Как измерять параметры дифференциального усилителя двумя мультиметрами

Когда вы собираете или чините дифференциальный усилитель — неважно, на операционном усилителе или на дискретных транзисторах — рано или поздно встаёт вопрос: а как реально проверить, что он работает так, как должен? Не на слух, не «светодиод горит, значит ок», а по конкретным параметрам. Коэффициент усиления, синфазный сигнал, смещение выхода, баланс плеч — всё это можно измерить обычным двуканальным мультиметром, если знать, что и как делать.

Под «двуканальным мультиметром» я понимаю либо два синхронизированных прибора, либо один мультиметр с режимом relative и возможностью одновременного контроля двух точек. Реже — осциллограф, но в этой статье речь именно о мультиметрах: они есть почти у каждого практика, и при грамотном подходе дают достаточно точные результаты.

Что именно мы измеряем

Прежде чем приставлять щупы, определимся: какие параметры дифференциального усилителя имеет смысл мерить мультиметром.

• Дифференциальное усиление (A_d). Насколько выходной сигнал реагирует на разницу между входами.
• Синфазное усиление (A_cm). Насколько выход реагирует на сигнал, поданный одновременно на оба входа.
• Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR). Отношение дифференциального усиления к синфазному — главный показатель качества диффка.
• Постоянное смещение выхода (offset). Какое напряжение на выходе, когда на входах ноль.
• Входной ток смещения. Ток, протекающий во входные цепи — влияет на точность.
• Баланс усиления плеч. Насколько симметрично усиливаются «плюсовый» и «минусовый» входные сигналы.

Всё это — статические или низкочастотные параметры. Мультиметр не заменит осциллограф на высоких частотах, но для постоянного напряжения и низких частот (вплоть до сотен герц) его хватает с головой.

Подготовка: что нужно перед началом измерений

Первое правило — усилитель должен быть в рабочем режиме. Это значит:

1. Питание подано правильно. Проверьте полярность, уровни напряжения. Если усилитель ждёт ±15 В, а вы дали +12 и 0 — результаты измерений будут бессмысленны.
2. Нагрузка подключена (или отключена) осознанно. Некоторые схемы ведут себя по-разному с нагрузкой и без. Если измеряете «вхолостую», зафиксируйте это — будете знать, почему потом в реальной схеме цифры чуть другие.
3. Входы защищены от наводок. Дифференциальный усилитель усиливает разницу — и если к входам идут длинные провода, они работают как антенны. Замкните оба входа на землю перед первым включением и измерьте offset именно в таком состоянии.
4. Мультиметр прогрет и откалиброван. Не нужно фанатизма, но хотя бы убедитесь, что при закороченных щупах он показывает 0 (или запомните эту погрешность).

Измерение постоянного смещения выхода

Самый простой и важный тест. Если усилитель крив по смещению, все остальные измерения будут зашумлены.

Что делаем:

1. Соединяете оба входа с общей точкой (землёй). Сигнала нет — дифференциальное напряжение между входами равно нулю.
2. Первый мультиметр ставите на выход усилителя — измеряете постоянное напряжение.
3. Второй мультиметр — на питание (или на опорную точку схемы, если она есть).

Что получаем: на выходе должно быть 0 В (или близко к нулю, в зависимости от допусков схемы). Показания второго прибора контролируют, что питание стабильно — если оно плавает, и выходное смещение будет плавать следом.

Реальный пример: для усилителя с типичным входным напряжением смещения 1 мВ и коэффициентом усиления 100 на выходе ожидаем смещение порядка 100 мВ. Если прибор показывает полвольта — что-то серьёзно не так: либо резисторы в обвязке перепутаны по номиналам, либо ОУ повреждён.

Дифференциальное усиление: подаём малый сигнал и смотрим на выходе

Чтобы измерить A_d, нужно подать известное дифференциальное напряжение на вход и измерить отклик на выходе.

Пошагово:

1. Источник сигнала — лучше всего регулируемый блок питания с точной подстройкой, либо делитель напряжения с потенциометром, чтобы получить маленькое, но стабильное напряжение. Диапазон: единицы-десятки милливольт для типичных схем.
2. Подключаете этот сигнал к одному из входов, второй вход — на землю. Получаете дифференциальное напряжение V_in.
3. Первый мультиметр держите на выходе — мерите выходное напряжение V_out. Обязательно учитываете постоянную составляющую смещения, которую измерили на предыдущем шаге (вычитаете её).
4. Второй мультиметр — на самом входном сигнале, чтобы точно знать, что подали. Это важно: реальное напряжение на выводах может отличаться от расчётного из-за наводок и сопротивления цепей.
5. Считаете коэффициент усиления: A_d = (V_out − V_offset) / V_in.

Важный нюанс: подавали сигнал на «+» вход — получили одно усиление; инвертировали его (подали тот же сигнал на «−» вход) — получили второе. В идеале модули должны совпадать. Если разница заметная — схема перекошена, нужно проверять номиналы резисторов.

Синфазное усиление и CMRR

Подать на оба входа одинаковое напряжение и посмотреть, сколько это «пробьётся» на выход. Именно по этому параметру оценивают, насколько хорошо усилитель подавляет помехи, приходящие по обоим проводам.

1. Соедините оба входа вместе. Сигнал подавайте на эту общую точку — теперь на входах идентичное напряжение.
2. Мультиметр №1 на выходе — измеряете выходной сигнал V_{out_cm}.
3. Мультиметр №2 на входной синфазный сигнал V_{in_cm}.
4. Считаете A_cm = (V_{out_cm} − V_offset) / V_{in_cm}.

CMRR в децибелах:

CMRR (дБ) = 20 × log₁₀(Ad / Acm)

Для нормального инструментального усилителя должно быть 80 дБ и выше, для дешёвых решений может быть 40-60 дБ. Если у вас CMRR оказался около нуля — скорее всего, резисторы в одном из плеч имеют неправильное сопротивление, либо усилитель повреждён.

Баланс плеч и входные токи смещения

Дифференциальный усилитель симметричен только на бумаге. Резисторы имеют допуски, входные токи ОУ не одинаковы. Проверить баланс можно так:

1. Подать одинаковое напряжение на оба входа (не соединённые между собой!). Для этого удобен делитель с низким выходным сопротивлением.
2. Измерить выходное напряжение. В идеале — только смещение, усиленное. Любая асимметрия — признак перекоса плеч.
3. Для измерения токов смещения: разорвите по очереди цепи каждого входа, включите мультиметр в разрыв (режим измерения микротоков/миллитоков) — сравните показания. Больший ток — тот вход «тянет» сильнее.

Если разница токов смещения существенную — можно подобрать резисторы, чтобы минимизировать ошибку. Например, добавить последовательно с высокоомным входом подстроечный резистор и добиться минимального смещения.

Что и как измерять в зависимости от ситуации

Не всегда нужно сразу мерить всё. Вот три типовых сценария и то, на что обращать внимание в первую очередь.

Сценарий 1: Усилитель только что собран и не работает

Начинайте с постоянного смещения выхода и напряжений питания. Если на выходе сплошные отрицательные напряжения или «упёрлись в край» — ищите ошибку в обвязке. Не тратьте время на CMRR, пока выход не будет более-менее около нуля при нулевом входе.

Сценарий 2: Нужно сравнить несколько однотипных усилителей

Тут полезен метод относительных измерений. Выставляете на входе одинаковое напряжение (контролируете вторым м