Wzmacniacz różnicowy

Czasami zachodzi potrzeba odjęcia dwóch sygnałów. Klasycznym przykładem jest pomiar prądu przy pomocy rezystora, co jest praktykowane w różnorodnych zasilaczach i falownikach, przy odczytywaniu temperatury z termopar czy z napięć z mostków Wheatstone'a. Najprościej wtedy sięgnąć po wzmacniacz odejmujący, zwany również różnicowym (ale nie wolno go pomylić ze wzmacniaczem różniczkującym!). Jeśli zależy nam wyłącznie na różnicy między dwoma napięciami, wystarczy jeden wzmacniacz i cztery identyczne rezystory.

Jednak często mamy do czynienia z napięciami bardzo małymi, więc przydałoby się, by oprócz odejmowania nasz układ jednocześnie wzmacniał otrzymaną różnicę. Wtedy należy zastosować nieznacznie zmodyfikowaną wersję schematu, różniącą się wartościami rezystorów.

Nic nie stoi na przeszkodzie, by jeszcze bardziej namieszać z wartościami rezystorów, jednak jeszcze nie widziałem, by ktoś zastosował taki układ, jak poniżej:

Mimo, że wzór przy trzecim schemacie jest już dość mocno zagmatwany, to wciąż działanie układu jest banalnie proste. R3 i R4 tworzą zwyczajny dzielnik napięcia. Napięcie na wejściu nieodwracającym wzmacniacza (+) jest takie samo jak na wejściu odwracającym (-), bo tak stanowią trzy podstawowe zasady działania wzmacniacza, opisane w poprzednich artykułach. Jeśli wiemy już, jakie jest napięcie na wejściu odwracającym (-) oraz znamy napięcie wejściowe V1, to wiemy jakie napięcie występuje na rezystorze R1. Dalej, z prawa Ohma, obliczymy jaki prąd przez niego płynie, a ten prąd płynie dalej przez R2. Znając rezystancję R2 obliczymy spadek napięcia na tym rezystorze, a to da nam końcowy wynik. Nie jest to trudne! Zachęcam do samodzielnego przeanalizowania tego układu z jakimiś przykładowymi rezystorami i napięciami wejściowymi - jest on prostszy niż myślisz!

Wzmacniacz różnicowy ma niestety dwie poważne wady, które skreślają go w wielu sytuacjach. Przede wszystkim, jego rezystancja wejściowa jest niewielka i zależna od wartości rezystorów (podobnie jak we wzmacniaczu odwracającym). W przypadku, gdy mierzymy bardzo słaby sygnał z termopary czy mostka Wheatstone'a, to wzmacniacz będzie nam wprowadzał istotny błąd do układu pomiarowego. 

Druga wada polega na tym, że nie można łatwo zmienić wzmocnienia. Aby to zrobić, należałoby zmienić jednocześnie wartość dwóch rezystorów, co w praktyce jest bardzo trudne. Trzeba by mieć dwa potencjometry z jedną wspólną gałką, lub wprowadzić jakiś układ multiplekserów analogowych, co mogłoby się stać znacznym przerostem formy nad treścią. Tak więc wzmacniacz różnicowy jest prosty, ale jego praktyczne zastosowanie jest dość mocno ograniczone - lepiej skorzystać z niewiele bardziej skomplikowanego, jednak dużo lepszego wzmacniacza instrumentalnego.