Differentiële versterker: werkmethode en term die u moet kennen

Introductie

Differentiële versterkers zijn de meest gebruikte bouwstenen in het ontwerp van analoge geïntegreerde schakelingen. Een differentiële versterker is in feite een elektronisch circuit dat bestaat uit twee ingangen, een inverterende en niet-inverterende ingang die in een negatieve feedbackconfiguratie werkt. De differentiële versterker versterkt in feite het verschil tussen de aangelegde ingangsspanningen in deze twee ingangsklemmen en verwerpt elk gemeenschappelijk signaal naar deze twee ingangsklemmen.

Eigenlijk allemaal operationele versterkers zijn differentiële versterkers omdat ze allemaal dezelfde ingangsconfiguratie hebben. Als een ingangsspanningssignaal wordt toegepast op een van de ingangspinnen en nog een spanningssignaal wordt toegepast op de andere pin in plaats van geaard te zijn, is de resulterende uitgangsspanning evenredig aan de variantie tussen de twee ingangsspanningen die zijn aangesloten op de twee respectieve ingangsklemmen.

Constructie en werking

Beschouw het circuit, dat wordt getoond in figuur (a), met ingangen V_i1 en V_i2. Om het circuit te analyseren, zullen we het concept van superpositie en virtuele kortsluiting gebruiken. Fig (b) demonstreert het circuit met V_i2 = 0. Er loopt geen stroom in R₃ en R₄; daarom V_2a = 0. Het resulterende circuit zal zich gedragen als een inverterende versterker zo,

  De verschilversterker in het bovenstaande circuit bestaat uit zowel een inverterende als een niet-inverterende versterkerconfiguratie.

Terwijl, als de inverterende pin is geaard, het circuit werkt als een niet-inverterende versterker, zoals weergegeven in de respectieve schakelschema's. Als de inverterende ingangsklemmen geaard zijn, is R.₂en R₁ fungeert als de terugkoppelingscomponenten die de uitgangsklem en de inverterende klem verbinden en een geschikte terugkoppelingsvoorwaarde wordt bereikt voor de niet-inverterende versterker.

Fig (c) toont het circuit met V_i1 = 0. Nu is de stroom van de op-amp 0. Dus, R₃ en R₄ vormen een spanningsdeler. Daarom

Van het concept van virtuele short die we krijgen, V_1b = V_2b en het circuit wordt een niet-inverterende versterker, waarvoor

Als we de bovenstaande vergelijkingen vervangen, krijgen we

Or

Omdat de netto-uitgangsspanning de som is van individuele termen, hebben we

                                                                              V₀ = V₀₁ + V₀₂

Or                                                       

Een eigenschap van een ideale verschilversterker is dat de uitgangsspanning nul is als V_i1 = V_i2. Bij analyse van de laatste vergelijking is aan deze voorwaarde voldaan als

De uitgangsspanning is dan,

We kunnen naar behoefte aanvullende weerstanden toevoegen in parallelle verbinding met de ingangsweerstanden, en het differentiële versterkercircuit kan worden geconfigureerd om het naar behoefte toe te voegen of af te trekken.

Enkele belangrijke termen met betrekking tot differentiële versterker

Differentiële ingangsweerstand:

In de figuur hebben we de voorwaarde gesteld dat en hebben we R ingesteld₁ = R₃ en R₂ = R₄. De ingangsweerstand wordt dan gedefinieerd als,

Rekening houdend met het concept van virtuele korte, kunnen we de volgende lusvergelijking schrijven,

V_i = iR₁ + iR₁ = ik (2R₁)

Daarom is de ingangsweerstand R_i = 2R₁

Common-mode ingangssignaal:

: In de ideale verschilversterker zou een common mode-ingang Vcm de ingangen (V._i1 + V_cm) en (V_i2 + V_cm), dat wil zeggen, wordt opgeteld bij elk van de toegepaste ingangsspanningen en daarom zal het worden opgeheven wanneer het verschil tussen de twee ingangsspanningen wordt opgenomen en versterkt.

De output V₀ is nul als V_i1 = V_i2. Als deze weerstandsverhoudingen echter niet precies gelijk zijn, dwz

 , dan, als resultaat, de common-mode spanning V_cm zal niet volledig verdwijnen.

Aangezien het praktisch onmogelijk is om weerstandsverhoudingen van perfect exacte waarden te hebben, is het waarschijnlijk dat er een common-mode uitgangsspanning aanwezig zal zijn.

