Deocamdată, am folosit doar una dintre intrările amplificatorului operațional (A.O.) pentru conectarea la amplificator, folosind fie terminalul de intrare "inversoare" sau "ne-inversoare" pentru a amplifica un singur semnal de intrare, cu cealaltă intrare conectată la masă.

Dar, deoarece un A.O. standard are două intrări, care inversează și nu inversează, putem conecta semnale la ambele intrări, producând în același timp un alt tip comun de circuit A.O. numit amplificator diferențial.

Practic, toate A.O. sunt "Amplificatoare diferențiale" datorită configurației lor de intrare. Dar, prin conectarea unui semnal de tensiune pe un terminal de intrare și un alt semnal de tensiune pe celălalt terminal de intrare tensiunea de ieșire rezultată va fi proporțională cu „diferența“ dintre cele două semnale de tensiune de intrare V1 și V2.

Deci, amplificatorul diferențial amplifică diferența dintre două tensiuni care fac acest tip de circuit A.O. un scăzător spre deosebire de un amplificator sumator care adună sau însumează împreună tensiunile de intrare. Acest tip de circuit A.O. este cunoscut sub numele de configurație de amplificator diferențial și este prezentat mai jos:

Amplificator diferențial

Conectând fiecare intrare la rândul său la 0 V la masă, putem folosi suprapunerea pentru a rezolva tensiunea de ieșire Vout. Atunci, funcția de transfer pentru un circuit amplificator diferențial este dată de:

Când rezistoarele R1 = R2 și R3 = R4, funcția de transfer de mai sus pentru amplificatorul diferențial poate fi simplificată la următoarea expresie:

Ecuația amplificatorului diferențial

Dacă toate rezistoarele au aceeași valoare ohmică, adică R1 = R2 = R3 = R4 atunci circuitul va deveni amplificator diferențial cu câștig unitate și câștigul de tensiune al amplificatorului va fi exact unu sau unitate. Atunci expresia de ieșire ar fi pur și simplu Vout = V2 - V1.

De asemenea, rețineți că, dacă intrarea V1 este mai mare decât intrarea V2, suma tensiunii de ieșire va fi negativă, iar dacă V2 este mai mare decât V1, suma tensiunii de ieșire va fi pozitivă.

Circuitul amplificator diferențial este un circuit A.O. foarte util și prin adăugarea mai multor rezistoare în paralel cu rezistoarele de intrare R1 și R3, circuitul rezultat poate fi făcut fie să „adune“ fie să „scadă“ tensiunile aplicate la intrările respective. Una dintre cele mai comune metode de a face acest lucru este de a conecta o "punte rezistivă", numită în mod obișnuit Punte Wheatstone, la intrarea amplificatorului, după cum se arată mai jos.

Amplificator diferențial cu punte Wheatstone

Circuitul standard de amplificator diferențial devine acum un comparator de tensiune diferențială prin compararea unei tensiuni de intrare cu cealaltă. De exemplu, prin conectarea unei intrări la o referință de tensiune fixă setată la un braț al rețelei de punte rezistivă și cealaltă la un "termistor" sau la un "rezistor dependent de lumină", ​​circuitul amplificator poate fi utilizat pentru a detecta nivelele de temperatură sau de lumină, fie scăzut, fie ridicat, deoarece tensiunea de ieșire devine o funcție liniară de variațiile din brațul activ al punții rezistive și acest lucru este demonstrat mai jos.

Amplificator diferențial activat de lumină

Aici circuitul de mai sus acționează ca un comutator activat de lumină care comută releul de ieșire fie "ON", fie "OFF", deoarece nivelul luminii detectat de rezistorul LDR depășește sau scade sub o valoare prestabilită. O referință de tensiune fixă ​​este aplicată la terminalul de intrare neinversoare a A.O. prin rețeaua de divizare a tensiunii R1 - R2.

Valoarea tensiunii la V1 stabilește punctul de declanșare al A.O. cu un potențiometru de feedback VR2 folosit pentru a seta histerezisul de comutare. Acesta este diferența dintre nivelul luminii pentru "ON" și nivelul luminii pentru "OFF".

Al doilea braț al amplificatorului diferențial constă dintr-un rezistor standard dependent de lumină, cunoscut și ca un senzor fotorezistiv LDR care își schimbă valoarea rezistivă (de aici și numele său) cu cantitatea de lumină pe celula sa, deoarece valoarea lui rezistivă este o funcție de iluminare.

LDR poate fi orice tip de celulă fotoconductivă cu cadmiu-sulfură (CdS), cum ar fi NORP12 comun, care are o gamă rezistivă între aproximativ 500 Ω în lumina soarelui până la aproximativ 20 kΩ sau mai mult în întuneric.

Celula fotoconductivă NORP12 are un răspuns spectral similar cu cel al ochiului uman, ceea ce îl face ideal pentru utilizarea în aplicațiile de control al iluminării. Rezistența fotocelulei este proporțională cu nivelul luminii și scade cu creșterea intensității luminii, astfel încât nivelul de tensiune la V2 se va schimba deasupra sau sub punctul de comutare care poate fi determinat de poziția lui VR1.

Atunci, prin reglarea excursiei nivelului de lumină sau a poziției setate cu potențiometrul VR1 și histerezisul de comutare cu ajutorul potențiometrului VR2 poate fi realizat un comutator precis sensibil la lumină. În funcție de aplicație, ieșirea de la A.O. poate comuta direct sarcina sau poate folosi un tranzistor pentru a controla un releu sau chiar lămpi.

