Дифференциальный усилитель

Введение

Измерительный усилитель

Цель работы: исследование характеристик измерительного усилителя напряжения.

Приборы: генератор НЧ Г3-112, осциллограф универсальный, измерительный усилитель, блока питания усилителя.

Проведение многих экспериментов предполагает регистрацию очень слабого сигнала на фоне сильных помех промышленной частоты. Электрические помехи промышленной частоты наводят на измерительной аппаратуре практически синфазный сигнал. Поэтому для регистрации слабых сигналов применяют высокочувствительные усилители с большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), а в некоторых случаях применяют специальные приемы подавления помех.

В связи с этим, рассмотрение вопроса о помехоустойчивости измерительных усилителей целесообразно начать с обсуждения схем усилителей с большим КОСС.

Дифференциальный усилитель дает возможность усиливать слабые сигналы, замаскированные намного более сильными сигналами помех, если помеха носит характер синфазного сигнала, и на порядок может превосходить уровень полезного сигнала.

На Рис.1 приведена схема дифференциального усилителя с большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

Рис.1 Дифференциальный усилитель.

В литературе эта схема чаще упоминается как схема вычитания сигналов. Для нее справедливо следующее уравнение:

U₀ = k₁U_вх1 + k₂U_вх2

При U_вх2=0 схема работает как инвертирующий усилитель сигнала U_вх1, выходное напряжение которого U₀=- _N U_l. (Здесь и далее введены следующие обозначения: _N=R₂/R₁, α_p=R₄/R₃) Отсюда следует, что k₁=- _N. При U_вх1=0 схема представляет собой электрометрический усилитель с делителем напряжения.

Потенциал

U_p= U₂

в этом случае усиливается в (1+ _N) раз, а выходное напряжение определяется формулой:

U_a=[α_p/(1+ α_p)](1+α_N)U₂

Если сопротивления на обоих входах одинаковы, и α_N= α_p = , то выходное напряжение

Uo= U₂

и, кроме того, (k₂= ). Отсюда следует, что выходное напряжение будет равно

Uo= (U₂-U₁).

Если отношения сопротивлений на инвертирующем и неинвертирующем входах отличаются от величины , то напряжение на выходе рассматриваемой схемы не будет точно пропорционально разности входных сигналов, а будет определяться соотношением

Ua = [(1 + _N)/(1 + _P)] _PU₂ - _NU₁

Для коэффициента ослабления cинфазного сигнала данной схемы получим

G=

При неточном выполнении условия равенства коэффициентов усиления по обоим входам, т.е. при _N = -1/2 и _p= +1/2 , пренебрегая членами более высокого порядка, получим приближенную формулу для вычисления коэффициента G:

(1)

Из этого выражения следует, что при постоянном значении α коэффициент ослабления синфазного сигнала обратно пропорционален относительной погрешности, обусловленной неточностью задания соотношений резисторов в схеме. Если эта погрешность равна нулю, то G= ∞, что справедливо только для идеальных операционных усилителей. В реальных усилителях для достижения максимального значения коэффициента G ставят R₄ подстроечное сопротивление, чтобы скомпенсировать погрешность установки коэффициента усиления , обусловленную параметрами операционного усилителя.

Из формулы (1) также следует, что коэффициент ослабления синфазного сигнала при заданном значении α/Δα приближенно пропорционален коэффициенту усиления разностного сигнала А_D=α.

Дата добавления: 2015-06-27