5.13 Разностные, дифференциальные и инструментальные усилители



==347

Эти термины описывают усилители со связью по постоянному току, получающие на входе два сигнала \( V_{in+}\) и \( V_{in-}\) и отдающие на выходе однополярный или дифференциальный сигнал, который равен \( V_{out}=G_VΔ V_{in}\) , т.е. \( V_{out}=G_V( V_{in+}-V_{in-}\) ) . К общим свойствам относится сильное подавление синфазных сигналов, высокая точность и стабильность усиления по напряжению. Ниже даются различия, как они обычно понимаются разработчиками.

Разностный усилитель Дифференциальный вход, однополярный выход; усилитель содержит две пары согласованных резисторов ( рис. 5.65A , 4.9A , §4.2.4 ); КОСС на уровне 90...100 dB , точное, но небольшое усиление ( \( G_V\)=0.1–10 ); входной импеданс 25...100 kΩ , предназначены для работы с низкоомными источниками; входы обычно допускают выход за уровни питания.

Инструментальный усилитель Дифференциальный вход, однополярный выход; очень высокий входной импеданс ( 10 MΩ...10 GΩ ); широкий диапазон коэффициентов усиления ( \( G_V\)=1...1000 ) и очень высокий КОСС на больших усилениях ( 110...140 dB при \( G_V\)=100 ). См. §5.15 и рис. 5.77 .

Дифференциальный усилитель Дифференциальный вход, однополярный или дифференциальный выход; большая часть низковольтовые широкополосные с быстрой установкой; идеальны для приёма сигналов от дифференциальных драйверов для витых пар и в качестве входных буферов для быстрых дифференциальных АЦП. См. §5.17 и рис. 5.95 .

Очевидной сферой использования является восстановление дифференциальных по своей природе сигналов, сидящих поверх постоянного уровня или отягощённых синфазной помехой. Оба случая можно увидеть на рисунках ниже.

Первый пример ( рис. 5.64A ) - уже знакомый тензомост ( §5.4 ): конфигурация резисторов, позволяющая преобразовать напряжение ( удлинение ) материала датчика в изменение сопротивления. Итоговый результат - небольшое изменение выходного дифференциального напряжения на запитанном постоянным током мосту. Все резисторы имеют приблизительно одно исходное сопротивление, обычно 350 Ω , но при работе подвергаются воздействию различных сил. Чувствительность при полной нагрузке около ±2 mV , т.е. для питания 5V изменение составит ±10 mV . Малый дифференциальный сигнал, пропорциональный нагрузке, привязан к половине питающего напряжения. Дифференциальный усилитель должен иметь очень хороший КОСС, чтобы усиливать милливольты, отсекая постоянный потенциал 2.5 V . Допустим, требуется иметь максимальную ошибку ниже 0.1% полной шкалы, т.е. ±0.01 mV , притом, что сигнал привязан к уровню 2500 mV . КОСС должен быть 250'000:1 или 108 dB . Это сильно завышенная оценка: в жизни требуется просто проводить «калибровку нуля», а КОСС должен только отрабатывать колебания напряжения на мосте ( +5V ), для чего должно быть достаточно 60 dB ⁶¹ .



==348

Второй пример ( рис. 5.64B ) из мира профессионального звука, где встречаются довольно интересные задачи. При записи концертных выступлений микрофоны могут свисать с высокого потолка на кабеле длиной 100m и более. Пиковый сигнал может достигать уровня вольта, падая в паузах до милливольт. При этом требуется отодвигать сетевые наводки и прочие помехи ( например, шум от схем плавной регулировки освещённости ) ещё на 40 dB от полезного сигнала, потому что человеческое ухо невероятно чувствительно к посторонним звукам. После сложения требований получаем необходимый уровень подавления наводок 100'000:1 ( < 10 μV ) ! Задача кажется невыполнимой, но специалисты по звукозаписи успешно решили её много лет назад и передают звуковой сигнал по симметричной дифференциальной паре ( со стандартным импедансом для сигнала 150 и 600 Ω ). Для таких целей используется витая пара с хорошим экранированием, оканчивающаяся типовым 3-контактным XLR соединителем, который способен выдержать весьма грубое обращение ( у него прочный металлический корпус, эластичный ввод кабеля и т.д. ). А чтобы добиться полной симметрии сигнала, используются высококачественные звуковые трансформаторы на передающей стороне и дифференциальные приёмники или аналогичные трансформаторы на приёмной.

Чтобы не создавать у читателя превратного впечатления, спешим отметить, что усилители с дифференциальными входами могут помочь и в случае однополярных сигналов. Типичными примерами являются токовые шунты в цепи земли ( рис. 5.68A ) и межприборная передача сигналов ( рис. 5.67 ). В последнем случае наличие у разностного усилителя вывода опорного уровня «REF» позволяет избегать контуров в цепи земли при передаче сигнала между двумя приборами, чьи земляные потенциалы не совпадают.

Приёмы, позволяющие создать хороший инструментальный усилитель или в общем случае дифференциальную схему с высоким усилением, такие же, как и использовавшиеся ранее в точных схемах. Важно всё: входной ток, смещение и ошибки на синфазных сигналах. Начнём обсуждение с разностных усилителей для не слишком ответственных применений, а закончим самыми технически сложными измерительными задачами и методами их решения.



==348