Zosilňovač rozdielového signálu - diferenčný zosilňovač

Zosilňovač rozdielového signálu - diferenčný zosilňovač - je symetrický zosilňovač s emitorovo viazanými tranzistormi a dvoma vstupmi. Je vhodný aj na zosilňovanie jednosmerného signálu.  Zmena amplitúdy signálu (zväčšenie) na neinvertujúcom vstupe U1 má za následok na výstupe zmenu signálu (zväčšenie) Uout  so súhlasnou polaritou. Prírastok amplitúdy napätia na invertujúcom vstupe U2 má za následok pokles výstupnej amplitúdy Uout.

Základný variant zapojenia

Nakoľko bázové prúdy sú malé tak bez prítomnosti signálu na oboch vstupoch tečú cez tranzistory rovnaké prúdy a súčet prúdov cez emitorový odpor IT ~ IC1+IC2  je stály.

 
 

Napäťová nesymetria vstupov

Pri rovnakých amplitúdach vstupného napätia z dôvodov nie celkom symetrických vlastností oboch tranzistorov (v dôsledku nedokonalej symetrie charakteristík tranzistorov je Ib1-Ib2~10nA) prejaví sa  na výstupnej odozve DUout=Ad(DUbe) napäťová nesymetria vstupov DUbe=RbIb1-RbIb2 .

 

Napäťový zisk rozdielového signálu

Pre rozdielový signál s malou amplitúdou DUin=(DUin+ -DUin-)  je napäťový zisk    Ad=DUout/DUin=RC/(2re)=(b0RC)/(2rp) - teda polovičný ako v zapojení 1 tranzistora so spoločným emitorom.

 
 

Operačný zosilňovač ako integrovaný obvod

Operačný zosilňovač (OZ) je diferenčný zosilňovač s veľkým zosilnením Ao=Uout/Ud, prevážne v prevedení integrovaného obvodu.  Ideálny OZ má : vysoký napäťový zisk Ao (v reálnych zapojeniach sa upravuje  pomocou slučky spätnej väzby na menšiu hodnotu - nezávislú od obvodu OZ),  nekonečnú šírku prenášaného pásma (stabilné Ao v širokej frekvenčnej oblasti), vysoký vstupný odpor Rin,  veľmi malý (skoro nulový) výstupný odpor Rout , minimálny drift a nízky šum, stály fázový posuv medzi výstupným a vstupným signálom.

 

Spätná väzba

Napäťový zisk pri otvorenej slučke spätnej väzby Ao=DUout/DUin. V zapojení na obrázku sa pomocou (zápornej) spätnej väzby privádza časť b výstupného signálu na vstup, kde sa zlúči (odpočíta sa) so vstupným signálom tak, že výsledný napäťový zisk (s uzatvorenou slučkou spätnej väzby) AC=DUout/DUS=Ao/(1+bAo)~1/b.

 

Invertujúci zosilňovač

V zapojení na obrázku sa signál privádza cez rezistor R1 na invertujúci vstup a časť výstupného signálu sa sa ako spätná väzba (v opačnej fáze) privádza  znova na vstup. Výsledné zosilnenie so zapojenou slučkou spätnej väzby  AC= - R2/R1~1/b. Zosilnenie so zapojenou slučkou spätnej väzby už nie je závislé na pôvodnom zisku  Ao  a závisí len od pomeru rezistorov. Pôsobením spätnej väzby sa upravil aj vstupný odpor Rin ~ R1 a výstupný odpor Rout||R2~ Rout.

 
 

Neinvertujúci zosilňovač

V zapojení na obrázku sa signál privádza na neinvertujúci vstup a časť výstupného signálu sa sa ako spätná väzba (v súhlasnej  fáze) privádza  na invertujúci  vstup. Výsledné zosilnenie so zapojenou sľučkou spätnej väzby  AC=(R1+R2)/R1~1/b. Zosilnenie so zapojenou slučkou spätnej väzby už nie je závislé na pôvodnom zisku  Ao  a závisí len od pomeru rezistorov. Pretože sa signál privádza priamo na vstup OZ je  vstupný odpor Rin daný vstupným odporom OZ  (je vysoký). Podobne je výstupná impedancia nízka, určená obvodom OZ.

 
 

Vykompenzovanie nulovej úrovne na výstupe OZ

V ľavej časti obrázku je znázornený spôsob kompenzácie posuvu výstupného napätia (na úroveň 0V)  pri skrate na vstupoch. Neidentické pracovné podmienky  (nastavenie prúdu pre správne predpätie na vstupe Ibias~80nA)  a nesymetria vstupov (Ioff~20nA) spôsobujú ďalší dodatočný posuv výstupnej úrovne.

 
 

Nastavenie predpätia pre OZ

Odpor Rx=R1||R pomáha vyrovnávať nesymetriu vstupov OZ.

 
 

Napäťový zisk súhlasného signálu

Výhodou zosilňovača s emitorovo viazanými tranzistormi je malá citlivosť - malý napäťový zisk pre súhlasný signál Acm=RC/2RE,  napr. šum a poruchy, ktoré pristupujú k obom vstupom OZ voči zemi - nie ako rozdielový signál DUin=(DUin+-DUin-).

 
 

Súčiniteľ potlačenia súhlasného signálu

Napäťový zisk  pre rozdielový signál  DUin=(DUin+ -DUin-) v zosilňovači s emitorovo viazanými tranzistormi  je     Ad=DUout/DUin=RC/(2re)=(b0RC)/(2rp). Napäťový zisk  pre súhlasný signál  v zosilňovači s emitorovo viazanými tranzistormi  je Acm=RC/2RE . Parametrom pre posudzovanie kvality zosilňovača rozdielového signálu je súčiniteľ potlačenia súhlasného signálu CMRR=Ad/Acm ~ RE/re.