Amplificatore differenziale: metodo di lavoro e termine che devi conoscere

Introduzione

A Gli amplificatori differenziali sono gli elementi costitutivi più ampiamente utilizzati nella progettazione di circuiti integrati analogici. Un amplificatore differenziale è fondamentalmente un circuito elettronico che consiste di due ingressi, ingresso invertente e non invertente operati in una configurazione di feedback negativo. L'amplificatore differenziale sostanzialmente amplifica la differenza tra le tensioni di ingresso applicate in questi due terminali di ingresso e rifiuta qualsiasi segnale comune a questi due terminali di ingresso

Fondamentalmente, tutto amplificatori operazionali sono amplificatori differenziali perché hanno tutti la stessa configurazione di ingresso. Se un segnale di tensione di ingresso viene applicato su uno dei pin di ingresso e un segnale di tensione in più viene applicato all'altro pin anziché essere messo a terra, la tensione di uscita risultante sarà proporzionale alla varianza tra le due tensioni di ingresso collegate nei due rispettivi terminali di ingresso.

Amplificatore differenziale
 Amplificatore differenziale con amplificatore operazionale non ideale, Image Credit - Arthur Ogawa, Impedenza di ingresso dell'amplificatore differenziale operazionale e polarizzazione comuneCC BY-SA 1.0

Costruzione e funzionamento

Si consideri il circuito, che è mostrato in fig (a), con ingressi Vi1 e Vi2. Per analizzare il circuito useremo il concetto di sovrapposizione e corto virtuale. La Fig (b) mostra il circuito con Vi2 = 0. Nessuna corrente scorrerà in R3 e R4; quindi, V2a = 0. Il circuito risultante si comporterà come un amplificatore invertente così,

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Amplificatore differenziale
Circuito amplificatore differenziale

  L'amplificatore differenziale nel circuito di cui sopra è costituito da una configurazione di amplificatore invertente e non invertente.

Se invece il pin invertente è messo a terra, il circuito funge da amplificatore non invertente, come mostrato nei rispettivi schemi circuitali. Quando i terminali di ingresso invertenti sono messi a terra, R2e R1 funziona come i componenti di retroazione che collegano il terminale di uscita e il terminale invertente e si ottiene una condizione di retroazione adeguata per l'amplificatore non invertente.

Amplificatore differenziale
Amplificatore differenziale

La Fig (c) mostra il circuito con Vi1 = 0. Ora, la corrente dell'amplificatore operazionale è 0. Quindi, R3 e R4 formare un partitore di tensione. Perciò,

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Dal concetto di corto virtuale otteniamo, V1b = V2b e il circuito diventa un amplificatore non invertente, per il quale

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Sostituendo nelle equazioni precedenti, otteniamo image013 3

Or image015 3

Poiché la tensione di uscita netta è la somma dei singoli termini, abbiamo

                                                                              V0 = V01 + V02

Or                                                        image017 3

Una proprietà di un amplificatore differenziale ideale è che la tensione di uscita è zero quando Vi1 = Vi2. All'analisi dell'ultima equazione, questa condizione è soddisfatta se

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La tensione di uscita è quindi,

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Possiamo aggiungere opportunamente resistori supplementari in collegamento in parallelo con i resistori di ingresso secondo le nostre necessità, e il circuito dell'amplificatore differenziale può essere configurato per aggiungerlo o sottrarlo secondo le nostre necessità.

Alcuni termini importanti relativi all'amplificatore differenziale

Resistenza di ingresso differenziale:

Nella figura, abbiamo impostato la condizione che e abbiamo impostato R= R3 e R= R4. La resistenza di ingresso viene quindi definita come,

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Amplificatore differenziale

Tenendo conto del concetto di corto virtuale, possiamo scrivere la seguente equazione del ciclo,

V= IR+ IR1 = i (2R1)

Pertanto, la resistenza di ingresso è R= 2R1

Segnale di ingresso di modo comune:

: Nell'amplificatore differenziale ideale, un ingresso di modo comune Vcm renderebbe gli ingressi (Vi1 + Vcm) e (Vi2 + Vcm), vale a dire, viene aggiunto a ciascuna delle tensioni applicate in ingresso e quindi verrà annullato quando la differenza delle due tensioni in ingresso viene presa e amplificata.

