Построение дифференциальных усилителей

Устройство операционного усилителя

Итак, операционный усилитель – это усилитель электрических сигналов, чаще всего постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления в широкой полосе частот, предназначенный для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители в настоящее время выпускаются различного назначения и для выполнения различных функций и хотя электрическая схема усилителей даже одного класса может различаться, но структурная схема, которая лежит в основе всех операционных усилителей остается единой. Изображение структурной схемы выполнено ниже

Таким образом, операционный усилитель представляет собой схему из последовательно соединённых трёх частей: входной усилитель на основе дифференциального каскада (иногда может быть несколько дифференциальных каскадов), каскад согласования уровней и выходной каскад.

Дифференциальный входной каскад, имея большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление, обеспечивает согласование операционного усилителя с источником сигнала. Довольно часто усиления одного входного каскада недостаточно, поэтому используется несколько дифференциальных усилителей на входе соединённых последовательно с симметричными входами и несимметричным выходом.

Каскад согласования уровней предназначен для согласования уровней напряжения между входным и выходным каскадами операционного усилителя. Кроме того данный каскад выполняет функцию усиления напряжения переменного тока и меет небольшое выходное сопротивление.

Выходной каскад операционного усилителя, обычно, не усиливает напряжение, но позволяет отдавать в нагрузку усилителя максимальное напряжение и ток, имеет небольшое выходное сопротивление, а мощность выделяемая на нём в случае отсутствия сигнала минимальна.

На изображении ниже показана принципиальная электрическая схема одного из первых операционных усилителей, выполненных по интегральной технологии, который разработал в 1963г. Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor

Данная схема содержит 9 транзисторов, 12 резисторов и 1 интегральный диод, в схеме отсутствуют конденсаторы, что даёт достаточно широкую полосу пропускания. В качестве входного усилителя используется дифференциальный каскад на транзисторах VT1VT2 с генератором стабильного тока на транзисторах VT3VT6. Дифференциальный каскад на транзисторах VT4VT5 совместно с транзисторами VT7VT8 выполняют роль каскада согласования уровней, а транзистор VT9 используется в качестве выходного каскада с небольшим выходным сопротивлением.

На принципиальных электрических схемах операционные усилители в интегральном исполнении обозначаются следующим образом

Холодная мощность в классе А

Усилитель Vanguard работает в классе А, лишь изредка переходя в класс АВ. Предварительный усилитель и усилитель мощности выполнены по полностью симметричной схеме с использованием дискретной элементной базы и технологии SMD-монтажа, что, по заявлению разработчиков, позволяет уменьшить пути прохождения сигнала, обеспечить большую плотность размещения компонентов на плате, а значит, сделать ее компактнее и надежнее по причине более равномерного распределения тепла.

Внутреннее пространство охлаждают два малошумных вентилятора, контролируемых термостатами.

Другая не менее значимая технология (она позволила радикально уменьшить габариты усилителя) — iBias, в основе которой лежит схема коррекции питания транзисторов в зависимости от поступающего сигнала. Билл МакКиган (Bill McKiegan), директор Krell, говорил, что iBias чем-то напоминает мощный спортивный автомобиль, который с одинаковым успехом может участвовать в гонках, мгновенно набирая колоссальную мощность в несколько сот лошадиных сил, так и не спеша перемещаться в спокойном городском движении.

Благодаря этой технологии удалось значительным образом повысить выходную мощность и сократить тепловые потери, а значит, отказаться от использования больших радиаторов. Помимо всего прочего, iBias позволяет избавиться даже от незначительного фона, нередко встречающегося среди усилителей А-класса.

Современные технологии позволили сделать усилитель предельно компактным и очень мощным

Основу акустической мускулатуры Krell Vanguard составляет массивный тороидальный трансформатор блока питания мощностью 750Вт и 80 000 мкФ рабочей емкости конденсаторов. Вырабатываемое с их помощью количество энергии позволяет обеспечить 200 Вт выходной мощности на канал при нагрузке 8 Ом и 400 Вт на канал при нагрузке в 4 Ом, что превосходит возможности многих конкурентов.

