Принцип работы дифференциальной схемы

Величина отпускания Х_отп – зна­чение параметра входной величи­ны, при котором произошло скачкообразное уменьшение выходного параметра с Y_макс до Y_мини реле отключилось.

Величина параметра, на кото­рую отрегулировано реле, называет­ся уставкой.

Коэффициент возврата К_в — от­ношение величины отпускания к ве­личине срабатывания

.

Время срабатывания t_cp — про­межуток времени от момента появления импульса (входной величины) до момента скачкообразного изменения выходной величины.

Время отпускания t_отп— промежуток времени от момента сня­тия сигнала (входной величины) до момента достижения Y_мин. Это время состоит из двух частей: времени отпускания и времени гаше­ния дуги. Представление о времени работы реле дает график на рис. 10.1. На рис. 10.1, а дана зависимость тока от времени в управляемой цепи, а на рис. 10.1, б — в управляющей цепи (в обмотке реле). Точка А —начало импульса на срабатывание, а точка Б — начало отпускания.

Помимо функции коммутации реле выполняет также функцию усиления, определяемую отношением

,

где Р_у — максимальная мощность в нагрузке управляемой цепи; — минимальная мощность входного сигнала, при котором про­исходит срабатывание реле.

Для реле с исполнительным органом в виде контактной систе­мы максимальная мощность управления Р_уопределяется не дли­тельным током, который может пропустить контакт, а током, кото­рый может быть многократно отключен.

Источник: studopedia.ru

Дифференциальные усилители

Дифференциальные усилители (ДУ) широко применяются в аналоговых ИС различного типа: операционных усилителях (ОУ), компараторах и стабилизаторах напряжения, видеоусилителях, балансных модуляторах и демодуляторах. Кроме того, на основе ДУ построено большинство элементов цифровой эмиттерно- связанной логики (ЭСЛ). Дифференциальный усилитель является входным каскадом ОУ и других ИС, поэтому он определяет большинство важнейших рабочих характеристик ИС: напряжение смещения, входной ток смещения, входной ток сдвига, входное сопротивление, коэффициент ослабления синфазного сигнала, диапазон рабочих частот.

Существуют схемы ДУ на БТ, МОП-транзисторах и ПТУП, составных транзисторах, а также схемы с активной нагрузкой и ряд других.

ДУ на биполярных транзисторах.

При работе ДУ большое значение имеет одинаковость параметров элементов симметричной схемы. Базовая схема состоит только из двух транзисторов с соединяемыми эмиттерами, к которым под-

ключей идеальный источник тока, при этом на базы подается входной сигнал, а между коллекторами снимается выходной (рис. 8.8). ДУ, изображенный на рис. 8.8, состоит из двух симметричных схемных цепей, каждая из которых содержит транзистор и резистор. Помимо указанных симметричных цепей, в общей эмиттерной цепи имеется источник тока /. Входным сигналом С/_вх является разность базовых потенциалов £/_вх = и_ы – и_ъ2, а выходным напряжением — разность коллекторных потенциалов (7_ВЫХ = 1/_К1 – и_К2. В ДУ оба транзистора работают в активном режиме. Источник тока / обеспечивает стабильность рабочей точки транзисторов, т. е. токов /§ и напряжений £/$ .

При идеальной симметрии цепей ДУ в отсутствие входного сигнала выходное напряжение равно нулю, поскольку коллекторные потенциалы и токи транзисторов УТ, и УТ₂ одинаковы из-за симметрии цепей. Такая ситуация будет сохраняться при любом одинаковом изменении токов в обеих ветвях усилителя, т. е. в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, несмотря на возможный значительный дрейф в каждом из плечей ДУ. Таким образом усилитель будет устойчив на всех частотах независимо от температуры. Любые изменения коэффициента передачи или токов утечки в усилительной цепи транзистора УТ! компенсируются такими же изменениями в усилительном канале транзистора УТ₂.

