Дифференциальный усилитель
В одной из статей я рассказывал о дифференциальных усилителях, выполненных на транзисторах. Одной из особенностей таких усилителей является усиление разности сигналов поступающих на входы дифференциального усилителя. Данная особенность позволяет усиливать слабые сигналы, которые замаскированы более сильными сигналами, а также позволяет значительно уменьшить уровень шумов усилительных приборов.
Кроме транзисторных дифференциальных усилителей существует большой класс дифференциальных усилителей выполненных на ОУ. Схема простейшего дифференциального усилителя на ОУ представлена ниже
Схема дифференциального усилителя на основе ОУ.
Данная схема имеет довольно простое устройство и состоит из ОУ DA1 и четырёх резисторов R1, R2, R3 и R4. ОУ DA1 охвачен обратной связью через резисторы R3, R4, а через резисторы R1, R2 поступает входные сигналы.
Схема дифференциального усилителя на основе ОУ фактически представляет собой два усилителя – инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий усилитель получится, если заземлить вход UBX2, тогда неивертирующий вход ОУ окажется, заземлён через параллельно соединенные резисторы R2 и R3 и схема превратится в инвертирующий усилитель, а выходное напряжение в данном случае составит, как известно
в случае, если заземлить вход UBX1, а сигнал будет поступать на UBX2, то схема превратится в неинвертирующий усилитель, на входе которого включён делитель напряжения, тогда выходное напряжение составит
Если входные сигналы будут поступать на оба входа UBX1 и UBX2, то выходное напряжение будет иметь вид
Не трудно заметить, что если оптимизировать схему, чтобы выполнялось следующее соотношение
То выходное напряжение будет пропорционально разности входных напряжений
Поэтому данный усилитель и назвали дифференциальным
, то есть
разностным усилителем
.
Параметры дифференциального усилителя
Как известно из предыдущей статьи дифференциальный усилитель имеет ряд специфических параметров:
- дифференциальный коэффициент усиления
- коэффициент усиления синфазного сигнала
, который возникает из-за несогласованности резисторов - коэффициент усиления синфазного сигнала
, который обусловлен значением коэффициента ослабления синфазного сигнала операционного усилителя (КОСС.ОУ)
Тогда общий КОСС всей схемы будет иметь вид
Входное сопротивление
дифференциального усилителя состоит из суммы сопротивлений по двум входным каналам. Для входа UBX1, составит
Для входа UBX2, входное сопротивление составит
Выходное сопротивление дифференциального усилителя
рассчитывается так же как и выходные сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителя
где RBbIX.ОУ – выходное сопротивление ОУ,
КОУ – коэффициент усиления ОУ.
Таким образом, простейший дифференциальный усилитель на ОУ имеет очень простое схемное решение однако и его параметры, в частности, входное сопротивление, очень мало (порядка единиц – десятков кОм), поэтому данная схема находит применение в схемах где точность и влияние выходного сопротивления не играют большой роли. Большее распространение получили дифференциальные усилители, состоящие из нескольких ОУ, которые за свои высокие параметры называют инструментальными
или
измерительные усилители
.
Улучшение параметров дифференциального усилителя
Основными недостатками вышеописанной схемы дифференциального усилителя являются низкое сопротивление и возникновение трудности изменить коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлений должно быть достаточно точно согласовано.
Первый недостаток связан с тем, что входным сопротивлением дифференциального усилителя являются по сути сопротивления резисторов R1 и R2, которые имеют величину от единиц до десятков кОм. При увеличении величин этих сопротивлений приходится увеличивать сопротивления R3 и R4, что приводит к уменьшению полосы пропускания усилителя и появлению дополнительных шумов. Решением данной проблемы является изолирование и развязка входов дифференциального усилителя при помощи двух повторителей напряжения по схеме неивертирующего усилителя. Схема такого дифференциального усилителя представлена ниже
Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ.
Схема состоит из двух операционных усилителей включённых по схеме повторителя напряжения, входное сопротивление которых очень велико (десятки-сотни МОм), поэтому сопротивление источника сигнала практически не влияет на входное напряжение. На нагрузке RH итоговое напряжение будет зависеть от разности входных напряжений
Особенностью данной схемы является то, что она имеет дифференциальный выход
, то есть сопротивление нагрузки подключается только к выходам операционных усилителей DA1 и DA2
Для решения, проблемы упрощения регулирования коэффициента усиления дифференциального усилителя, может быть применена схема состоящая, как и предыдущая из двух повторителей напряжения с включением на дифференциальном выходе, параллельно сопротивлению нагрузки, дополнительно трёх последовательных резисторов. Данная схема изображена ниже
Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором.
