Differenzverstärker: Arbeitsweise und Begriff, den Sie kennen müssen

Einleitung

Differenzverstärker werden am häufigsten als Bausteine ​​im analogen Entwurf integrierter Schaltkreise verwendet. Ein Differenzverstärker ist im Grunde eine elektronische Schaltung, die aus zwei Eingängen besteht, einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang, die in einer Konfiguration mit negativer Rückkopplung betrieben werden. Der Differenzverstärker verstärkt grundsätzlich die Differenz zwischen den an diesen beiden Eingangsanschlüssen angelegten Eingangsspannungen und lehnt jedes gemeinsame Signal an diese beiden Eingangsanschlüsse ab

Grundsätzlich alles Operationsverstärker sind Differenzverstärker, weil sie alle die gleiche Eingangskonfiguration haben. Wenn ein Eingangsspannungssignal an einen der Eingangspins angelegt wird und ein weiteres Spannungssignal an den anderen Pin angelegt wird, anstatt geerdet zu werden, ist die resultierende Ausgangsspannung proportional zu der Varianz zwischen den zwei Eingangsspannungen, die mit den zwei entsprechenden Eingangsanschlüssen verbunden sind.

Bau und Arbeit

Betrachten Sie die in Abb. (A) gezeigte Schaltung mit den Eingängen V._i1 und V_i2. Um die Schaltung zu analysieren, verwenden wir das Konzept der Überlagerung und des virtuellen Kurzschlusses. Fig. (B) zeigt die Schaltung mit V._i2 = 0. In R fließt kein Strom₃ und R₄;; daher V._2a = 0. Die resultierende Schaltung verhält sich wie eine invertierenden Verstärker ja,

  Der Differenzverstärker in der obigen Schaltung besteht sowohl aus einer invertierenden als auch einer nicht invertierenden Verstärkerkonfiguration.

Wenn der invertierende Pin geerdet ist, wirkt die Schaltung als nicht invertierender Verstärker, wie in den jeweiligen Schaltplänen gezeigt. Wenn die invertierenden Eingangsanschlüsse geerdet sind, ist R.₂und R₁ fungiert als Rückkopplungskomponente, die den Ausgangsanschluss und den invertierenden Anschluss verbindet, und eine geeignete Rückkopplungsbedingung wird für den nicht invertierenden Verstärker erreicht.

Fig. (C) zeigt die Schaltung mit V._i1 = 0. Jetzt ist der Strom des Operationsverstärkers 0. Also, R.₃ und R₄ bilden einen Spannungsteiler. Deshalb,

Aus dem Konzept des virtuellen Kurzschlusses erhalten wir, V._1b = V_2b und die Schaltung wird zu einem nicht invertierenden Verstärker, für den

Wenn wir die obigen Gleichungen einsetzen, erhalten wir

Or

Da die Nettoausgangsspannung die Summe der einzelnen Terme ist, haben wir

                                                                              V₀ = V₀₁ + V₀₂

Or                                                       

Eine Eigenschaft eines idealen Differenzverstärkers ist, dass die Ausgangsspannung Null ist, wenn V._i1 = V_i2. Bei der Analyse der letzten Gleichung ist diese Bedingung erfüllt, wenn

Die Ausgangsspannung beträgt dann

Wir können je nach Bedarf zusätzliche Widerstände in Parallelschaltung mit den Eingangswiderständen hinzufügen, und die Differenzverstärkerschaltung kann so konfiguriert werden, dass sie je nach Bedarf entweder addiert oder subtrahiert wird.

Einige wichtige Begriffe im Zusammenhang mit Differenzverstärkern

Differenzieller Eingangswiderstand:

In der Abbildung haben wir die Bedingung gesetzt und R gesetzt₁ = R₃ und R₂ = R₄. Der Eingangswiderstand ist dann definiert als:

Unter Berücksichtigung des Konzepts des virtuellen Kurzschlusses können wir die folgende Schleifengleichung schreiben:

V_i = iR₁ + Ich₁ = i (2R₁)

Daher ist der Eingangswiderstand R._i = 2R₁

Gleichtakt-Eingangssignal:

: Im idealen Differenzverstärker würde ein Gleichtakt-Eingang Vcm die Eingänge bilden (V._i1 + V_cm) und (V._i2 + V_cm), dh wird zu jeder der angelegten Eingangsspannungen addiert und daher aufgehoben, wenn die Differenz der beiden Eingangsspannungen genommen und verstärkt wird.

Der Ausgang V.₀ ist Null, wenn V._i1 = V_i2. Wenn diese Widerstandsverhältnisse jedoch nicht genau gleich sind, d.h.

 als Ergebnis wird dann die Gleichtaktspannung V._cm wird nicht vollständig aufgehoben.

