Ontwerp van een Praktische Differentiële Versterker met Gecontroleerde Versterking

Differentiële Op‑Amp Schakelingen

Een op‑amp zonder feedback is al een differentiële versterker, die het spanningsverschil tussen de twee ingangen versterkt. De versterking kan echter niet gecontroleerd worden en is doorgaans te hoog voor praktisch nut. Tot nu toe heeft ons toepassen van negatieve feedback op op‑amps geleid tot het praktische verlies van één van de ingangen, waardoor de resulterende versterker alleen goed is voor het versterken van een enkel spanningsinvoersignaal. Met wat inzicht kunnen we echter een op‑amp‑circuit bouwen die beide spanningingangen behoudt, maar met een gecontroleerde versterking ingesteld door externe weerstanden.

Als alle weerstandswaarden gelijk zijn, heeft deze versterker een differentiële spanningstersterkte van 1. De analyse van dit circuit is essentieel hetzelfde als die van een inverterende versterker, behalve dat de niet‑inverterende invoer (+) van de op‑amp op een spanning ligt die gelijk is aan een fractie van V₂, in plaats van direct met massa verbonden te zijn. Logischerwijs fungeert V₂ als de niet‑inverterende invoer en V₁ als de inverterende invoer van de finale versterkerschakeling. Daarom:

Als we een differentiële versterking anders dan 1 willen, moeten we de weerstanden in zowel de bovenste als de onderste spanningsdelers aanpassen, wat meerdere weerstandswijzigingen en balanceren tussen de twee delers voor symmetrische werking vereist. Dit is niet altijd praktisch, uit duidelijke redenen.

Buffer de invoerspanningssignalen

Een andere beperking van dit versterkerontwerp is dat de ingangsimpedanties redelijk laag zijn vergeleken met sommige andere op‑amp‑configuraties, met name de niet‑inverterende (enkelzijdige invoer) versterker. Elke invoerspanningsbron moet stroom leveren door een weerstand, wat een veel lagere impedantie vormt dan de blote ingang van een op‑amp alleen. De oplossing voor dit probleem is gelukkig vrij eenvoudig. We hoeven elk invoerspanningssignaal slechts te “bufferen” door een spanningsvolger als deze:

Nu zijn de V₁ en V₂ invoerlijnen rechtstreeks verbonden met de ingangen van twee spanningsvolger op‑amps, wat zeer hoge impedantie geeft. De twee op‑amps aan de linkerkant regelen nu het sturen van stroom door de weerstanden in plaats van de invoerspanningsbronnen (wat ze ook mogen zijn) dat te laten doen. De verhoogde complexiteit van ons circuit is minimaal voor een aanzienlijk voordeel.

GERELATEERDE WERKBLADEN:

• Optel‑ en Aftrek‑schakelingen OpAmp Werkblad
• Basis Operationele Versterkers Werkblad