Διαφορικός ενισχυτής | Λειτουργεί | 4 Σημαντικοί παράγοντες και εφαρμογές

Εισαγωγή

Οι διαφορικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται ευρύτερα δομικά στοιχεία στο σχεδιασμό αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ένας διαφορικός ενισχυτής είναι βασικά ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα το οποίο αποτελείται από δύο εισόδους, την είσοδο αντιστροφής και μη αναστροφής που λειτουργεί σε μια διαμόρφωση αρνητικής ανάδρασης. Ο διαφορικός ενισχυτής ενισχύει βασικά τη διαφορά μεταξύ των εφαρμοζόμενων τάσεων εισόδου σε αυτούς τους δύο ακροδέκτες εισόδου και απορρίπτει οποιοδήποτε κοινό σήμα σε αυτούς τους δύο ακροδέκτες εισόδου

Βασικά, όλοι οι λειτουργικοί ενισχυτές είναι διαφορικοί ενισχυτές, επειδή όλοι τους έχουν την ίδια διαμόρφωση εισόδου. Εάν ένα σήμα τάσης εισόδου εφαρμόζεται σε έναν από τον πείρο εισόδου και ένα άλλο σήμα τάσης εφαρμόζεται στον άλλο πείρο αντί να γειωθεί, η προκύπτουσα τάση εξόδου είναι ανάλογη με τη διακύμανση μεταξύ των δύο τάσεων εισόδου που συνδέονται στους δύο αντίστοιχους ακροδέκτες εισόδου.

Διαφορικός ενισχυτής
 Διαφορικός ενισχυτής με μη ιδανικό op-amp, Image Credit - Arthur Ogawa, Αντίσταση εισόδου διαφορικού ενισχυτή Op-Amp και κοινή μεροληψίαCC BY-SA 1.0

Κατασκευή και εργασία

Εξετάστε το κύκλωμα, το οποίο φαίνεται στο σχήμα (a), με εισόδους Vi1 και Vi2. Για να αναλύσουμε το κύκλωμα, θα χρησιμοποιήσουμε την έννοια της υπέρθεσης και του εικονικού σύντομου. Το Σχήμα (b) δείχνει το κύκλωμα με Vi2 = 0. Δεν θα ρέει ρεύμα στο R3 Και R4; ως εκ τούτου, V2a = 0. Το προκύπτον κύκλωμα θα συμπεριφέρεται ως αντιστρεπτικός ενισχυτής,

Διαφορικός ενισχυτής
Κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή

  Ο ενισχυτής διαφοράς στο παραπάνω κύκλωμα αποτελείται τόσο από αντιστρόφως όσο και από μη αναστρέψιμο ενισχυτή.

Ενώ, αν ο πείρος αναστροφής είναι γειωμένος, το κύκλωμα ενεργεί ως ενισχυτής χωρίς αναστροφή, όπως φαίνεται στα αντίστοιχα διαγράμματα κυκλώματος. Όταν γίνονται γείωση οι ακροδέκτες εισόδου αναστροφής, R2, και R1 λειτουργεί ως συστατικά ανάδρασης που συνδέουν τον ακροδέκτη εξόδου και τον ακροδέκτη αναστροφής και επιτυγχάνεται κατάλληλη κατάσταση ανάδρασης για τον ενισχυτή που δεν αναστρέφει.

Διαφορικός ενισχυτής
Διαφορικός ενισχυτής

Το σχήμα (c) δείχνει το κύκλωμα με Vi1 = 0. Τώρα, το ρεύμα του op-amp είναι 0. Έτσι, R3 Και R4 σχηματίστε ένα διαχωριστικό τάσης. Επομένως,

Από την έννοια του εικονικού σύντομου που έχουμε, V1b = V2b και το κύκλωμα γίνεται ένας μη αναστρέψιμος ενισχυτής, για τον οποίο

Αντικαθιστώντας στις παραπάνω εξισώσεις, λαμβάνουμε

Or

Δεδομένου ότι η καθαρή τάση εξόδου είναι το άθροισμα των μεμονωμένων όρων, έχουμε

