Amplificateur différentiel | Ça marche | 4 Facteurs importants et applications

Introduction

Les amplificateurs différentiels sont les blocs de construction les plus largement utilisés dans la conception de circuits intégrés analogiques. Un amplificateur différentiel est essentiellement un circuit électronique qui se compose de deux entrées, une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse fonctionnant dans une configuration de rétroaction négative. L'amplificateur différentiel amplifie essentiellement la différence entre les tensions d'entrée appliquées dans ces deux bornes d'entrée et rejette tout signal commun à ces deux bornes d'entrée

Fondamentalement, tous les amplificateurs opérationnels sont des amplificateurs différentiels car tous ont la même configuration d'entrée. Si un signal de tension d'entrée est appliqué sur l'une des broches d'entrée et qu'un autre signal de tension est appliqué à l'autre broche plutôt que d'être mis à la terre, la tension de sortie résultante est proportionnelle à la variance entre les deux tensions d'entrée connectées dans les deux bornes d'entrée respectives.

Amplificateur différentiel
 Amplificateur différentiel avec ampli opérationnel non idéal, crédit d'image - Arthur Ogawa, Impédance d'entrée de l'amplificateur différentiel amplificateur opérationnel et polarisation communeCC BY-SA 1.0

Construction et travail

Considérons le circuit, qui est représenté sur la figure (a), avec les entrées Vi1 Et Vi2. Pour analyser le circuit, nous utiliserons le concept de superposition et de court-circuit virtuel. La figure (b) montre le circuit avec Vi2 = 0. Aucun courant ne circulera dans R3 Et R4; donc, V2a = 0. Le circuit résultant se comportera comme un amplificateur inverseur donc,

Amplificateur différentiel
Circuit d'amplificateur différentiel

  L'amplificateur de différence dans le circuit ci-dessus se compose à la fois d'une configuration d'amplificateur inverseur et non inverseur.

Alors que, si la broche inverseuse est mise à la terre, le circuit agit comme un amplificateur non inverseur, comme indiqué dans les schémas de circuit respectifs. Lorsque les bornes d'entrée inverseuses sont mises à la terre, R2et R1 fonctionne comme les composants de rétroaction connectant la borne de sortie et la borne inverseuse et une condition de rétroaction appropriée est obtenue pour l'amplificateur non inverseur.

Amplificateur différentiel
Amplificateur différentiel

La figure (c) montre le circuit avec Vi1 = 0. Maintenant, le courant de l'ampli-op est 0. Donc, R3 Et R4 forment un diviseur de tension. Donc,

Du concept de court-métrage virtuel, nous obtenons, V1b = V2b et le circuit devient un amplificateur non inverseur, pour lequel

En substituant dans les équations ci-dessus, nous obtenons

Or

Puisque la tension de sortie nette est la somme de termes individuels, nous avons

                                                                              V0 = V01 + V02

Or                                                       

Une propriété d'un amplificateur différentiel idéal est que la tension de sortie est nulle lorsque Vi1 = Vi2. Lors de l'analyse de la dernière équation, cette condition est remplie si

La tension de sortie est alors,

Nous pouvons ajouter de manière appropriée des résistances supplémentaires en connexion parallèle avec les résistances d'entrée selon nos besoins, et le circuit d'amplificateur différentiel peut être configuré pour l'ajouter ou le soustraire selon nos besoins.

Quelques termes importants liés à l'amplificateur différentiel

Résistance d'entrée différentielle:

Dans la figure, nous avons défini la condition et avons défini R= R3 Et R= R4. La résistance d'entrée est alors définie comme,

Amplificateur différentiel

En tenant compte du concept de court-circuit virtuel, nous pouvons écrire l'équation de boucle suivante,

V= iR+ iR1 = i (2R1)

Par conséquent, la résistance d'entrée est R= 2R1

Signal d'entrée en mode commun:

: Dans l'amplificateur de différence idéal, une entrée de mode commun Vcm ferait les entrées (Vi1 + Vcm) et (Vi2 + Vcm), c'est-à-dire qu'il est ajouté à chacune des tensions d'entrée appliquées et, par conséquent, il sera annulé lorsque la différence des deux tensions d'entrée est prise et amplifiée.

La sortie Vest zéro quand Vi1 = Vi2. Cependant, si ces rapports de résistance ne sont pas exactement égaux, c'est-à-dire

 , alors, en conséquence, la tension de mode commun Vcm ne s’annulera pas complètement.

