Дифференциальный усилитель: что это такое, его типы и применение

Введение

Благодаря многочисленным применениям дифференциальные усилители остаются распространенной схемой в электронике сегодня. Однако те, кто еще не имел дела с такой схемой, могут спросить: что такое дифференциальный усилитель?

Мы можем определить дифференциальный усилитель как схему, предназначенную для приема двух входов и усиления только разницы между ними. В то же время она отклоняет синфазные сигналы на двух входах.

The дифференциальный усилитель больше фокусируется на разнице или изменении между сигналами, а не на усилении общих уровней напряжения, которые представляет каждый вход.

Как работает дифференциальный усилитель?

The дифференциальный операционный усилитель имеет два входных терминала. Мы можем обозначить их как Vin+ и Vin-. Работа усилителя заключается в усилении только разницы между этими напряжениями, которые являются входами схемы.

Помимо усиления разницы входных сигналов, схема также имеет синфазное подавление. Это когда любые помехи или шумы, которые есть на обоих входных терминалах, ослабляются или подавляются усилителем.

На выходе вы получаете усиленную разность, которая также называется дифференциальным сигналом.

 

Основные характеристики и параметры дифференциальных усилителей

Вам следует знать несколько характеристик дифференциального усилителя. К ним относятся:

• Дифференциальные усилители обеспечивают впечатляющие характеристики подавления шума, поскольку они усиливают только разницу между двумя входными сигналами.
• Ожидайте также получить высокий коэффициент усиления. Таким образом, они могут предложить лучшее усиление даже для небольших разниц напряжения согласно уравнение дифференциального усилителя.
• Полученный сигнал более точен, поскольку дифференциальный усилитель BJTможет отклонить синфазный шум. Теперь вы можете получить желаемый сигнал еще лучше.

Некоторые из ключевых параметров, которые следует учитывать, включают в себя:

• Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR): Это то, что количественно определяет способность усилителя подавлять синфазные сигналы. Более высокий CMRR приветствуется, поскольку он показывает лучшее подавление шума.
• Входное смещение напряжения: это разница напряжений между двумя входами, если на усилитель еще не подано никаких входных сигналов. Для получения наилучшей точности рекомендуется иметь низкое входное смещение напряжения.
• Дифференциальный коэффициент усиления: это коэффициент усиления усилителя для разницы между двумя входными сигналами.
• Входное сопротивление: Это импеданс между двумя входными клеммами. Когда у вас высокое входное сопротивление, это означает, что вы можете избежать нагрузки на источник сигнала.
• Полоса пропускания: определяет диапазон частот, в котором дифференциальный усилитель может работать эффективно.

 

Типы дифференциальных усилителей

Чтобы найти коэффициент усиления дифференциального усилителя, вы должны понимать, с каким типом вы работаете. Существует несколько способов классификации дифференциальных усилителей. Это может быть основано на входных и выходных конфигурациях, типах BJT или Op-amp.

Конфигурации ввода и вывода

Для этого вы можете получить следующие варианты в качестве типов:

1. Двойной вход, сбалансированный выход: эта конфигурация работает за счет усиления разницы между двумя входными сигналами, что приводит к получению двух равных, но противоположных сигналов на выходе.
2. Двойной вход, несимметричный выход: эта конфигурация усиливает разницу между двумя входными сигналами, но на этот раз выход является несимметричным.
3. Один вход, сбалансированный выход: этот тип конфигурации имеет один входной сигнал, который создает два сбалансированных выходных сигнала.
4. Один вход, несимметричный выход: этот тип конфигурации имеет один входной сигнал с несимметричным выходом.

Дифференциальный усилитель BJT

Этот тип дифференциального усилителя усиливает разницу между двумя входными сигналами. Он считается основным строительным блоком в различных аналоговых схемах.

Операционный усилитель (Op-Amp) Дифференциальный усилитель

Это еще один важный тип дифференциального усилителя, чья работа заключается в усилении разницы между двумя входными напряжениями. Он имеет два входа с одним выходом. Основная функция заключается в усилении разницы напряжений между двумя входами с помощью схема дифференциального операционного усилителя.

 

Применение дифференциальных усилителей

Когда вы делаете простое расчет дифференциального усилителя, вы можете увидеть, что есть несколько способов использования такой схемы. Если вы не уверены, как, ниже приведены основные распространенные применения дифференциальных усилителей.