Если на базы транзисторов УТ! и УТ₂ подаются одинаковые сигналы (синфазные сигналы), то С/_вых = 0, поскольку в обоих транзисторах произойдут одинаковые изменения параметров и разность и_вых

на другом уменьшится на 0,5£/_вх. В результате на выходе возникнет напряжение, поскольку приращения коллекторных потенциалов и_К1 и и_К2 будут одинаковыми по величине, но противоположными по знаку. Таким образом, идеальный ДУ реагирует только на разностный (дифференциальный) сигнал; при этом потенциал эмиттеров остается неизменным, поэтому при анализе ДУ его считают заданным, а ток генератора / — постоянным (Я, — °°). В реальных условиях источник тока имеет не бесконечное внутреннее сопротивление Я, в результате возникшее приращение потенциала эмиттера Ди_э вызывает изменение эмиттерного тока на величину А/ = ДС7_Э/Я^ (при Я, —► оо приращение Д/₍₎ — 0). Это изменение тока Д/ делится между цепями транзисторов УТ, и УТ₂ и вызывает приращение коллекторных потенциалов Д£/_к, и Д1/_к2. В случае идентичности цепей ДС/_К| = Л£/_К2 и на выходе ДУ имеется только синфазная составляющая. В противном случае Д£/_К1 5,6 Д£/_К2 и на выходе ДУ наряду с синфазной составляющей появится паразитная дифференциальная составляющая. Симметрия, т. е. идентичность цепей УТ, и УТ₂ ДУ, легче всего достигается в ИС. Однако даже если оба транзистора выполнены на одном кристалле, они не будут абсолютно одинаковыми, поэтому даже в отсутствие входного сигнала на выходе будет присутствовать некоторое напряжение, которое обычно называют напряжением смещения и_см; оно определяется формулой £/_см = где R_u определяют транзисторы УТ₃ и УТ₄, а g = /₁/₂/[(^1 + ^2)Фг1 — пе “ редаточная проводимость. Таким образом, К в ДУ с активной нагрузкой вдвое больше, чем с постоянной резистивной.

Источник: studme.org

Дифференциальный усилитель на ОУ. Принцип работы

Иногда возникает необходимость вычесть два сигнала. Классическим примером является измерение тока на резисторе, которое практикуется в различных источниках питания и инверторах, при чтении температуры с термопары или напряжения моста Уитстона.

Самый простой способ использовать схему вычитания так называемый дифференциальный усилитель (не путать с дифференциатором!). Если нам необходимо вычислить разницу между двумя сигналами, то достаточно будет одного операционного усилителя и четырех одинаковых резисторов:

Но зачастую мы имеем дело с очень слабыми сигналами, так что не мешало бы, помимо вычитания, усилить полученную разницу. Для этого используем слегка измененную схему, которая отличается значениями резисторов:

Ничто нам не мешает еще больше изменить значения резисторов, однако, мы не видели, чтобы кто-то использовал подобную схему, как показано ниже:

Несмотря на то, что третья схема уже довольно сильно запутана, это все еще также рабочая схема. Резисторы R3 и R4 образуют обычный делитель напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе усилителя (+) такое же, как и на инвертирующем входе (-), поскольку работа операционного усилителя основана на 3 основных правилах:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

Если мы знаем, входное напряжение U1 и напряжение на инвертирующем входе (-), то значит, мы знаем и напряжение на резисторе R1. Далее, из закона Ома, вычислим, какой ток течет через него (R1), и этот же ток течет далее через резистор R2. Зная сопротивление R2, вычислим падение напряжения на этом резисторе, а это даст нам конечный результат.

Дифференциальный усилитель имеет, к сожалению, два серьезных недостатка, которые перечеркивают его во многих ситуациях:

• Первый недостаток — низкое входное сопротивление, которое зависит от величины резистора (как и в инвертирующим усилителе). В случае, когда мы измеряем очень слабый сигнал с термопары или моста Уитстона, то усилитель даст существенную ошибку в измерительную систему.
• Второй недостаток — нелегко изменить коэффициент усиления. Чтобы это сделать, нужно одновременно изменить значение двух резисторов, что на практике очень сложно. Нужно иметь спаренный потенциометр или ввести систему аналоговых мультиплексоров, что значительно усложнит схему.

Таким образом, дифференциальный усилитель является простой схемой, но его практическое применение довольно сильно ограничено. Лучше использовать чуть более сложную, но качественную схему измерительного усилителя.

Источник: www.joyta.ru

Дифференциальные усилители: принцип работы

Дифференциальные усилители используются для повышения разности напряжения нескольких выходных сигналов. При идеальной работе устройства импульсы определяются только их отличительными характеристиками. Одновременное изменение сигналов на всех выходах называется синфазным. Разностные или дифференциальные поступающие импульсы определяются как полезные или нормальные.