Данная схема состоит из двух ОУ DA1 и DA2, включённых по схеме повторителя напряжения и резисторов R1, R2 и R3, причём R1 = R3 = R.
Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями UBX1 и UBX1.
Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит
Так как резисторы R1, R2 и R3 включены последовательно, то такой же ток протекает и через резисторы R1 и R3. Тогда, с учётом того что R1 = R3 = R, выходное напряжение на сопротивлении нагрузки составит
Легко заметить, что выходное напряжение зависит от отношения сопротивлений R1, R2 и R3, поэтому изменяя величину сопротивления резистора R2 можно изменять величину выходного напряжения, а, следовательно, и коэффициент усиления схемы. Приняв отношение сопротивлений R и R2, за некоторый коэффициент пропорциональности можно несколько упростить выражение для выходного напряжения
Вышеописанные дифференциальные усилители имеют один недостаток: работа усилителя возможна только на незаземлённую (плавающую) нагрузку
, то есть нагрузка не должна быть соединена с землёй. Для устранения данного недостатка необходимо на выход схемы добавить усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Таким усилителем является простейший дифференциальный усилитель, рассмотренный вначале статьи. Получившаяся схема носит название
измерительного или инструментального усилителя
.
Интегрированные или внешние резисторы подстройки усиления?
На рисунках 2 и 3 показаны конфигурации измерения тока на стороне низкого и высокого напряжений, в которых используются токовые усилители с интегрированными резисторами для настройки усиления. Такие интегрированные резисторы предлагают целый ряд конструктивных преимуществ, в том числе — упрощение конструкции, уменьшение количества компонентов платы и повышенную точность усиления с лазерной подгонкой. Один из основных недостатков таких усилителей заключается в том, что усиление постоянное и устанавливается на заводе. Это не составит проблемы, если настройка усиления подходит для данного применения. Однако в случае, если требуется особый коэффициент усиления, поскольку значение шунтового резистора было выбрано в первую очередь для соответствия другим критериям, предпочтительнее выбирать операционный усилитель в сочетании с дискретными резисторами.
На рис. 4 показана схема усилителя для измерений тока на стороне высокого напряжения на основе операционного усилителя MCP6H01 производства Microchip Technology с дискретными настройками коэффициента усиления настроечными резисторами.
Рис. 4. Измерение тока на стороне высокого напряжения с использованием дискретных резисторов и операционного усилителя
В этой схеме коэффициент усиления усилителя задается отношением R2 к R1. Также обратите внимание, что R1* = R1, R2* = R2, и что номинал токового шунтового резистора RSEN должен быть во много раз меньше, чем R1 или R2. Обычно это не проблема, потому что номинал токового шунтового резистора обычно составляет порядка миллиом или даже долей миллиом для схем с очень высоким током.
Формулы на рис. 4 дают понять, что использование операционного усилителя и дискретных резисторов требует больших знаний о параметрах компонентов, чем при использовании токовых усилителей с задающими усиление интегрированными резисторами.
Измерительный усилитель
Измерительный или инструментальный усилитель находит широкое применение в измерительных схемах и устройствах благодаря тому, что имеют коэффициент усиления, не зависящий от внешних факторов (частоты сигнала, амплитуды, сопротивления нагрузки и т.д.). Кроме того, измерительный усилитель обладает высоким входным сопротивлением (десятки и сотни МОм) и низким выходным сопротивлением (единицы и десятки Ом). Схема измерительного усилителя представлена ниже
Измерительный (инструментальный) усилитель на трёх ОУ.
Измерительный усилитель состоит из трёх операционных усилителей DA1, DA2, DA3 и резисторов обвязки R1, R2, R3, R4, R5, R6 и R7. Данный тип усилителя функционально состоит из двух узлов: буферного каскада на двух повторителях напряжения DA1, DA2 и дифференциального усилителя DA3. В данной схеме резисторы R4, R5, R6 и R7 выбирают одинакового сопротивления для того, чтобы коэффициент усиления выходного дифференциального усилителя был равен единице. Таким образом, при условии равенства сопротивлений резисторов R1 и R3 регулировка коэффициента усиления измерительного усилителя будет осуществляться с помощью резистора R2. В общем же случае коэффициент усиления данной схемы будет определяться следующим выражением
Довольно часто резистор R6 состоит из двух: постоянного и переменного резистора, что очень удобно для более точного согласования резисторов обвязки дифференциального усилителя DA3.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
О таких говорят: монстр, но красавец! А если еще он мягкий, теплый и пушистый внутри, то не быть очарованным и не влюбиться в него просто невозможно. Современная «лампа» зачастую бывает холодна, бескомпромиссна, как и окружающие ее цифровые компоненты, и это дань сегодняшнему времени. Но последние из могикан не утратили до конца свои традиции, сохраненные стараниями кудесников из Страны восходящего солнца. Японская компания Triode Corporation была основана чуть больше десяти лет тому назад и располагается в городе Косигая, что в тридцати километрах от Токио. Главным направлением бренда Tri (сокращенно от Triode) стала разработка и производство исключительно ламповой техники класса High End — сюда входят интегральные, предварительные, оконечные ламповые усилители и CD-плеер. В основном фирма делает классические однотактники и пуш-пульники. Любой аудиофил, да и вообще настоящий профессионал подтвердит, что ламповые усилители обладают серьезными преимуществами перед полупроводниковыми собратьями. Натуральность, цельность звучания, глубина, теплота, фактура полностью преодолевают жесткость и стерильность цифровых приборов. Tri имеет собственную элементную базу, опыт в наработке схемотехнических решений и выпускает аналоговую продукцию высочайшего уровня, причем по вполне доступной цене. Отсюда и мировое признание, масса полученных наград и самые лестные отзывы любителей музыки со всех континентов. Мы представляем вам однотактный ламповый интегральник Tri VP-300BD.