Toen V_i1 = V_i2wordt de ingang een common-mode ingangssignaal genoemd. De common-mode ingangsspanning kan worden uitgedrukt als

de common mode gain kan dan worden uitgedrukt als,

Gemeenschappelijke modus afwijzingsratio (CMRR):

De CMRR kan worden verklaard als de moduluswaarde van de verhouding tussen differentiële versterking en common-mode versterking. In wezen is het het vermogen van een differentiële versterker om ingangssignalen die zich in de gewone modus bevinden, te verwerpen.

                                                    CMRR =

Over het algemeen wordt de CMRR uitgedrukt in dB,

CMRR (dB) =

In een ideale wereld is de verwerpingsratio van de common-mode oneindig. In het geval van de werkelijke differentiaalversterker willen we dat de CMRR zo groot mogelijk is.

Toepassingen van differentiële versterker

Differentiële versterker van Wheatstone Bridge

In dit geval zijn de weerstanden zo gerangschikt in een Wheatstone (resistieve) brug dat ze kunnen werken als een differentiële spanningsvergelijker door de ingangsspanningen te vergelijken.

Wanneer een vaste referentie-ingangsspanning wordt toegepast aan het ene uiteinde van het Wheatstone-brugnetwerk en een thermistor of een lichtafhankelijke weerstand (LDR) aan het andere uiteinde van het netwerk, kan het circuit worden gebruikt om verschillende temperatuur- of lichtniveaus te detecteren intensiteit. De uitgangsspanning van deze differentiële operationele versterkerschakeling is een lineaire functie van de verschillen in het actieve uiteinde van de schakeling waarin de thermistor of LDR is.

 Een differentieelcircuit van Wheatstone-brug dat wordt gebruikt om de waarde van de onbekende weerstand te berekenen door pro tem als een comparator tussen de ingangsspanningen over de individuele weerstanden.

LICHTGEVOELIGE DIFFERENTIËLE VERSTERKER

Het lichtafhankelijke differentieelcircuit werkt als een lichtafhankelijke schakelaar, die de uitgang met behulp van een relais ofwel als "aan" of "uit" geeft. De aangelegde spanning op V1 stelt het uitschakelpunt van de versterker in (geeft de drempelwaarde) en een variabele weerstand die fungeert als een potentiaalmeter VR₂ wordt gebruikt voor hysterese-omschakeling.

 Op de inverterende aansluiting van de verschilversterker is een standaard lichtafhankelijke weerstand aangesloten, die de waarde van de weerstandswaarde verandert afhankelijk van de hoeveelheid licht die erop valt. De fotodiodeweerstand die aanwezig is in de LDR is evenredig met het lichtniveau en neemt af met toenemende lichtintensiteit, en daarom zal het spanningsniveau op punt V2 ook variëren en afhankelijk van of het boven of onder het drempelpunt ligt, de variabele weerstand VR₁ geeft de waarde aan.

Nu het licht op de lichtafhankelijke weerstand (LDR) valt, op basis van de intensiteit, of het nu boven of onder de ingestelde drempelwaarde op de niet-inverterende ingangsklem V1 valt, toont de uitgang AAN of UIT.

Met behulp van de potentiometer VR kan de lichtniveau-trip of drempelwaardepositie worden aangepast₁ en de schakelhysteresepotentiometer VR₂. Daarom kan op deze manier een lichtgevoelige schakelaar worden gemaakt met behulp van een verschilversterker.

Het circuit kan worden geconfigureerd om veranderingen in temperatuur te detecteren door de VR te vervangen₁ en de LDR, met een thermistor en een geschikte variabele weerstand om warmte of koude te detecteren. Het nadeel van een verschilversterker is dat de ingangsimpedanties veel lager zijn in vergelijking met die van de andere configuraties van operationele versterkercircuits. Een differentiële versterkerschakeling werkt goed voor bronnen met lage impedantie, maar niet voor bronnen met hoge impedantie. Door een Unity Gain Buffer Amplifier te gebruiken, kan dit probleem worden verholpen.

Voor meer elektronica gerelateerd artikel klik hier

Lees ook:

• Geleiding versus convectie
• Wat is droge wrijving? Soorten droge wrijving
• Hoe de sterkte van een elektromagneet te vergroten?
• Wanneer vindt er een fysieke verandering plaats?
• Voorbeelden van harmonische oscillatoren
• Waar komen verschijnselen als halo’s en zonnehonden vandaan in de meteorologie?
• Hoe de statische wrijvingscoëfficiënt te vinden
• sferische aberratie
• Dynamische evenwichtsomstandigheden
• Is hardheid een fysieke eigenschap?