальный усилитель

Нашли ошибку?

Смотрите также