Фото сборки усилителя Krell Vanguard из репортажа издания The Poor Audiophile

На столь впечатляющие характеристики при более чем скромных габаритах косвенно указывают лишь два вентилятора, расположенные на задней панели. Они крайне малошумны и контролируются термостатами, а значит, будущему владельцу не придется беспокоиться о каких-либо посторонних звуках.

Что означает дифференцированный подход в обучении

Это реализация педагогами задач по обучению с разделением на группы людей, включая детей школьного возраста, на основе их умений, природного таланта, состояния здоровья и других факторов. В итоге такой подход позволяет добиться максимально эффективного результата.

Различают внешний и внутренний уровень педагогической дифференциации:

Надобно немного пояснить схему на примере обучения детей:

Внешняя дифференциация включает разделение учебных заведений для учащихся с различным уровнем развития. Лицеи и гимназии предназначены для особенно одаренных детей, а вот коррекционные школы — для тех, кому по той или иной причине трудно дается учеба в стандартном варианте. При этом в обычных школах наряду с профильными создаются классы педагогической поддержки с возможностью углубленного изучения того или иного предмета.

Внутренняя дифференциация предусматривает разделения групп (классов), набор которых осуществлялся без учета индивидуальных характеристик, на подгруппы с учетом психических особенностей детей, их уровня восприимчивости к обучению и иных важных факторов. Здесь в ряду других активно используется индивидуальный подход к каждому ребенку.

Применение интеграторов

Трудно перечислить все области использования интеграторов, вот некоторые из них.

• В инерциальных навигационных системах, например, летательных и космических аппаратов, боевых ракет. Двойное интегрирование сигналов датчиков ускорений и датчиков угловых ускорений позволяет вычислить координаты объекта и направления осей объекта не прибегая к внешним наблюдениям.
• При учёте потребления веществ, сыпучих, жидких и газообразных сред.
• Измерении поглощённых и излученных доз излучений разной природы.
• Измерении степени заряда и разряда электрохимических источников тока.
• Учёта наработки, ресурса оборудования.
• В технологических процессах, например, при напылении плёнок.
• Информационной обработке и преобразовании сигналов, электронике, радиотехнике.
• В научном экспериментальном оборудовании, измерительных приборах.
• В аналоговых вычислительных машинах.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Основными недостатками вышеописанной схемы дифференциального усилителя являются низкое сопротивление и возникновение трудности изменить коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлений должно быть достаточно точно согласовано.

Первый недостаток связан с тем, что входным сопротивлением дифференциального усилителя являются по сути сопротивления резисторов R1 и R2, которые имеют величину от единиц до десятков кОм. При увеличении величин этих сопротивлений приходится увеличивать сопротивления R3 и R4, что приводит к уменьшению полосы пропускания усилителя и появлению дополнительных шумов. Решением данной проблемы является изолирование и развязка входов дифференциального усилителя при помощи двух повторителей напряжения по схеме неивертирующего усилителя. Схема такого дифференциального усилителя представлена ниже

Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ.

Схема состоит из двух операционных усилителей включённых по схеме повторителя напряжения, входное сопротивление которых очень велико (десятки-сотни МОм), поэтому сопротивление источника сигнала практически не влияет на входное напряжение. На нагрузке R_H итоговое напряжение будет зависеть от разности входных напряжений

Особенностью данной схемы является то, что она имеет дифференциальный выход, то есть сопротивление нагрузки подключается только к выходам операционных усилителей DA1 и DA2

Для решения, проблемы упрощения регулирования коэффициента усиления дифференциального усилителя, может быть применена схема состоящая, как и предыдущая из двух повторителей напряжения с включением на дифференциальном выходе, параллельно сопротивлению нагрузки, дополнительно трёх последовательных резисторов. Данная схема изображена ниже

Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Данная схема состоит из двух ОУ DA1 и DA2, включённых по схеме повторителя напряжения и резисторов R1, R2 и R3, причём R1 = R3 = R.

Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями U_BX1 и U_BX1.

Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит

Так как резисторы R1, R2 и R3 включены последовательно, то такой же ток протекает и через резисторы R1 и R3. Тогда, с учётом того что R1 = R3 = R, выходное напряжение на сопротивлении нагрузки составит

Легко заметить, что выходное напряжение зависит от отношения сопротивлений R1, R2 и R3, поэтому изменяя величину сопротивления резистора R2 можно изменять величину выходного напряжения, а, следовательно, и коэффициент усиления схемы. Приняв отношение сопротивлений R и R2, за некоторый коэффициент пропорциональности можно несколько упростить выражение для выходного напряжения

Вышеописанные дифференциальные усилители имеют один недостаток: работа усилителя возможна только на незаземлённую (плавающую) нагрузку, то есть нагрузка не должна быть соединена с землёй. Для устранения данного недостатка необходимо на выход схемы добавить усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Таким усилителем является простейший дифференциальный усилитель, рассмотренный вначале статьи. Получившаяся схема носит название измерительного или инструментального усилителя.

Генератор напряжения треугольной формы

Наиболее простой способ получения треугольных импульсов является схема содержащая триггер Шмитта и интегратор, причём выход триггера соединён с входом интегратора, а выход интегратора с входом триггера Шмитта. Несмотря на свою простоту, схема позволяет получить хорошие треугольные импульсы.

Генератор напряжения треугольной формы.

Данный генератор треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта на ОУ DA1 и резисторах R1, R2 и R3, а также интегратора на ОУ DA2 и резисторах R4, R5 и конденсатора С1. Треугольные импульсы снимают с вывода «U_{ВЫХ 2}», кроме того с вывода «U_{ВЫХ 1}» можно снимать прямоугольные импульсы. Резисторы R3 и R5 служат для компенсации напряжения смещения ОУ и в случае, когда нет необходимости в сильной симметрии импульсов их можно заменить перемычками.

Для понимания принципа работы генератора треугольных импульсов рассмотрим график напряжений на его выводах U_{ВЫХ 1} и U_{ВЫХ 2}.

Графики выходных напряжений генератора треугольных импульсов: на выходе триггера Шмитта (верхний) и на выходе интегратора (нижний).

Допустим после подачи напряжения питания в схему на выходе триггера Шмитта (DA1) установилось напряжение положительного насыщения ОУ U_НАС+, тогда конденсатор С1 начинает заряжаться, а на выходе интегратора (DA2) напряжение начинает соответственно линейно падать. Так как выход интегратора и вход триггера объединены, то при достижении линейно-падающего напряжения уровня нижнего напряжения переключения триггера U_НП, то произойдёт переброс напряжения на его выходе до напряжения отрицательного насыщения ОУ U_НАС-, а коденсатор С1 начнёт разряжаться. По мере разряда конденсатора напряжение на выходе интегратора начнёт линейно расти до уровня напряжения верхнего переключения триггера Шмитта U_ВП, после достижения, которого выход триггера переключится до уровня напряжение положительного насыщения ОУ U_НАС+ и цикл зарядки – разрядки конденсатора С1, а следовательно и треугольного напряжения повторится.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что амплитуда выходного треугольного напряжения, которое можно снимать с выхода ОУ DA2 (U_{ВЫХ 2}) будет равна величине гистерезиса триггера Шмитта

Таким образом регулируя величину гистерезиса триггера можно увеличивать или уменьшать амплитуду выходных импульсов треугольного напряжения.

Длительность треугольно импульса состоит из двух периодов: периода нарастания длительностью t_Н и периода спада напряжения длительностью t_С. Длительность этих периодов определяется следующими выражениями

Как известно пороговые уровни триггера Шмитта при опорном напряжении равном нулю (U_ОП = 0 В) определяются следующими выражениями

Тогда после несложных преобразований и замен получим выражение для длительности и частоты треугольного напряжения

Изменение частоты следования треугольных импульсов осуществляется с помощью резистора R4 (точная регулировка) и конденсатора C1 (грубо), хотя длительность импульсов также зависит от величины сопротивления резистора R4.

Стоит заметить, что максимальная частота следования импульсов ограничена параметрами ОУ, в частности скоростью нарастания выходного напряжения ОУ DA2 (интегратор) и максимальным выходным током ОУ DA1 (триггер Шмитта).

Экспоненциальные усилители

Наряду с логарифмическими усилителями находят применение также экспоненциальные или антилогарифмические усилители. Работа этих усилителей также основана на зависимости тока протекающего, через p-n-переход от напряжения на этом переходе. Для получения экспоненциального усилителя достаточно поменять местами диод и резистор в схеме простого логарифмического усилителя.

