а ппг п У сь. дифференциального усилителя

можностью регулировки коэффициента усиления. °

1,остигается включением двух ОУ но схеме повторителей напряжения (р,ис. 8.5,а). Напряжение на выходе операционного усилителя У1 относительно земли равно Е\, а на выходе Уг-£2. Дифференциальное выходное напряжение t/вых выделяется на резисторе нагрузки Rh- Оно равно разности между напряжениями Ei и £2 (f/вых = £1-£2). Обратите внимание на то, что основная схема дифференциального усилителя (рис. 8.1) имеет несимметричный выход, т. е. один из выводов Rn подключен к земле и f/вых измеряется между выходньш зажимом ОУ и землей. Буферный дифференциальный усилитель, собранный на двух ОУ по схеме рис. 8.5, а, обладает дифференциальным выходом; это означает, что ни один из выводов Rb не подключен к земле, и f/вых измеряется только на Rn- Операционные усилители совместно образуют дифференциальный вход, при этом входное напряжение равно разности между El и £2-

8.3.2. Регулируемый коэффициент усиления. Второй недостаток основной схемы дифференциального усилителя - невозможность регулировать его усиление. Включение трех дополнительных резисторов в схему буферного дифференциального усилителя (рис. 8.5, а) решает эту проблему. Полученная при этом схема усилителя с дифференциальным входом и выходом и регулируемым коэффициентом усиления показана на рис. 8.5, б. Повторители напряжения обеспечивают высокое входное напряжение.

Поскольку дифференциальное входное напряжение каждого ОУ равно О В, напряжения в точках / и 2 (по отношению к земле) равны соответственно £1 и £2- Отсюда следует, что на резисторе aR падает напряжение Е\-£2 (указанной на схеме полярности этого напряжения соответствует случай, когда £i>£2). Резистор aR - переменный; он используется для регулировки коэффициента усиления. Через резистор aR протекает ток

(8.2а)

При £i>£2 направление тока / совпадает с показанным на рис. 8.5,6. Ток протекает также по обоим резисторам R, и падение напряжения на всех трех резисторах определяет величину f/вых:

вы.=/( 4 2R)=-iiaR + 2R),

или, учитывая, что aR/R = a,

f/вых-=(£l-£2)(l+).

(8.26)

Пример 8.2. На рис. 8.5,6 £i=10 ыВ, а £2=5 ыВ. Определить величину и ых, если aR=2 кОм, а R=9 кОм.

Решение. Вычислим значение а

aR 2 кОм 2

Из уравнения (8.26) получим

1+ = 1 +

= 10.

И, наконец.

Увых = (10 мВ - 5 мВ) 10 = 50 мВ.

Выводы. Для изменения величины коэффициента усиления рассматриваемого усилителя необходимо изменять величину только одного резистора, а именно aR. Однако дифференциальный усилитель с буферными каскадами имеет один недостаток: он может работать только на незаземленную (плавающую) нагрузку, ни один из выводов которой не имеет соединения с землей. Чтобы схема могла работать на заземленную нагрузку, необходимо добавить к ней каскад, преобразующий дифференциальное входное напряжение в еоимметрпчное напряжение на выходе. Таким каскадом является основная схема дифференциального усилителя. Полученная в результате такой модификации схема, которую мы рассмотрим в следующем разделе, называется измерительным усилителем.

8.4. Измерительный усилитель

8.4.1. Работа схемы. Измерительный усилитель - один из наиболее широко применяемых, точных и мрюгофункциональных среди имеющихся на сегодняпгннй день усилителей. Собирают его из трех ОУ и семи резисторов, как показано на рис. 8.6. Для упрощения анализа схемы отметим, что измерительный усилитель фактически состоит из дифференциального усилителя с буферными каскадами (рис. 8.5,6), соединенного с базовым дифференциальным усилителем (рис. 8.1). Операционный усилитель Уз со своими четырьмя навесными резисторами, имеющими равные соиротивле-ния R, образует дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления, равным 1. В данной схеме должны быть согласованы только резисторы, соединенные с Уз. Резистор предварительной регулировки схемы R можно выполнить в виде подстроечного, чтобы сбалансировать любое синфазное напряжение, как показано на рис. 8.2. Коэффициент усиления задается всего одним резистором aR в соответствии с выражением

= 1+-

(8.3)

где a = aR/R.

