Схемы и расчет усилителя с дифференциальными входами на ОУ

Как можно реализовать дифференциальный усилитель на операционных усилителях? Схемы и онлайн калькулятор для расчёта элементов

Усилители с дифференциальными входами необычайно распространены в радиотехнических разработках, т. к. имеют ряд преимуществ по отношению к устройствам с несимметричным входом. К числу таких преимуществ относятся: лучшее подавление синфазных помех и чётных гармоник, а также повышенный динамический диапазон при фиксированном напряжении питания.

При необходимости получения высокого входного сопротивления и радикальной симметричности, довольно часто используется классический инструментальный усилитель на трёх операционных усилителях (Рис.1).

Рис.1 Схема инструментального усилителя с диф. входами на трёх ОУ

Эта популярная схема обеспечивает отличное подавление синфазного сигнала и высокое входное сопротивление. Входная клемма опорного напряжения REF позволяет привязывать выходной сигнал к напряжению, отличному от потенциала земли.

Однако в большинстве радиолюбительских устройств не предъявляется столь жёстких требований к повышенному входному сопротивлению и "инструментальным" характеристикам. Поэтому в таких случаях имеет смысл обратиться к более простой версии, построенной на одном операционном усилителе (Рис.2).

Рис.2 Схема простого усилителя с диф. входами на одном ОУ

В общем случае выходное напряжение описывается следующей формулой:

$V_{out} = \frac{(R_{1} + R_{2}) R_{4}}{R_{1} (R_{3} + R_{4})} (V_{in +}) - \frac{R_{2}}{R_{1}} (V_{in -})$     (1)

Однако, если выполняется условие:

$\frac{R_{2}}{R_{1}} = \frac{R_{4}}{R_{3}},$     (2)

то выражение принимает нужный для дифференциального усилителя вид:

$V_{o u t} = \frac{R_{2}}{R_{1}} (V_{i n +} - V_{i n -})$     (3)

Обычно в различных источниках, включая печатные, требование к отношению сопротивлений (2) приводится как единственное, необходимое для корректной работы дифференциального усилителя, забывая о том, что далеко не каждый источник сигнала будет развивать равные амплитуды при работе на различные сопротивления нагрузки. Поэтому условие равенства входных сопротивлений Vin- и Vin+ является необходимым критерием правильного функционирования устройства.
А такое условие выполняется при следующих соотношениях:

$R_{4} = \frac{R_{1} \cdot R_{2}}{R_{1} + R_{2}}; R_{3} = R_{1} - R_{4}$     (3)

Во всех расчётах принято допущение, что входное сопротивление ОУ во много раз превышает номинал резистора R4.

А теперь приведём онлайн калькулятор, который, исходя из вышеприведённых формул, позволит с лёгкостью рассчитать номиналы делителя R3, R4.

Онлайн расчет резисторов для усилителя
на ОУ с дифференциальными входами

Сопротивление R₁ (кОм)

Сопротивление R₂ (кОм)

Ku по входу V_in+

Ku по входу V_in-

Дифференциальное Ku

R_входн со стороны V_in- (кОм)

R_входн со стороны V_in+ (кОм)

Дифференц. R_входн (кОм)

Для примера на Рис.2b изображена схема дифференциального усилителя с Ku_диф=20, в котором реализована возможность точной подстройки степени подавления синфазных сигналов. Необходимость такой настройки продиктована ненулевыми допусками номиналов используемых элементов, а для её проведения следует замкнуть оба входа и, подав на них сигнал, переменным резистором уменьшить амплитуду выходных колебаний до минимума.

Схемы и расчет усилителя с дифференциальными входами на ОУ

==================================================================