Схема простейшего экспоненциального усилителя.

Выходное напряжение схемы будет в экспоненциальной зависимости от входного напряжения и вычисляется по следующему выражению

где I_ОБР – обратный ток насыщения диода, q – заряд электрона, q ≈ 1,6 * 10-19 Кл. U_ВХ – напряжение на диоде, k – постоянная Больцмана, k ≈ 1,38 * 10-23 Дж/К. T – абсолютная температура в градусах Кельвина.

Простейший экспоненциальный усилитель применяют редко, в связи с недостатками обусловленными тем, что в работе диода принимают участие как электроны, так и дырки. В отличие от диодов в работе транзистора принимают участие или электроны или дырки, в зависимости от типа транзистора (n-p-n или p-n-p транзисторы). Поэтому использование транзисторов в экспоненциальном усилителе увеличивает температурную стабильность.

Чаще всего применяют схему экспоненциального усилителя, в которой входной транзистор включён по схеме с заземлённой базой. Данная схема приведена ниже

Схема экспоненциального усилителя с транзистором во входной цепи.

Значение выходного напряжения данной схемы вычисляется по следующей формуле

где I_ЭО – обратный ток насыщения эмиттера.

Вследствие того, что транзисторы достаточно чувствительны к обратным напряжениям база-эмиттер (не должно превышать 1 В), то на входе схемы часто ставят защитный диод для предохранения от отрицательных входных напряжений.

дифференцированный (прилагательное)

Морфологические и синтаксические свойства

диф-фе-рен-ци́-ро-ван-ный

Прилагательное, относительное, тип склонения по классификации А. Зализняка — 1*a(1).

Корень: -дифференц-; суффиксы: -ир-ова-нн; окончание: -ый.

Семантические свойства

Значение

1. книжн. предусматривающий различение, разделение чего-либо, осуществляемый с учётом различий ◆ У нас же я не вижу дифференцированного подхода в работе музыкального вещания: по всем каналам на людей обрушивается оглушающее их однообразие не самого лучшего свойства. И. К. Архипова, «Музыка жизни», 1996 г. (цитата из Национального корпуса русского языка, см. )

Гипонимы

1. малодифференцированный, дедифференцированный

Родственные слова

Этимология

Происходит от гл. дифференцировать, от лат. differentiare «различать», далее из differentia «разница, различие», далее из гл.  «разносить; различаться», из dis- (приставка, означающая разделение, разъединение) + «носить», из праиндоевр. *bher- «брать, носить».

Перевод

Работа ОУ от однополярного источника питания

В обычных условиях схема включения ОУ предусматривает двухполярное питание, однако в современной портативной аппаратуре с батарейным питанием это представляется не совсем удобным. Вследствие этого применяют схемы однополярного питания ОУ с введение в схему цепи дополнительного смещения.

В линейном усилителе соотношение между входным U_BX и выходным U_BbIX напряжением имеет следующую функциональную зависимость, которая представляет собой уравнение прямой и называется передаточной характеристикой

где k – крутизна усилителя

b – смещение выходного напряжения.

Поэтому, в зависимости от коэффициентов k и b, возможно четыре варианта передаточных характеристик линейного усилителя

Для нахождения коэффициентов k и b в уравнении прямой линии необходимо задаться параметрами двух точек на этой прямой, в случае линейного усилителя – параметрами входного и выходного напряжения в двух точках, чаще всего крайних.

В качестве примера найдём коэффициенты k и b в следующем случае: на входе линейного усилителя сигнал от датчика может изменяться в пределах от 0,3 до 0,7 В, а с выхода усилителя на аналого-цифровой преобразователь должен поступать сигнал в диапазоне от 1 до 6 В. Для определения уравнения линейного усилителя мы имеем две точки А1(U_BbIX1; U_BX1) = (1; 0,3) и А2(6; 0,7), поэтому составим систему уравнений

Решив данную систему, получим следующие значения коэффициентов k = 7 и b = 1,1. В итоге передаточная характеристика линейного усилителя будет иметь следующий вид

Для каждого вида передаточной характеристики существует своя схема реализации цепей смещения, рассмотрим их подробнее.