С трудом достав тяжеленный прибор из невзрачной коробки, переводим дух, однако его тут же снова захватывает — так нас удивляют одновременно неприступный, суровый вид всего Tri VP-300BD и изысканные элементы отделки шасси. Передняя панель изготовлена из толстого листа алюминия и филигранно обработана фрезой. Особый шик аппарату придают красивые боковые накладки из натуральной полированной вишни. Слева на фасаде находится сетевая клавиша, а справа, в почти прямоугольной нише, две круглые металлические ручки: селектор входов и регулятор громкости. Они, как и сама лицевая панель, гальванизированы и имеют легкий золотистый оттенок. Внутренняя поверхность ниши хромирована и отполирована до зеркального состояния.
Коммутация традиционна для ламповых усилителей — четыре стереопары, покрытые 24-каратным золотом, и два состоящих из трех винтовых клемм блока. Это сделано в целях оптимального сопряжения с акустикой, обладающей разным сопротивлением. И коль скоро мы этого коснулись, то сообщим, что устройство можно использовать с нагрузкой от 4 до 16 Ом. А что у нас на подиуме шасси? Ровно половину пространства занимают дроссель и два массивных трансформатора с Ш-сердечниками, которые закрыты монолитными стальными саркофагами. На переднем же фланге выстроились статные воины: четыре мощных SET-триода 300В, два двойных триода 6SN7 и замыкающий колонну двойной триод 12АТ7.
Для защиты ламп, а заодно и чересчур пытливых пользователей весь этот боевой расчет упрятан под крепкий металлический решетчатый колпак прямоугольной формы (его можно снять при смене деталей или для профилактических работ). Тип усилителя Tri VP-300BD — однотактник класса А (A.S.E.), где на выходе используются самостоятельные триоды, в то время как у двухтактников (push-pull) лампы в выходных каскадах работают в противофазе. Интересен тот факт, что примененные в данном приборе знаменитые лампы прямого накала 300B появились на свет еще в 1937 году и служили тогда для усиления телефонных сигналов. В предварительном каскаде трудятся две 6SN7 и корректирующая маломощная 12АТ7. Еще, в отличие от других современных моделей, здесь реализована технология fixed bias, то есть успех в звучании определяется тщательным подбором ламп, а не их автокалибровкой. Наверное, нет нужды говорить о том, что практически штучное устройство собирается исключительно вручную, включая пайку навесного монтажа. В схеме установлены эксклюзивные отборные конденсаторы Toichi и резисторы KOA японского производства. Для регулятора громкости и селектора входов предпочтение отдано изделиям фирмы ALPS, как поставщика высококачественных комплектующих.