De asemenea, este posibil să se detecteze temperatura utilizând acest tip de configurație simplă a circuitului prin înlocuirea rezistorului dependent de lumină cu un termistor. Prin schimbarea pozițiilor VR1 și LDR, circuitul poate fi utilizat pentru detectarea fie a luminii sau a întunericului, fie a căldurii sau a frigului cu ajutorul unui termistor.

O limitare majoră a acestui tip de schemă a amplificatorului este aceea că impedanțele sale de intrare sunt mai scăzute în comparație cu cele ale altor configurații ale A.O., de exemplu, un amplificator ne-inversor (cu o singură intrare).

Fiecare sursă de tensiune de intrare trebuie să conducă curentul printr-o rezistență de intrare, care are o impedanță mai mică decât cea a intrării A.O. Acest lucru poate fi bun pentru o sursă de impedanță scăzută, cum ar fi circuitul punte de mai sus, dar nu atât de bun pentru o sursă de impedanță mare.

O modalitate de a depăși această problemă este de a adăuga un amplificator buffer cu câștig unitate, cum ar fi repetorul de tensiune din tutorialul anterior la fiecare rezistor de intrare. Acest lucru ne dă un circuit de amplificare diferențial cu impedanță de intrare foarte mare și impedanță redusă de ieșire, deoarece constă din două buffer-e ne-inversoare și un amplificator diferențial. Aceasta formează apoi baza pentru majoritatea "Amplificatoarelor de instrumentație".

Amplificator de instrumentație

Amplificatorul de instrumentație (in-amp) este un amplificator diferențial cu câștig foarte mare, care are o impedanță mare de intrare și o ieșire cu un singur capăt. Amplificatorul de instrumentație este folosit în principal pentru a amplifica semnale diferențiale foarte mici de la mărci tensometrice, termocuple sau dispozitive de detectare a curentului în sistemele de comandă a motorului.

Spre deosebire de A.O. standard în care câștigul în buclă închisă este determinat de un feedback extern rezistiv conectat între terminalul de ieșire și un terminal de intrare, fie pozitiv, fie negativ, amplificatorul de instrumentație are un rezistor de feedback intern care este efectiv izolat de terminalele de intrare deoarece semnalul de intrare este aplicat pe două intrări diferențiale, V1 și V2.

Amplificatorul de instrumentație are, de asemenea, un raport foarte bun de rejectare a modului comun CMRR (ieșire zero atunci când V1 = V2) cu mult peste 100 dB la DC. Un exemplu tipic al unui amplificator de instrumentație cu trei A.O. cu o impedanță de intrare mare (Zin) este dat mai jos:

Amplificator de instrumentație cu impedanță de intrare ridicată

Cele două amplificatoare ne-inversoare formează un etaj de intrare diferențială care acționează ca amplificatoare tampon cu un câștig de 1+ 2R2/R1 pentru semnale de intrare diferențiale și câștigul unitate pentru semnalele de intrare de mod comun. Deoarece amplificatoarele A1 și A2 sunt amplificatoare cu feedback negativ în buclă închisă, se poate aștepta ca tensiunea la Va să fie egală cu tensiunea de intrare V1. La fel, tensiunea la Vb este egală cu valoarea la V2.

Deoarece A.O. nu au curent la terminalele lor de intrare (masă virtuală), același curent trebuie să curgă prin cele trei rețele de rezistoare R2, R1 și R2 conectate pe ieșirile A.O. Aceasta înseamnă că tensiunea la capătul superior al lui R1 va fi egală cu V1, iar tensiunea la capătul inferior al lui R1 va fi egală cu V2.

Aceasta produce o cădere de tensiune pe rezistorul R1 care este egală cu diferența de tensiune dintre intrările V1 și V2, tensiunea de intrare diferențială, deoarece tensiunea la joncțiunea de însumare a fiecărui amplificator Va și Vb este egală cu tensiunea aplicată intrărilor sale pozitive.

Totuși, dacă se aplică o tensiune de mod-comun la intrarea amplificatoarelor, tensiunile de pe fiecare parte a lui R1 vor fi egale și nici un curent nu va curge prin acest rezistor. Deoarece nici un curent nu curge prin R1 (nici prin ambele rezistoare R2, amplificatoarele A1 și A2 vor funcționa ca repetoare (buffere) cu câștig unitate. Deoarece tensiunea de intrare la ieșirile amplificatoarelor A1 și A2 apare diferențial pe cele trei rețele de rezistoare, câștigul diferențial al circuitului poate fi variat prin modificarea valorii R1.

Ieșirea de tensiune de la A.O. diferențial A3 acționează ca un scăzător, este pur și simplu diferența dintre cele două intrări ale sale (V2 - V1) și amplificată de câștigul lui A3 care poate fi unu, unitatea (presupunând că R3 = R4). Atunci, avem o expresie generală pentru câștigul global de tensiune al circuitului amplificator de instrumentație ca:

Ecuația amplificatorului de Instrumentație

În următorul tutorial despre A.O. vom examina efectul tensiunii de ieșire Vout când rezistorul de reacție este înlocuit cu o reactanță dependentă de frecvență sub forma unei capacități. Adăugarea acestei capacități de feedback produce un circuit A.O.l neliniar numit amplificator integrator.