Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2014
Roy McCammon
EDN
Отношение сигнал/шум традиционного дифференциального усилителя, построенного на трех операционных усилителях (ОУ), можно улучшить на 6 дБ, добавив один резистор и слегка изменив соединения в схеме. При этом придется пожертвовать одним параметром: входное сопротивление измененной схемы будет ниже, чем у классической.
 |
| Рисунок 1. |
На Рисунке 1 показана классическая схема дифференциального усилителя, состоящего из трех ОУ. Для простоты положим, что A3 является идеальным нешумящим операционным усилителем, и сопротивления всех четырех резисторов, обозначенных R6, абсолютно одинаковы, так что выходное напряжение A3 в точности равно V1 – V2. При таких допущениях A3 будет идеальным вычитателем. Будем считать, также, что абсолютно одинаковы и резисторы, обозначенные как R1. Тогда выходные напряжения будут равны
где
Vn1 – шумовое напряжение ОУ A1 (среднеквадратичное значение равно Vn),
Vn2 – шумовое напряжение ОУ A2 (среднеквадратичное значение равно Vn).
Если R1 = 20 кОм и R3 = 1 кОм, то
Vout = 41Vs + 41Vn1 + 41Vn2.
Напряжения Vn1 и Vn2 имеют случайный характер, поэтому их полярность выбирается только из соображений удобства. Коэффициенты усиления сигнала и шума одинаковы, что позволяет выразить отношение сигнал/шум как
 |
| Рисунок 2. |
На Рисунке 2 изображена схема, представляемая в настоящей статье. Резистор R3 в ней был продублирован, а его связи изменены. Выходные напряжения этой схемы описываются выражениями
где
Если R1 = 20 кОм, и R3a = R3b = R3 = 1 кОм, то
Vout = 41Vs + 21Vn1 + 21Vn2
Отношение мощностей сигнала и шума выражается соотношением
что практически равно
Это примерно на 6 дБ лучше, чем у традиционной схемы. Что же произошло?
Чтобы найти ответ на этот вопрос, необходимо взглянуть на выходы A1 и A2 обычной схемы. На выходе A1 имеются как шумовая составляющая, обусловленная собственным внутренним источником, так и почти равная ему составляющая от усилителя A2, который, в свою очередь, также содержит шумы обоих ОУ. В новой схеме на выходах каждого ОУ присутствуют лишь шумы от собственных внутренних источников.
Резистор R3 связывает усилители A1 и A2. Vn1, внутренний источник напряжения шумов усилителя A1, воздействует на внутренний неинвертирующий вход Vp1, вследствие чего на выходе A1 присутствует шумовая компонента от собственного источника. Обычное действие отрицательной обратной связи приводит к тому, что напряжение в суммирующей точке A1 повторяет напряжение на его неинвертирующем входе, и в результате внутренний шум усилителя A1 появляется в его суммирующей точке Vj1 и через резистор R3 попадает в суммирующую точку усилителя A2. Таким образом, источник шума усилителя A1 проявляет себя как на выходе A1, так и A2. Точно также источник шума усилителя A2 проявляет себя на выходах обоих усилителей A1 и A2.
Новая схема работает таким же образом, за исключением того, что шум в суммирующей точке теперь приложен к резистору R3a, который подключен к обратной стороне низкоимпедансного источника, а не к суммирующей точке ОУ.
Кроме того, полоса пропускания новой схемы почти в два раза шире, чем у традиционной. В обычной схеме A1 получает часть сигнала от A2, а A2 получает часть сигнала от A1. Когда частота входного сигнала достигает точки излома частотной характеристики A1 и A2, каждый из усилителей начинает получать меньшую подпитку от другого усилителя. В новой же схеме на каждый из усилителей приходит сигнал только от входного источника. В итоге получается, что традиционный усилитель достигает спада 3 дБ на октаву раньше, чем новая схема.
Новая схема, сохранив все преимущества традиционной схемы, включая коэффициент подавления синфазного сигнала, отличается меньшими шумами и более широкой полосой пропускания. Однако у схемы есть и один недостаток: ее входное сопротивление равно R3, что в нашем случае составляет 1 кОм. По этой причине схема может использоваться только в таких приложениях, как, скажем, передающая линия на симметричной витой паре, типичное сопротивление которой равно 100 Ом.