                                                                              V0 = V01 + V02

Or                                                       

Μια ιδιότητα ενός ιδανικού διαφορικού ενισχυτή είναι ότι η τάση εξόδου είναι μηδέν όταν Vi1 = Vi2. Κατά την ανάλυση της τελευταίας εξίσωσης, αυτή η προϋπόθεση πληρούται εάν

Η τάση εξόδου είναι τότε,

Μπορούμε να προσθέσουμε κατάλληλα συμπληρωματικές αντιστάσεις σε παράλληλη σύνδεση με τις αντιστάσεις εισόδου σύμφωνα με τις ανάγκες μας και το κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή μπορεί να διαμορφωθεί ώστε να το προσθέτει ή να το αφαιρεί ανάλογα με τις ανάγκες μας.

Μερικοί σημαντικοί όροι σχετίζονται με τον διαφορικό ενισχυτή

Διαφορική αντίσταση εισόδου:

Στο σχήμα, έχουμε ορίσει την κατάσταση που και έχουμε ορίσει R= R3 Και R= R4. Η αντίσταση εισόδου ορίζεται στη συνέχεια ως,

Διαφορικός ενισχυτής

Λαμβάνοντας υπόψη την έννοια του εικονικού σύντομου, μπορούμε να γράψουμε την ακόλουθη εξίσωση βρόχου,

V= iR+ iR1 = i (2R1)

Επομένως, η αντίσταση εισόδου είναι R= 2R1

Σήμα εισόδου κοινής λειτουργίας:

: Στον ιδανικό ενισχυτή διαφοράς, μια κοινή λειτουργία εισόδου Vcm θα έκανε τις εισόδους (Vi1 + Vcm) και (Vi2 + Vcm), δηλαδή, προστίθεται σε κάθε μία από τις τάσεις που εφαρμόζονται στην είσοδο και ως εκ τούτου, θα ακυρωθεί όταν λαμβάνονται και ενισχύονται η διαφορά των δύο τάσεων εισόδου.

Η έξοδος Vείναι μηδέν όταν Vi1 = Vi2. Ωστόσο, εάν αυτές οι αναλογίες αντίστασης δεν είναι ακριβώς ίσες, δηλαδή

 , ως αποτέλεσμα, η τάση V κοινής λειτουργίαςcm δεν θα ακυρωθεί εντελώς.

Καθώς στην πράξη είναι αδύνατο να έχουμε αναλογίες αντίστασης απόλυτα ακριβείς τιμές, είναι πιθανό να υπάρχει κάποια τάση εξόδου κοινής λειτουργίας.

Όταν Vi1 = Vi2, η είσοδος ονομάζεται σήμα εισόδου κοινής λειτουργίας. Η τάση εισόδου κοινής λειτουργίας μπορεί να εκφραστεί ως

το κοινό κέρδος τρόπου μπορεί στη συνέχεια να εκφραστεί ως,

Κοινή αναλογία απόρριψης τρόπου λειτουργίας (CMRR):

Το CMRR μπορεί να εξηγηθεί ως η τιμή συντελεστή της αναλογίας διαφορικού κέρδους προς κέρδος κοινής λειτουργίας. Βασικά, είναι η ικανότητα ενός διαφορικού ενισχυτή να απορρίπτει σήματα εισόδου που βρίσκονται σε κοινή λειτουργία.

                                                    CMRR =

Γενικά, το CMRR εκφράζεται σε dB,

CMRR (dB) =

Σε έναν ιδανικό κόσμο, ο λόγος απόρριψης κοινής λειτουργίας είναι άπειρος. Στην πραγματική περίπτωση διαφορικού ενισχυτή, θέλουμε το CMRR να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερο.

Εφαρμογές διαφορικού ενισχυτή

Διαφορικός ενισχυτής Wheatstone Bridge

Διαφορικός ενισχυτής Wheatstone Bridge

Σε αυτήν την περίπτωση, οι αντιστάσεις είναι διατεταγμένες σε γέφυρα Wheatstone (αντίσταση) με τέτοιο τρόπο, μπορούν να λειτουργήσουν ως συγκριτής διαφορικής τάσης συγκρίνοντας τις τάσεις εισόδου.

