Електронні компоненти і системи 
Особливості застосування диференціальних підсилювачів
Типова схема диференціального підсилювача наведена на рис. 1. Для успішного застосування цих підсилювачів необхідно враховувати особливості таких пристроїв. Перш за все слід враховувати, що імпеданси підсилювача по входах V1 і V2 збалансовані між собою. Імпеданс по входу V1 практично дорівнює R1, а імпеданс по входу V2 дорівнює R1′ + R2′. Розбаланс вхідних опорів призводить до зменшення КОСС підсилювача. Як випливає з рівнянь:
KOCC=20log10,(1)K_{OCC} = 20\log_{10}\left, \quad (1)
Vвых=(V2−V1)⋅R2/R1,(2)V_{вых} = (V_2 – V_1) \cdot R_2/R_1, \quad (2)
де KrK_r — дробовий коефіцієнт, що враховує величину розсогласування співвідношень R2/R1R_2/R_1 і R2′/R1′R_2’/R_1′. Для забезпечення великого КОСС необхідно, щоб R2/R1=R2′/R1′R_2/R_1 = R_2’/R_1′. Якщо розбаланс цих відношень становить 0.1 %, то при R1=R2R_1 = R_2 КОСС становить 66 дБ. Для зменшення впливу розбалансу цих резисторів на величину КОСС диференціального підсилювача на його входах можна включити буферні каскади, побудовані, наприклад, на основі прецизійних операційних підсилювачів.
Однак таке рішення призводить до збільшення складності, підвищення нелінійності та дрейфу зміщення нуля підсилювального каскаду в цілому.
Вплив розсогласування резисторів на КОСС
Зазначимо, що величина КОСС прямо залежить від узгодження відношень резисторів R1/R2R_1/R_2 і R1′/R2′R_1’/R_2′. Загальний вираз для визначення КОСС, на відміну від (1), можна записати в такому вигляді:
KOCC=20log10.(3)K_{OCC} = 20\log_{10}\left. \quad (3)
Вираз (3) справедливий, якщо в схемі підсилювача використовуються 4 дискретні резистори, причому, якщо ці резистори мають розкид 1 %, то практично неможливо забезпечити КОСС більше 34 дБ. Якщо резистори R1R_1, R2R_2, R1′R_1′ і R2′R_2′ виконані в єдиному технологічному циклі, то для обчислення можна користуватися виразом (1). Зазначимо, що в сучасних вимірювальних каналах КОСС підсилювачів повинен становити не менше 100 дБ, що може бути забезпечено, наприклад, тонкоплівковими або товстоплівковими резисторами виробництва компанії Vishay або Caddock, похибка розсогласування яких становить не більше 0.01 %. Застосовуючи диференціальні підсилювачі, бажано використовувати такі ІМС, які містять вбудовані добре підігнані резистори, що дозволяє спростити проектування друкованої плати і отримати максимально можливу величину КОСС. Прикладом такої ІМС є диференціальний підсилювач AMP03, який містить прецизійні тонкоплівкові резистори з лазерною підгонкою їх опорів.
Функціональна схема ІМС AMP03 наведена на рис. 2. Величина КОСС цього підсилювача не нижче 100 дБ, а частота зрізу в режимі малого сигналу становить 3 МГц. Для високовольтних сигналів компанія Analog Devices розробила підсилювач із симетричним (диференціальним) входом і несиметричним виходом AD629, схема якого наведена на рис. 3. Максимальна вхідна синфазна напруга цього підсилювача при напрузі живлення ±15 В становить ±270 В, частота зрізу на малому сигналі — 500 кГц. Ослаблення великого синфазного сигналу забезпечується внутрішнім дільником R1R_1, R2R_2. Вхідний опір по інвертуючому входу визначається виразом R1=R3∣∣R5R_1 = R_3 || R_5. Лазерна підгонка вбудованих тонкоплівкових резисторів забезпечує величину КОСС підсилювача AD629B не менше 86 дБ на частоті 500 Гц. При вимірюванні величини струму в струмовому шунті у вхідне коло підсилювача AD629 можна включити підстроювальний резистор RCOMPR_{COMP}.
Диференціальні підсилювачі для зчитування струмів
Диференціальні підсилювачі широко використовуються для зчитування струмів із струмових шунтів. На рис. 4 наведена функціональна схема підсилювача AD8202, призначеного для застосування в автомобільній електроніці. У цій ІМС підсилювач A1 являє собою диференціальний підсилювач з фіксованим коефіцієнтом підсилення, рівним 10. Підсилювач A2 — додатковий неінвертуючий операційний підсилювач з коефіцієнтом підсилення 2. Вбудовані тонкоплівкові резистори дозволяють забезпечити роботу з максимальним синфазним сигналом 28 В при напрузі живлення від 3.5 до 12 В. Похибка узгодження резисторів не гірше 0.01 %, що дозволяє забезпечити КОСС не менше 80 дБ.
На рис. 5 показано застосування підсилювача AD8202 для вимірювання струму акумуляторної батареї у високовольтній (а) і низьковольтній (б) колах. Зазначимо, що якщо для вимірювання струмів у високовольтних колах у підсилювачі AD8202 використано тонкоплівковий резистивний дільник, то в підсилювачах типу AD8210, AD8211, AD8212, AD8213 і AD8215 висока вхідна синфазна напруга 65 В і вище ослаблюється, як показано на рис. 6. Вхідні кола ОУ захищені від пробою високою вхідною синфазною напругою переходами база-емітер транзисторів Q1 і Q2.
При збільшенні напруги між входом і виходом до 0.7 В переходи база-емітер відкриваються і шунтують ОУ. Перевагою такого рішення є вищий вхідний імпеданс. Крім того, відношення сигнал/шум у таких ІМС вище, оскільки в підсилювачі AD8210 відсутнє попереднє ослаблення сигналу на внутрішньому аттенюаторі. Цей підсилювач забезпечує підсилення диференціальної напруги на шунті RSHUNTR_{SHUNT}, пропорційної струму ISHUNTI_{SHUNT}, що протікає через цей шунт. При цьому синфазна напруга аж до 65 В ослаблюється у вхідних транзисторних колах цього підсилювача.
Диференціальні струми в колах транзисторів Q1 і Q2 перетворюються в диференціальну напругу на резисторах R1R_1, R4R_4. Підсилювач A2 використовується як вимірювальний з фіксованим коефіцієнтом підсилення 20. Напруги VREF1V_{REF1} і VREF2V_{REF2} регулюються зовнішніми резисторами. Як правило, вихід VREF1V_{REF1} підключений до виходу VccV_{cc} (напруга живлення), а вихід VREF2V_{REF2} — до земляного виводу GND. У цьому випадку при вхідній напрузі, рівній нулю, напруга на виході буде зміщена на величину Vcc/2V_{cc}/2.
Висновки
- При використанні диференціальних підсилювачів у вимірювальних каналах необхідно забезпечувати добре узгодження відношень опорів резисторів у прямій і зворотній колах. Для цього доцільно виготовляти ці резистори в єдиному технологічному циклі. Бажано, щоб вони були виконані на поверхні кристала ІМС підсилювача.
- Для ослаблення синфазного сигналу краще використовувати у вхідних колах підсилювача транзистори (а не резистивні дільники), що дозволяє підвищити КОСС і збільшити відношення сигнал/шум при вимірюванні струмів у високовольтних колах.
