Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2011
Dave Van Ess
Electronic Design
Наверняка, вам противны подобные вопросы. Типичные вопросы викторины, проводимой в пивнушке, с наиболее вероятной целью – вынудить вас купить всем по кружке пива. С одной стороны, вы чувствуете подвох, и совершенно уверены, что ответ «не белый». Но, в то же время, допускаете, что остается ничтожный шанс другого ответа, и игнорирование такой возможности может сделать вас дураком в глазах окружающих.
Что вы будете делать в такой ситуации? Промолчите, и будете слушать очередную байку подвыпившего приятеля? Или, просто купите на всех пива? А может быть, вы предпочтете задать всему пабу встречный, беспроигрышный вопрос: сколько входов у дифференциального усилителя?
Начнем подсчеты
Импульсивным ответом может быть «два», и, в известном смысле, это будет правильно. На Рисунке 1 показан идеальный дифференциальный усилитель. Уравнение 1 описывает взаимосвязь между входами и выходами идеального дифференциального усилителя:
 |
(1) |
 |
|
| Рисунок 1. | Символическое изображение идеального дифференциального усилителя. Усилитель имеет два входа и один выход. |
Пока что входов два.
С реальным усилителем связано очень важное понятие – коэффициент усиления синфазного сигнала. Это усложняет уравнение, и оно приобретает вид:
 |
(2) |
Коэффициент усиления синфазного сигнала (CMRR) – это отношение двух коэффициентов усиления (CMRR = Gaind/Gainc). Понятие CMRR эквивалентно наличию в усилителе дополнительного дифференциального входа для синфазного сигнала. Величина CMRR всегда указывается в справочных данных.
Количество входов возросло до четырех.
Реальные усилители имеют выводы питания, являющиеся для усилителей входами (Рисунок 2), которые также оказывают влияние на выход:
 |
(3) |
 |
|
| Рисунок 2. | У реального усилителя должны быть выводы питания. Это тоже входы. |
Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (PSRR) – это тоже отношение двух коэффициентов усиления (PSRR = Gaind/Gainp), показывающее, какая доля пульсаций питания доходит до выхода.
Чтобы уменьшить уровень пульсаций, проникающих на выход, либо улучшают качество источника питания, либо берут усилитель с бóльшим PSRR. В общем случае, усилители с хорошим CMRR имеют также хороший PSRR.
Да, кстати, входов стало шесть.
У реальных усилителей есть ошибки смещения и шумы. Эти входы тоже вносят вклад в выходной сигнал:
 |
(4) |
Шум, как и напряжение смещения, приводят к входу усилителя. Эти параметры определяются конструкцией усилителя, и очень сильно влияют на его стоимость. Кроме того, они доводят количество входов до восьми.
Разумеется, все коэффициенты усиления являются функциями частоты:
 |
(5) |
Таким образом, частота – тоже вход, количество которых достигло девяти.
Шумы зависят от температуры, остальные коэффициенты усиления – тоже:
 |
(6) |
С температурой мы насчитали 10 входов.
Итог
Итак, я останавливаюсь на десяти. Может быть, на 11 или 12, если из теплового шума выделить шум 1/f и дробовой шум. Любой из обсуждавшихся параметров можно найти в справочных данных. Если вы не получили от усилителя ожидаемых характеристик – значит какой-то из этих параметров вы пропустили.
Все сказанное относится и к аналого-цифровым преобразователям (АЦП). АЦП – это просто усилитель с цифровым выходом. Если вы знаете о каких-то других входах, пожалуйста, свяжитесь со мной. Сидя в следующий раз в пабе я не хотел бы выглядеть умнее других.
Постскриптум
Конь Джорджа Вашингтона был серым, как сивый мерин. Серые лошади, родившиеся с темной кожей и серой шерстью, с возрастом часто становятся совершенно белыми. Белые рождаются с белой шерстью и розовой, как у крысят, кожей. А теперь, пожалуйста, кто-нибудь, предложите кандидатуру моей персоны для книги Гиннеса.
В формулах использовались следующие обозначения:
|
V+In, V–In
|
Напряжения на входах
|
|
V+p, V–p
|
Амплитуда пульсаций напряжения на выводах питания
|
|
V+Out, V–Out
|
Напряжение на выходе
|
|
Gainc
|
Коэффициент усиления синфазного сигнала
|
|
Gainp
|
Коэффициент усиления пульсаций напряжения питания
|
|
Gainn
|
Коэффициент усиления шумов
|
|
ηrti
|
Приведенное ко входу напряжение шумов
|