В качественном усилителе показатель ослабления сигнала всегда высокий. Он представляет собой соотношение входного импульса к выходному. При этом амплитуда полезного и синфазного сигнала должна быть одинаковой. Чаще всего КОСС измеряется в децибелах. Выходной импульс меняется в зависимости от уровня мощности, который может быть задан диапазоном синфазного входного сигнала.

Для чего используются?

Дифференциальные усилители применяются, когда есть вероятность потери слабых сигналов из-за шумов. Такая возможность возникает при передаче звуковых колебаний, радиочастот, напряжения электрокардиограмм, импульсов по длинным проводам, информации на магнитных накопителях и в ряде других случаев. При несущественных помехах прибор восстанавливает входной импульс на приемном конце. Для проектирования усилителей постоянного тока часто используются дифференциальные каскады. По своей сути их симметричная система компенсирует температурный дрейф.

Распространенный вариант

Схема дифференциального усилителя с однополюсным выходом делает замер выходного напряжения на коллекторе относительно потенциала заземления. Это устройство увеличивает энергию на входе и трансформирует ее в несимметричный импульс, с которым работают обыкновенные приборы. Дифференциальный сигнал при необходимости снимается между коллекторами. Коэффициент усиления в такой схеме легко просчитывается.

«Длиннохвостая пара»

Так можно назвать усилитель, когда величина сопротивления резистора обратно пропорциональна его длине. Подавление синфазных сигналов в схеме определяется как «длинный хвост», а максимальные сопротивления межэмиттерных связей являются повышением дифференциальных импульсов.

Смещение при помощи тока

В усилителях могут снижаться синфазные импульсы, если заменить резистор на источник питания. При этом текущее значение сопротивления будет возрастать, а эффект повышения сигналов существенно ослабится. Представим себе дифференциальный усилитель постоянного тока, на входе которого будут действовать синфазные импульсы. Источники энергии в эмиттерных цепях будут поддерживать напряжение, распределяя его между коллекторными цепями равномерно.

Нужно помнить о необходимости предусматривать цепи смещения постоянного тока. Если использовать конденсаторы для межкаскадной связи на входе, то должны быть активированы базовые заземленные резисторы. К таким дифференциальным усилителям относится одно предостережение. На переходе база-эмиттер не более 6 В биполярные транзисторы могут выдерживать обратное смещение. После этого может наступить пробой.

Если подается большее входное дифференциальное напряжение, то входной каскад будет разрушаться. Разрушение схемы предотвращается благодаря ограничению тока пробоя эмиттерным резистором, но качества транзисторов при этом могут понижаться. Если обратная проходимость будет возникать, снижение входного импеданса будет существенным в любом случае.

Использование в усилителях дифференциальных схем

Работа дифференциального усилителя может быть адаптирована под несимметричные входные сигналы. Для этого необходимо подать сигнал на один из его входов, а второй просто заземлить. Неиспользуемые транзисторы из устройства исключить не получится. Дифференциальная схема дает возможность компенсировать температурные изменения. Даже если будет заземлен один из входов, термостатор может функционировать. Они могут изменяться соответственно колебаниям температуры напряжения. При этом балансировка схемы нарушаться не будет.

Кроме того, исчезает необходимость учета падения подаваемого тока. Качество работы таких устройств может быть понижено только из-за несогласованности напряжений или их температурных характеристик. Производители поставляют на рынок транзисторные пары, а также интегральные дифференциальные усилители с достаточно высоким согласованием.

Применение токового зеркала

Иногда нужен дифференциальный усилитель, принцип работы которого основан на существенном увеличении коэффициента усиления. Идеальным решением такой задачи будет применение токового зеркала для активной нагрузки прибора. Дифференциальная пара с источником напряжения в эмиттерной цепи образуется транзисторами. Для создания коллективной нагрузки применяются транзисторы. Они играют роль токового зеркала. Таким образом сопротивление общей нагрузки может быть увеличено.

Коэффициент усиления благодаря этому достигает 5000 и даже выше, если отсутствует выходная нагрузка. Такие приборы чаще всего применяются в схемах, в которых есть петля обратной связи, а также в компараторах. Всегда нужно помнить, что нагрузка для таких приборов должна иметь немалый импеданс. В противном случае усиление значительно ослабится.

Схемы расщепления

На коллекторе дифференциальных симметричных усилителей могут возникать импульсы с одинаковой амплитудой и противоположными фазами. С двух элементов снимаются выходные сигналы. В результате может быть получена схема расщепления фазы. Естественно, можно применять устройство с дифференциальными входами и выходами. Импульсы при этом используются для управления одним каскадом усилителей. Для всей схемы будет существенно увеличена величина КОСС.