Бытует мнение, что ламповый усилитель лучше использовать с проигрывателем винила. Но мы начали с более распространенного источника и подсоединили к Tri VP-300BD добротный CD-плеер высокого класса. Уже после первых тестовых композиций с фирменных аудиофильских дисков стало понятно, что усилитель властвует над «цифрой» и доносит до слушателя весьма облагороженное звучание. Конечно, объективно чудес не произошло, цифровая природа популярного носителя не изменилась, но субъективно саунд CD стал более комфортным, уменьшилась синтетика, в верхнем регистре почти исчезла агрессивность и жесткость. Конечно, это касается грамотно сведенных ранних изданий или очень удачных ремастеров. Тем не менее можно с уверенностью посоветовать усилитель Tri VP-300BD аудиоэстетам, которые, хотя и не планируют переходить на заманчивый и модный виниловый носитель, желают приблизиться к аналоговому звуку. А после того как к усилителю были подцеплены виниловая вертушка и хороший фонокорректор, начался настоящий праздник. Проверку на профпригодность мы открыли классикой рока и фолка первой половины бунтарских семидесятых. Но перед этим не преминули насладиться ритмами ностальгического бита. Записи Animals, первого состава Manfred Mann, The Hollies, The Kinks, The Who играли эмоционально и свежо, но сохраняли шарм некоего несовершенства самой записи и сведения. Последние альбомы «Битлз» звучали волшебно и празднично, подтверждая статус четверки как непревзойденных поп-королей. Потом «заскрипели» вечные их соперники — The Rolling Stones, и снова энергетика, казалось бы, примитивной музыки била через край. А как роскошно Tri VP-300BD исполнил фолк и фолк-рок! Огромное наслаждение доставил американский дуэт Саймона и Гарфункеля, английские певуны из Amazing Blondel и его высочество Донован Лейч. Ну а дальше все пошло по накатанной дорожке: мы пробежались по арт-року и прогрессиву и плавно переместились к воде, над которой стелется дым, — как же можно было пропустить знаменитый альбом Deep Purple «Machine Head»? Затем началось утяжеление материала — решено было побаловать себя Black Sabbath на спиральных оригиналах и пластинками Led Zeppelin исключительно английских прессингов, которые, по мнению меломанов, звучат намного лучше других. Ни на одном альбоме мы не услышали никаких недоразумений, и поиски непременной ложечки дегтя в этой бочке меда стали сложной задачей. Дело в том, что однотактная схема не предполагает большой выходной мощности, и к таким устройствам лучше подбирать акустику с высокой чувствительностью, поскольку простое выкручивание регулятора громкости на полную катушку пользы не принесет. В нашем случае именно в рок-музыке ощущалась нехватка нижнего баса, либо же он был слишком рыхлый и ватный. Спасала положение средняя область нижнего регистра — она как бы работала за двоих и минимизировала дискомфорт. Ко всему остальному у нас претензий не возникло. Ну вот, скажет нетерпеливый читатель, опять все рок да рок. А утонченное и высокое? Спешим успокоить апологетов хорошего джаза, камерной музыки, классических произведений: причин, чтобы не приобрести замечательный ламповый усилитель Tri VP-300BD, у вас нет. С записями этих жанров он справляется легко, профессионально и филигранно. И за хорошую универсальность можно добавить еще балл.
Результаты измерений
На графике амплитудно-частотной характеристики интегральный усилитель Tri VP-300BD демонстрирует весьма широкую полосу пропускания. Рабочий диапазон простирается до 75 кГц по уровню –3 дБ (рис. 1). Неравномерность характеристики в полосе звуковых частот не превышает 0,23 дБ, а разбалансировка каналов совсем небольшая, и составляет 0,2 дБ. Нелинейные искажения заметно растут с увеличением выходной мощности, что естественно для ламповых усилителей, но в данном случае практически не зависят от частоты сигнала (рис. 2). Максимальная мощность при 10% КНИ и нагрузке 8 Ом составляет 15 Вт. Отметку в 1% графики пересекают в районе 4 Вт. Выходное сопротивление бывает лучше, но не часто. Коэффициент демпфирования равен 7,5. Взаимопроникновение сигнала между каналами достаточно большое и в ВЧ-области будет различимо на слух (рис. 3). На частоте 10 кГц ослабление сигнала между правым и левым каналом составляет менее 40 дБ.
Паспортные данные: Тип – интегральный ламповый усилитель | Название – Tri VP-300BD | Выходная мощность (при нагрузке 8 Ом), Вт – 20 x 2 | Частотная характеристика, Гц – 5—60 000 (по уровню ±0,5 дБ) | Гармонические искажения (1 кГц, 1 Вт), % – менее 0,1 | Отношение сигнал/шум, дБ – 95 | Аудиовходы – стереопары RCA (4) | Энергопотребление, Вт – 250 | Габариты, см – 43 x 21 x 32 | Масса, кг – 20
Оценки: Дизайн — 95% Качество изготовления — 95% Звучание — 90% Эргономика — 90%
Итоговая оценка — 90%
Плюсы: классический дизайн, потрясающая богатая отделка, качество сборки, живой и тембрально богатый звук Минусы: проблемы с нижним басом
Вывод: Для любителей и почитателей настоящего винтажного аналогового звука. Для тех, кто ценит в саунде изысканность, предпочитает шарм, изюминку и распознает ауру живого организма. Им стоимость такого устройства не покажется слишком высокой
По материалам: hi-fi.ru
Стабилизатор цепи сеточного смещения с регулируемым выходным напряжением