L'uscita Vè zero quando Vi1 = Vi2. Tuttavia, se questi rapporti di resistenza non sono esattamente uguali, ad es

  image027 2 , quindi, di conseguenza, la tensione di modo comune Vcm non si cancellerà completamente.

Poiché praticamente è impossibile avere rapporti di resistenza di valori perfettamente esatti, è probabile che sia presente una tensione di uscita di modo comune.

Quando Vi1 = Vi2, l'ingresso è chiamato segnale di ingresso di modo comune. La tensione di ingresso di modo comune può essere espressa come

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il guadagno di modo comune può quindi essere espresso come,

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Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR):

Il CMRR può essere spiegato come il valore del modulo del rapporto tra guadagno differenziale e guadagno di modo comune. Fondamentalmente, è la capacità di un amplificatore differenziale di rifiutare i segnali di ingresso che sono in modo comune.

                                                    CMRR = image033

Generalmente, il CMRR è espresso in dB,

CMRR (dB) = image035

In un mondo ideale, il rapporto di rifiuto di modo comune è infinito. Nel caso dell'amplificatore differenziale reale, desideriamo che CMRR sia il più grande possibile.

Applicazioni dell'amplificatore differenziale

Amplificatore differenziale a ponte di Wheatstone

Ponte
Amplificatore differenziale a ponte di Wheatstone

In questo caso, le resistenze sono disposte in un ponte di Wheatstone (resistivo) in questo modo, può funzionare come un comparatore di tensione differenziale confrontando le tensioni di ingresso.

Quando una tensione di ingresso di riferimento fissa viene applicata a un'estremità della rete del ponte di Wheatstone e un termistore o un resistore dipendente dalla luce (LDR) all'altra estremità della rete, il circuito può essere utilizzato per rilevare diversi livelli di temperatura o luce intensità. La tensione di uscita di questo circuito amplificatore operazionale differenziale è una funzione lineare delle differenze nell'estremità attiva del circuito in cui si trova il termistore o LDR.

 Un circuito differenziale a ponte di Wheatstone utilizzato per calcolare il valore della resistenza sconosciuta mediante pro temp come comparatore tra le tensioni di ingresso attraverso le singole resistenze.

AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE SENSIBILE ALLA LUCE

Amplificatore differenziale sensibile alla luce
Amplificatore differenziale dipendente dalla luce

Il circuito differenziale dipendente dalla luce funziona come un interruttore dipendente dalla luce, che fornisce l'uscita come "on" o "off" con l'aiuto di un relè. La tensione applicata a V1 imposta il punto di scatto dell'amplificatore (fornisce il valore di soglia) e una resistenza variabile che funge da misuratore di potenziale VR2 viene utilizzato per la commutazione dell'isteresi.

 Sul terminale invertente dell'amplificatore differenziale, è collegato un resistore dipendente dalla luce standard, che cambia il suo valore del valore di resistenza a seconda della quantità di luce che si incide su di esso. La resistenza del fotodiodo presente nell'LDR è proporzionale al livello di luce e diminuisce con l'aumentare dell'intensità della luce, quindi varierà anche il livello di tensione nel punto V2 ea seconda che sia sopra o sotto il punto di soglia, il resistore variabile VR1 indicherà il suo valore.

Ora, poiché la luce colpisce il resistore dipendente dalla luce (LDR), in base alla sua intensità, se supera o rimane al di sotto del valore di soglia impostato sul terminale di ingresso non invertente V1, l'uscita mostra ON o OFF.

Lo scatto del livello di luce o la posizione del valore di soglia possono essere regolati con l'aiuto del potenziometro VR1 e il potenziometro di isteresi di commutazione VR2. Pertanto, in questo modo, è possibile realizzare un interruttore sensibile alla luce utilizzando un amplificatore differenziale.

Il circuito può essere configurato per rilevare le variazioni di temperatura, sostituendo il VR1 e l'LDR, con un termistore e un opportuno resistore variabile per rilevare il caldo o il freddo. Lo svantaggio di un amplificatore differenziale è che l'impedenza di ingresso è molto più bassa rispetto a quella delle altre configurazioni circuitali dell'amplificatore operazionale. Un circuito amplificatore differenziale funziona bene per sorgenti a bassa impedenza ma non per sorgenti ad alta impedenza. Utilizzando un Unity Gain Buffer Amplifier, questo problema può essere superato.

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