Типовая схема дифференциального усилителя приведена на рис. 1. Для успешного применения этих усилителей необходимо учитывать особенности таких устройств. Прежде всего следует учитывать, что импедансы усилителя по входам V1 и V2 сбалансированы между собой. Импеданс по входу V1 практически равен R1, а импеданс по входу V2 равен R1‘+R2‘. Разбаланс входных сопротивлений приводит к уменьшению КОСС усилителя. Как следует из уравнений:
KOCC = 20log10[(1 + R2/R1)/Kr], (1)
Vвых = (V2 — V1) R 2/R1, (2)
где Kr — дробный коэффициент, учитывающий величину рассогласования соотношений R2/R1 и R2‘/R1‘. Для обеспечения большого КОСС необходимо, чтобы R2/R1=R2‘/R1‘. Если разбаланс этих отношений составляет 0.1%, то при R1=R2 КОСС составляет 66 дБ. Для уменьшения влияния разбаланса этих резисторов на величину КОСС дифференциального усилителя на его входах можно включить буферные каскады, построенные, например, на основе прецизионных операционных усилителей.
Рис. 1. Типовая структурная схема дифференциального усилителя
Однако такое решение приводит к увеличению сложности, повышению нелинейности и дрейфа смещения нуля усилительного каскада в целом.
Отметим, что величина КОСС прямо зависит от согласования отношений резисторов R1/R2 и R1‘/R2‘. Общее выражение для определения КОСС, в отличие от (1), можно записать в следующем виде:
KOCC = 20log10[(1 + R2/R1)/4Kr]. (3)
Выражение (3) справедливо, если в схеме усилителя используются 4 дискретных резистора, причем, если эти резисторы имеют разброс 1%, то практически невозможно обеспечить КОСС более 34 дБ. Если резисторы R1, R2, R1‘ и R2‘ выполнены в едином технологическом цикле, то для вычисления можно пользоваться выражением (1). Отметим, что в современных измерительных каналах КОСС усилителей должен составлять не менее 100 дБ, что может быть обеспечено, например, тонкопленочными или толстопленочными резисторами производства компании Vishay или Caddock, погрешность рассогласования которых составляет не более 0.01%. Применяя дифференциальные усилители, желательно использовать такие ИМС, которые содержат встроенные хорошо подогнанные резисторы, что позволяет упростить проектирование печатной платы и получить максимально возможную величину КОСС. Примером такой ИМС является дифференциальный усилитель АМР03, который содержит прецизионные тонкопленочные резисторы с лазерной подгонкой их сопротивлений.
Рис. 2. Функциональная схема прецизионного дифференциального усилителя АМР03
Функциональная схема ИМС АМР03 приведена на рис. 2. Величина КОСС этого усилителя не ниже 100 дБ, а частота среза в режиме малого сигнала составляет 3 МГц. Для высоковольтных сигналов компания Analog Devices разработала усилитель с симметричным (дифференциальным) входом и несимметричным выходом AD629, схема которого приведена на рис. 3. Максимальное входное синфазное напряжение этого усилителя при напряжении питания ±15 В составляет ±270 В, частота среза на малом сигнале — 500 кГц. Ослабление большого синфазного сигнала обеспечивается внутренним делителем R1, R2. Входное сопротивление по инвертирующему входу определяется выражением R1=R3||R5. Лазерная подгонка встроенных тонкопленочных резисторов обеспечивает величину КОСС усилителя AD629B не менее 86 дБ на частоте 500 Гц. При измерении величины тока в токовом шунте во входную цепь усилителя AD629 можно включить подстроечный резистор RCOMP.
Дифференциальные усилители широко используются для считывания токов с токовых шунтов. На рис. 4 приведена функциональная схема усилителя AD8202, предназначенного для применения в автомобильной электронике. В этой ИМС усилитель А1 представляет собой дифференциальный усилитель с фиксированным коэффициентом усиления, равным 10. Усилитель А2 — дополнительный неинвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления 2. Встроенные тонкопленочные резисторы позволяют обеспечить работу с максимальным синфазным сигналом 28 В при напряжении питания от 3.5 до 12 В. Погрешность согласования резисторов не хуже 0.01%, что позволяет обеспечить КОСС не менее 80 дБ.
На рис. 5 показано применение усилителя AD8202 для измерения тока аккумуляторной батареи в высоковольтной (а) и низковольтной (б) цепях. Отметим, что если для измерения токов в высоковольтных цепях в усилителе AD8202 использован тонкопленочный резистивный делитель, то в усилителях типа AD8210, AD8211, AD8212, AD8213 и AD8215 высокое входное синфазное напряжение 65 В и выше ослабляется, как показано на рис. 6. Входные цепи ОУ защищены от пробоя высоким входным синфазным напряжением переходами база-эмиттер транзисторов Q1 и Q2.
Рис. 3. Измеритель тока в высоковольтной цепи на основе ИМС AD629
Рис. 4. Дифференциальный усилитель AD8202 для считывания тока в высоковольтных цепях 
Рис. 5. Считыватели тока в высоковольтной (а) и низковольтной (б) цепях аккумуляторной батареи
При увеличении напряжения между входом и выходом до 0.7 В переходы база-эмиттер открываются и шунтируют ОУ. Преимуществом такого решения является более высокий входной импеданс. Кроме того, отношение сигнал/шум в таких ИМС выше, так как в усилителе AD8210 отсутствует предварительное ослабление сигнала на внутреннем аттенюаторе. Этот усилитель обеспечивает усиление дифференциального напряжения на шунте RSHUNT, пропорционального току ISHUNT, протекающему через этот шунт. При этом синфазное напряжение вплоть до 65 В ослабляется во входных транзисторных цепях этого усилителя.
Рис. 6. Считыватель тока в высоковольтной цепи на основе дифференциального усилителя AD8210
Дифференциальные токи в цепях транзисторов Q1 и Q2 преобразуются в дифференциальное напряжение на резисторах R1, R4. Усилитель А2 используется как измерительный с фиксированным коэффициентом усиления 20. Напряжения VREF1 и VREF2 регулируются внешними резисторами. Как правило, выход VREF1 подключен к выходу Vcc (напряжение питания), а выход VREF 2 — к земляному выводу GND. В этом случае при входном напряжении, равном нулю, напряжение на выходе будет смещено на величину Vcc /2.
ВЫВОДЫ
- 1. При использовании дифференциальных усилителей в измерительных каналах необходимо обеспечивать хорошее согласование отношений сопротивлений резисторов в прямой и обратной цепях. Для этого целесообразно изготавливать эти резисторы в едином технологическом цикле. Желательно, чтобы они были выполнены на поверхности кристалла ИМС усилителя.
- 2. Для ослабления синфазного сигнала предпочтительнее использовать во входных цепях усилителя транзисторы (а не резистивные делители), что позволяет повысить КОСС и увеличить отношение сигнал/шум при измерении токов в высоковольтных цепях.
Лайкнуть
Твитнуть