Вход (-)

Выходной вывод

Рис. 8.6. Измерительный усилитель. Снмметрпрование схемы для полного подавления синфазного напряжения осуществляется с помощью R.

Напряжение прикладывается ко входу ( + ). г £2 - ко входу (-). Напряжение Ubux пропорционально разности входных напряжений. Итак, измерительный усилитель обладает следующими свойствам.и:

1. Коэффициент усиления от дифференциального входа (£1- -£2) до несимметричного выхода задается одним резистором.

2. Входное сопротивление схемы по обоим входам очень велико и при изменении коэффициента усиления не меняется.

3. С/вых не зависит от напряжения, общего для £i и £2 (синфазного напряжения), а зависит только от разности этих напряжений.

Пример 8.3. На рис. 8.6 R=25 кОм, а aR=50 Ом. Вычислить, чему равен коэффициент усиления.

Решение. Из уравнения (8.3)

25000

- Со

500 2

= 1+ 1/500

= 1001.

Пример 8.4. Если из схемы рнс. 8.6 удалить резистор aR (при этом aR= =°°), то чему будет равен коэффициент усиления? Решение. с=оо, откуда

Пример 8.5. На входы схемы рнс. 8.6 поданы напряжения, значения которых указаны ниже. Полярность этих напряжений указана относительно земли. Найти, предполагая, что коэффициент усиления схемы равен 1001 (как в при.мере 8.3), напряжение Свых при а) £i = 5,001 В и £г= 5,002 В; б) £i = = 5,001 В и £2=5,000 Вив) £,=-1,001 В и £2=-1,002 В.

Решение, а) (/еь,х= 1001 (£,-£2) = 1001 (5,001-5,002) В= 1001 (-0,001) В= / = - 1,001 В; Щ (/вь,х=1001 (5,001-5,000) В = 1001-0,001 В = 1,001 В; в) С/.ых= -100Ц-1,001-(-1,002)1 В = 1001-0,001 В = 1.001 В.

8.4.2. Введение опорного уровня выходного напряжения. В некоторых случаях желательно сдвинуть выходное .напряжение до величины, отличающейся от нулевого опорного уровня. Это удобно, например, для выбора положения пера самописца или базовой линии осциллографа, на которые поступает сигнал с измерительного усилителя. Выполнить такой сдвиг можно очень просто, включив последовательно с одним из резисторов ос}10вной схемы дифференциального усилителя источник опорного напряжения. Предположим, что в схеме рис. 8.6 Ei и £2 равны О В. При этом напряжения на выходах У1 и Уг также будут равны О В, н мы можем показать, что на входах дифференциального усилителя (рис. 8.7) окажутся напряжения £i 11 £2, равные О В.

Источник опорного напряжения Uon подключен последовательно с резистором R (к его опорному выводу), его напряжение делится пополам и прикладывается ко входу (-f) операционного

£гОВ\

-о -I-

Ьорный. вывод

усилителя Уз. Этот неинвертирующий усилитель имеет коэффициент усиления, равный 2, так что С/вых будет равно С/оп. Теперь, подстраивая С/оп, можно задать любое требуемое опорное значение напряжения С/вых. На практике С/оп берется с выхода схемы повторителя напряжения.

8.5. Обнаружение и измерение сигнала измерительным усилителем

8.5.1. Измерительный вход. Возможности и характеристики измерительного усилителя можно улучщить, разорвав контур отрицательной обратной связи операционного усилителя Уз и выведя из него три зажима: выхода, измерительный и опорный (рис. 8.8). Если между измерительным усилителем и нагрузкой требуется включить длинную соединительную линию или токовый бустер на транзисторе, то на соединительных проводах будет падать значительное по величине напряжение. Чтобы этого е произошло, измерительный и опорный зажимы подключают непосредственно к нагрузке. При этом последовательно с резисторами в целях измерительного и опорного зажимов включены равные сопротивления проводников и эти цепи остаются симметричными. Кроме того, что еще более важно, отрабатывая напряжение нагрузки, а не выходного зажима усилителя, обратная связь поддерживает напряжение нагрузки на неизменном уровне, соответствую-

Измерительный ими дифференциальный усилитель

Рис. 8.7. Смещение выходного напряжения путем введения опорного уровня.

(Он)

Сопротивление соединительных проводов

Рис. 8.8. Схема управления напряжением иа удаленной нагрузке.