Comme il est pratiquement impossible d'avoir des rapports de résistance de valeurs parfaitement exactes, il est probable qu'une tension de sortie de mode commun soit présente.

Lorsque Vi1 = Vi2, l'entrée est appelée un signal d'entrée de mode commun. La tension d'entrée en mode commun peut être exprimée comme

le gain de mode commun peut alors être exprimé par,

Taux de rejet en mode commun (CMRR):

Le CMRR peut être expliqué comme la valeur de module du rapport du gain différentiel au gain en mode commun. Fondamentalement, c'est la capacité d'un amplificateur différentiel à rejeter les signaux d'entrée qui sont en mode commun.

                                                    CMRR =

Généralement, le CMRR est exprimé en dB,

CMRR (dB) =

Dans un monde idéal, le taux de rejet en mode commun est infini. Dans le cas de l'amplificateur différentiel réel, nous souhaitons que le CMRR soit aussi grand que possible.

Applications de l'amplificateur différentiel

Amplificateur différentiel Wheatstone Bridge

Amplificateur différentiel Wheatstone Bridge

Dans ce cas, les résistances sont disposées dans un pont de Wheatstone (résistif) de telle manière, peuvent fonctionner comme un comparateur de tension différentielle en comparant les tensions d'entrée.

Lorsqu'une tension d'entrée de référence fixe est appliquée à une extrémité du réseau du pont de Wheatstone et une thermistance ou une résistance dépendant de la lumière (LDR) à l'autre extrémité du réseau, le circuit peut être utilisé pour détecter différents niveaux de température ou de lumière intensité. La tension de sortie de ce circuit amplificateur opérationnel différentiel est une fonction linéaire des différences dans l'extrémité active du circuit dans laquelle se trouve la thermistance ou LDR.

 Un circuit différentiel de pont de Wheatstone utilisé pour calculer la valeur de la résistance inconnue par pro tem comme comparateur entre les tensions d'entrée aux bornes des résistances individuelles.

AMPLIFICATEUR DIFFÉRENTIEL SENSIBLE À LA LUMIÈRE

Amplificateur différentiel dépendant de la lumière

Le circuit différentiel dépendant de la lumière fonctionne comme un interrupteur dépendant de la lumière, qui donnera soit la sortie comme «on» ou «off» à l'aide d'un relais. La tension appliquée à V1 définit le point de déclenchement de l'amplificateur (fournit la valeur de seuil) et une résistance variable agissant comme un voltmètre VR2 est utilisé pour la commutation d'hystérésis.

 Sur la borne inverseuse de l'amplificateur différentiel, une résistance standard dépendante de la lumière est connectée, qui change sa valeur de valeur de résistance en fonction de la quantité de lumière sur son incident sur elle. La résistance de la photodiode présente dans le LDR est proportionnelle au niveau de lumière et diminue avec l'augmentation de l'intensité de la lumière, et par conséquent, le niveau de tension au point V2 variera également et selon qu'il est au-dessus ou en dessous du point de seuil, la résistance variable VR1 indiquera sa valeur.

Maintenant, lorsque la lumière se produit sur la résistance dépendant de la lumière (LDR), sur la base de son intensité, qu'elle dépasse ou reste inférieure à la valeur de seuil réglée à la borne d'entrée non inverseuse V1, la sortie indique ON ou OFF.

Le déclenchement du niveau de lumière ou la position de la valeur seuil peut être ajustée à l'aide du potentiomètre VR1 et le potentiomètre d'hystérésis de commutation VR2. Par conséquent, de cette manière, un commutateur sensible à la lumière peut être réalisé en utilisant un amplificateur différentiel.

Le circuit peut être configuré pour détecter les changements de température, en remplaçant le VR1 et le LDR, avec une thermistance et une résistance variable appropriée pour détecter la chaleur ou le froid. L'inconvénient d'un amplificateur différentiel est que l'impédance d'entrée est bien inférieure à celle des autres configurations de circuit d'amplificateur opérationnel. Un circuit amplificateur différentiel fonctionne bien pour les sources à faible impédance mais pas pour les sources à haute impédance. En utilisant un amplificateur de tampon de gain Unity, ce problème peut être surmonté.

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À propos d'Amrit Shaw

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