Όταν μια σταθερή τάση εισόδου αναφοράς εφαρμόζεται στο ένα άκρο του δικτύου γέφυρας Wheatstone και σε ένα θερμίστορ ή μια αντίσταση που εξαρτάται από το φως (LDR) στο άλλο άκρο του δικτύου, τότε το κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση διαφορετικών επιπέδων θερμοκρασίας ή φωτός ένταση. Η τάση εξόδου αυτού του κυκλώματος διαφορικού λειτουργικού ενισχυτή είναι μια γραμμική συνάρτηση των διαφορών στο ενεργό άκρο του κυκλώματος στο οποίο είναι το θερμίστορ ή LDR.

 Ένα διαφορικό κύκλωμα γέφυρας Wheatstone χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της τιμής της άγνωστης αντίστασης από το πρόγραμμα ως συγκριτικό μεταξύ των τάσεων εισόδου στις μεμονωμένες αντιστάσεις.

ΕΛΕΥΘΕΡΟΣ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ

Διαφορετικός ενισχυτής που εξαρτάται από το φως

Το κύκλωμα διαφορικού που εξαρτάται από το φως λειτουργεί ως διακόπτης που εξαρτάται από το φως, ο οποίος είτε δίνει την έξοδο ως "on" είτε "off" με τη βοήθεια ενός ρελέ. Η εφαρμοζόμενη τάση στο V1 ορίζει το σημείο ταξιδιού του ενισχυτή (παρέχει την τιμή κατωφλίου) και μια μεταβλητή αντίσταση που ενεργεί ως πιθανός μετρητής VR2 χρησιμοποιείται για εναλλαγή υστέρησης.

 Στον ακροδέκτη αναστροφής του διαφορικού ενισχυτή, συνδέεται μια τυπική αντίσταση που εξαρτάται από το φως, η οποία αλλάζει την τιμή της τιμής αντίστασης ανάλογα με την ποσότητα του φωτός στο συμβάν του πάνω του. Η αντίσταση φωτοδιόδου που υπάρχει στο LDR είναι ανάλογη με τη στάθμη φωτός και μειώνεται με την αυξανόμενη ένταση του φωτός, και ως εκ τούτου, το επίπεδο τάσης στο σημείο V2 θα ποικίλει επίσης και ανάλογα με το αν είναι πάνω ή κάτω από το κατώφλι, η μεταβλητή αντίσταση VR1 θα δείξει την αξία του.

Τώρα, καθώς το φως συμβαίνει στην αντίσταση που εξαρτάται από το φως (LDR), με βάση την έντασή της, είτε υπερβαίνει ή παραμένει κάτω από την καθορισμένη τιμή κατωφλίου στον ακροδέκτη εισόδου V1 που δεν αναστρέφει, η έξοδος δείχνει ON ή OFF.

Η θέση της στάθμης του φωτός ή της τιμής κατωφλίου μπορεί να ρυθμιστεί με τη βοήθεια του ποτενσιόμετρου VR1 και το ποτενσιόμετρο εναλλαγής υστέρησης VR2. Επομένως με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να γίνει ένας διακόπτης με ευαισθησία στο φως χρησιμοποιώντας έναν διαφορικό ενισχυτή.

Το κύκλωμα μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να ανιχνεύει αλλαγές στη θερμοκρασία, αντικαθιστώντας το VR1 και το LDR, με θερμίστορ και κατάλληλη μεταβλητή αντίσταση για την ανίχνευση θερμότητας ή κρύου. Το μειονέκτημα ενός διαφορικού ενισχυτή είναι ότι η σύνθετη αντίσταση εισόδου είναι πολύ χαμηλότερη σε σύγκριση με εκείνη των άλλων διαμορφώσεων κυκλώματος ενισχυτή λειτουργίας. Ένα κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή λειτουργεί καλά για πηγές χαμηλής σύνθετης αντίστασης αλλά όχι για πηγές υψηλής αντίστασης. Με τη χρήση ενός ενισχυτή Unity Gain Buffer, αυτό το πρόβλημα μπορεί να ξεπεραστεί.

Για περισσότερα άρθρα σχετικά με την Ηλεκτρονική Κάνε κλικ εδώ

Σχετικά με τον Amrit Shaw

Συνδεθείτε στον πρώην συντάκτη μας: LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/amrit-shaw/)

Lambda Geeks