Преобразование сигнала для аналого-цифровых преобразователей

Это обычное применение для полностью дифференциальных усилителей. Они отлично подходят для управления дифференциальными входами АЦП. Они предлагают простой способ реализации свойств фильтрации сглаживания и могут быть пригодны для получения сигнала в шумных условиях.

Измерение дифференциальных сигналов

Эти усилители могут измерять дифференциальные сигналы более точно. Они идеально подходят для контроля напряжения и тока, где точность имеет решающее значение.

Целостность сигнала и подавление шума

Поскольку дифференциальные усилители имеют функцию подавления синфазного сигнала, они устойчивы к синфазным помехам и внешним шумам. Эта функция важна для приложений, где шум может испортить сигнал.

Приборы и датчики

Такие характеристики, как высокое входное сопротивление, низкий уровень шума и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, делают дифференциальные усилители хорошими инструментальными усилителями. Они могут улавливать слабые сигналы и усиливать их до требуемого уровня.

Применение источников питания

Да, дифференциальные усилители также могут быть пригодны для приложений с источниками питания, где они могут подавлять шумы источника питания вместе с синфазными шумами в сигнале.

Плюсы и минусы дифференциальных усилителей

Плюсы

• Дифференциальные усилители очень эффективны при подавлении шума во входных сигналах.
• Ожидаемые сбалансированные выходы, которые важны для целостности сигнала и шумоподавления
• Мы также считаем, что дифференциальный усилитель хорош для чувствительных к шуму сред. Это делает его пригодным для приложений с датчиками и приборами.
• Снижение гармонических искажений улучшает качество сигнала благодаря использованию дифференциальных усилителей.
• Эти усилители хороши для систем передачи данных, аудио- и телефонных систем, поскольку они способны подавлять шум.

Минусы

• Дифференциальные усилители сложнее в проектировании по сравнению с однотактными усилителями. Это связано с увеличенным размером, что может увеличить стоимость схемы.
• Эти усилители обычно требуют больше места на кристалле или печатной плате по сравнению с усилителями с одним выходом.
• Вы также можете столкнуться с проблемами несоответствия импеданса в зависимости от вашей настройки. Это может снизить коэффициент подавления синфазного сигнала.

 

Дифференциальный усилитель против однотактных усилителей

К настоящему моменту мы уже знаем, как формула дифференциального усилителя и как это работает. А как насчет однотактного усилителя?

Однотактный усилитель имеет один входной сигнал и заземление. Выходной сигнал усиливается относительно земли. В этой установке мы обнаруживаем, что он более восприимчив к шуму, поскольку синфазный шум также усиливается входным сигналом.

Даже с его ограничениями однотактный усилитель все еще имеет применение. Он используется там, где шум не является большой проблемой, например, для базового усиления звука.

Основное различие между ними заключается в том, что дифференциальные усилители предназначены для подавления синфазного шума, тогда как однотактные усилители усиливают его.

Также, стоимость отличается. Дифференциальные усилители сложнее и требуют больше компонентов для сборки. Таким образом, вы в конечном итоге тратите больше на такие усилители.

А как насчет целостности сигнала? Дифференциальные усилители обеспечивают лучшую целостность сигнала, подавляя шум. Из-за этого есть некоторые приложения, где однотактные усилители не будут хорошо работать.

 

Особенность	Однотактный усилитель	Дифференциальный усилитель
Входы	Один	Два
Выходы	Один	Один или два
Усиление	Сигнал относительно земли	Разница между двумя входными сигналами
Помехоустойчивость	Низкий	Высокий
Подавление синфазного сигнала	Низкий	Высокий

 

Заключение

Работая со схемой дифференциального усилителя, вы быстро заметите, что несколько параметров лучше, чем у некоторых других типов усилителей. Это не значит, что у него нет ограничений, но общая функциональность довольно хороша. В итоге вы получаете лучшую помехоустойчивость, увеличенный динамический диапазон для напряжения, сниженные гармонические искажения и многое другое. Если бы вы сегодня проектировали дифференциальный усилитель, используйте правильные инструменты для его моделирования, чтобы сначала найти, где вам нужно оптимизировать его для наилучшей производительности.