Da es praktisch unmöglich ist, Widerstandsverhältnisse mit perfekt exakten Werten zu haben, ist es wahrscheinlich, dass eine Gleichtakt-Ausgangsspannung vorhanden ist.

Wenn V._i1 = V_i2wird der Eingang als Gleichtakt-Eingangssignal bezeichnet. Die Gleichtakt-Eingangsspannung kann ausgedrückt werden als

Die Gleichtaktverstärkung kann dann ausgedrückt werden als:

Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis (CMRR):

Das CMRR kann als Modulwert des Verhältnisses von Differenzverstärkung zu Gleichtaktverstärkung erklärt werden. Grundsätzlich ist es die Fähigkeit eines Differenzverstärkers, Eingangssignale zurückzuweisen, die sich im Gleichtakt befinden.

                                                    CMRR =

Im Allgemeinen wird das CMRR in dB ausgedrückt,

CMRR (dB) =

In einer idealen Welt ist das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis unendlich. Im tatsächlichen Fall eines Differenzverstärkers möchten wir, dass das CMRR so groß wie möglich ist.

Anwendungen von Differenzverstärkern

Wheatstone Bridge Differenzverstärker

In diesem Fall sind die Widerstände in einer Wheatstone-Brücke (Widerstandsbrücke) so angeordnet, dass sie durch Vergleichen der Eingangsspannungen als Differenzspannungskomparator arbeiten können.

Wenn an einem Ende des Wheatstone-Brückennetzwerks eine feste Referenzeingangsspannung und am anderen Ende des Netzwerks ein Thermistor oder ein lichtabhängiger Widerstand (LDR) angelegt wird, kann die Schaltung zur Erfassung unterschiedlicher Temperatur- oder Lichtpegel verwendet werden Intensität. Die Ausgangsspannung dieser differentiellen Operationsverstärkerschaltung ist eine lineare Funktion der Unterschiede im aktiven Ende der Schaltung, in der sich der Thermistor oder LDR befindet.

 Eine Wheatstone-Brückendifferentialschaltung, die verwendet wird, um den Wert des unbekannten Widerstands durch ein System als Komparator zwischen den Eingangsspannungen über die einzelnen Widerstände zu berechnen.

LICHTEMPFINDLICHER DIFFERENZVERSTÄRKER

Die lichtabhängige Differenzschaltung arbeitet als lichtabhängiger Schalter, der den Ausgang mit Hilfe eines Relais entweder als „Ein“ oder „Aus“ ausgibt. Die an V1 angelegte Spannung legt den Auslösepunkt des Verstärkers fest (liefert den Schwellenwert) und einen variablen Widerstand, der als Potentialmesser VR fungiert₂ wird zum Schalten der Hysterese verwendet.

 Am invertierenden Anschluss des Differenzverstärkers ist ein standardmäßiger lichtabhängiger Widerstand angeschlossen, der seinen Widerstandswert in Abhängigkeit von der Lichtmenge ändert, die auf ihn einfällt. Der im LDR vorhandene Fotodiodenwiderstand ist proportional zum Lichtpegel und nimmt mit zunehmender Lichtintensität ab. Daher variiert auch der Spannungspegel am Punkt V2 und abhängig davon, ob er über oder unter dem Schwellenwert liegt, der variable Widerstand VR₁ zeigt seinen Wert an.

Wenn nun das Licht auf den lichtabhängigen Widerstand (LDR) einfällt, zeigt der Ausgang aufgrund seiner Intensität, ob er den eingestellten Schwellenwert am nichtinvertierenden Eingangsanschluss V1 überschreitet oder unter diesem bleibt, EIN oder AUS.

Die Lichtpegelauslösung oder Schwellwertposition kann mit Hilfe des Potentiometers VR eingestellt werden₁ und das Schalthysteresepotentiometer VR₂. Daher kann auf diese Weise ein lichtempfindlicher Schalter unter Verwendung eines Differenzverstärkers hergestellt werden.

Die Schaltung kann so konfiguriert werden, dass Temperaturänderungen durch Ersetzen der VR erfasst werden₁ und der LDR mit einem Thermistor und einem geeigneten variablen Widerstand zum Erfassen von Wärme oder Kälte. Der Nachteil eines Differenzverstärkers besteht darin, dass die Eingangsimpedanzen im Vergleich zu den anderen Konfigurationen der Operationsverstärkerschaltungen viel niedriger sind. Eine Differenzverstärkerschaltung eignet sich gut für Quellen mit niedriger Impedanz, jedoch nicht für Quellen mit hoher Impedanz. Durch die Verwendung eines Unity Gain Buffer Amplifier kann dieses Problem behoben werden.

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