Усилитель для компаратора

Дифференциальные усилители включены в состав компараторов благодаря высоким КОСС и стабильности. Схемы, сравнивающие поступающие импульсы, оценивают, какой из сигналов больше. Компараторы применяются в различных областях – для включения систем отопления или освещения, для получения треугольных и прямоугольных сигналов, сравнения уровней импульсов с пороговыми значениями, а также во многих других схемах. Принцип работы основан на том, что один из транзисторов все время работает в режиме отсечки.

Заключение

Дифференциальный операционный усилитель – это прибор для повышения постоянного тока, применяемый в различных операциях над аналоговыми величинами. Устройство задействуется в схемах, обратные связи которых являются отрицательными. Усилитель, работающий с постоянным током, отличается от прибора для переменного напряжения возможностью повышения медленно изменяющихся импульсов. Приборы используются для повышения разности тока в нескольких выходных сигналах.

Источник: www.syl.ru

Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение

В тех случаях, когда требуется получить не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня земли), а требуется разность напряжений между двумя точками, применяется дифференциальный усилитель. Чаще всего такая необходимость возникает при работе с датчиками, а так же микрофонами.

Дифференциальный усилитель — это усилитель, обладающий двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных сигналов, умноженный на константу. Константа в данном случае — это коэффициент усиления дифференциального усилителя.

Фишкой данного типа усилителей является то, что сигнал приходящий на оба входа одновременно не усиливается. Т.е. если к полезному сигналу примешаны синфазные помехи или постоянные уровни, то усилен будет только полезный сигнал. Помимо этого такие усилители обладают высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим Коэффициентом Ослабления Синфазного Сигнала (КОСС).

Эти свойства делают дифференциальный усилитель невероятно полезным и даже незаменимым при усилении очень маленьких по величине сигналов, например, от различных датчиков.

Помимо этого дифференциальный усилитель используется в симметричных линиях передачи данным, например, при симметричном подключении микрофона. Т.к. длина микрофонного кабеля может быть значительной (более 50м), на него отлично наводятся различные помехи. В случае применения симметричного включения микрофона помехи приходят на оба входа дифференциального усилителя в фазе, и не усиливаются им.

Классическая схема дифференциального усилителя на ОУ

Коэффициент усиления такой схемы равен К=R2/R1. Для обеспечения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого желательно применение резисторов точностью 0.01%.

Резисторы такой точности достаточно дороги, и не всегда их можно найти в продаже. Поэтому при первой возможности лучше закупить 100 кОм резисторы указанной точности для применения в подобных схемах.

Если все резисторы будут одного номинала, что вполне допустимо, то коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен 1. Дальнейшее усиление при необходимости можно произвести дополнительными каскадами, зато наличие синфазной помехи было уже устранено.

Дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления

При необходимости получения очень большого коэффициента усиления дифференциального усилителя применяется Т-образная обратная связь, показанная на рисунке.

Достоинство этой схемы состоит в том, что она позволяет использовать удобные сопротивления резисторов, и не создает опасности присутствия паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.

Так в случае, если R2=R5=100 кОм, а R6=1 кОм, то представленная цепь работает как один резистор с сопротивлением 10 МОм.

Повторители для повышения входного сопротивления дифференциального усилителя

Для обоих схем дифференциальных усилителей сопротивление источника должно быть меньше 25 Ом для обеспечения КОСС 100дБ. Однако это неприемлемые требования для большинства источников, в частности стандартная головка микрофона обладает сопротивлением в 600Ом, а тензодатчик имеет внутреннее сопротивление около 350 Ом.

Для решения этой проблемы прибегают к использованию повторителей, устанавливаемых по входам, как это изображено на следующей схеме.

При таком включении и использовании современных ОУ можно получить колоссальное значение входного полного сопротивления, такое, что вопросы полного сопротивления источника уже не должны нас волновать. Однако это справедливо лишь для низких частот, т.к. для высоких частот входная емкость в комбинации с сопротивлением источника образуют делитель напряжения.

Для решения этой проблемы применяется схема инструментального (измерительного) усилителя, которому посвящена отдельная статья. Сам по себе инструментальный усилитель — это готовый микрофонный предусилитель.

Источник: audiogeek.ru