مضخمات تفاضلية - TINA و TINACloud Resources

مكبرات تفاضلية

تتكون معظم مكبرات الصوت التشغيلية من سلسلة من الترانزستورات والمقاومات والمكثفات التي تشكل نظامًا كاملًا على شريحة واحدة. مكبرات الصوت المتاحة اليوم موثوقة وصغيرة الحجم وتستهلك طاقة قليلة جدًا.

مرحلة إدخال معظم المرجع أمبير هو Dمضخم صوتي كما هو مبين في أبسط أشكاله في الشكل 1.

مضخمات تفاضلية ، مضخم تشغيلي عملي ، محاكاة دارة ، محاكي دارة ، تصميم دارة ،

الشكل 1 - مكبر الصوت التفاضلي

يتكون مكبر الصوت التفاضلي من اثنين من باعث مشترك إلى جانب باعث dc مكبرات الصوت. لديها اثنين من المدخلات ، v₁ و v₂و ثلاثة مخرجات v_o1, v_o2 و v_خارج. الناتج الثالث ، v_خارجهو الفرق بين v_o1 و v_o2.

خصائص نقل 1.1 العاصمة

لا يعمل مكبر الصوت التفاضلي خطيًا مع مدخلات إشارة كبيرة. من أجل تبسيط التحليل ، نفترض أن الطاقة المتجددة كبيرة ، وأن المقاومة الأساسية لكل ترانزستور لا تكاد تذكر وأن مقاومة الخرج لكل ترانزستور كبيرة. لاحظ أننا نستخدم REE بدلاً من RE في مكبر الصوت التفاضلي لأن المقاومة المستخدمة هنا كبيرة وقد تكون المقاومة المكافئة لمصدر حالي. القيمة الكبيرة لـ REE تحافظ على انخفاض الجهد المقاوم للباعث ثابتًا تقريبًا.
نحل الآن هذه الدائرة لجهد الإخراج. نبدأ بكتابة معادلة KVL حول حلقة الوصلة الأساسية لدائرة الشكل 1.

نحن بحاجة إلى إيجاد تعبيرات عن التيارات الجامع ، i_C1 و i_C2. يتم إعطاء الفولتية الباعثة الأساس بواسطة المعادلة ،

في المعادلة (2) I_o1 و I_o2 هي التيارات التشبع العكسي ل Q₁ و Q₂ على التوالي. يفترض أن تكون الترانزستورات متطابقة. الجمع بين المعادلات (1) و (2) العائد

حل المعادلة (3) للنسبة الحالية ، نجد ،

يمكننا أن نفترض i_C1 يساوي تقريبا i_E1 و i_C2 يساوي تقريبا i_E2. وبالتالي

الجمع بين المعادلات (4) و (5) ، لدينا

نلاحظ أن

يمكن إجراء ملاحظة مهمة من خلال عرض المعادلة (6). إذا v₁- v₂ يصبح أكبر من عدة مئات من الميلي فولت ، يصبح تيار المجمع في الترانزستور 2 صغيرًا ويتم قطع الترانزستور بشكل أساسي. جامع الحالي في الترانزستور 1 يساوي تقريبا i_EE، وهذا الترانزستور هو المشبعة. التيارات جامع ، وبالتالي الجهد الناتج v_خارج، تصبح مستقلة عن الفرق بين اثنين من الفولتية المدخلات.

يحدث التضخيم الخطي فقط لفروق جهد الدخل التي تقل عن 100 mV تقريبًا. من أجل زيادة المدى الخطي لجهد الإدخال ، يمكن إضافة مقاومات باعث صغيرة.

1.2 مكاسب الوضع المشترك و الوضع التفاضلي

يهدف مكبر الصوت التفاضلي إلى الاستجابة فقط للفرق بين الفولتين الإدخال ، v₁ و v₂. ومع ذلك ، في العملية العملية ، يعتمد الإخراج إلى حد ما على مجموع هذه المدخلات. على سبيل المثال ، إذا كان كلا المدخلين متساويين ، فيجب أن يكون جهد الخرج مثاليًا ، لكن في مكبر للصوت العملي لا يكون ذلك صحيحًا. نحن تسمية القضية عندما تستجيب الدائرة إلى الفرق باسم الوضع التفاضلي. إذا تم إدخال اثنين من المدخلات على قدم المساواة ، فإننا نقول إن الدائرة في وضع شائع. من الناحية المثالية ، نتوقع أن تنتج الدائرة خرجًا فقط في الوضع التفاضلي.

أي اثنين من الفولتية المدخلات ، v₁ و v₂، يمكن حلها إلى جزء مشترك والتفاضلية. نحدد جهازي إدخال جديد على النحو التالي:

الجهد، v_di، هو الجهد المدخلات الوضع التفاضلي وهذا هو ببساطة الفرق بين الفولتية الإدخال اثنين. الجهد، v_ci، هو الجهد المشترك الإدخال ، وهذا هو متوسط الفولتية الإدخال اثنين. يمكن التعبير عن الفولتية المدخلات الأصلية من حيث هذه الكميات الجديدة على النحو التالي:

إذا وضعنا اثنين من الفولتية المدخلات على قدم المساواة ، لدينا

بما أن المدخلات متساوية ، فإن الفولتية الوصلة ذات القاعدة الباعثة متساوية (إذا كانت الترانزستورات متطابقة). وبالتالي ، يجب أن تكون التيارات جامع أيضا متطابقة.

مضخمات تفاضلية ، محاكاة دارة ، محاكي دارة ، تصميم دارة ، مضخمات صوتية عملية

الشكل 2 (أ) دائرة مكافئ مضخم الوضع التفاضلي

نرى الآن الدائرة المكافئة لجهد دخل الوضع التفاضلي كما هو موضح في الشكل 2 (a). لاحظ أن الحالية في Q₁ يزيد من الدائرة الحالية في Q₂ تنخفض الدائرة في نفس المعدل والسعة. هذا صحيح منذ الإدخال إلى Q₂ يساوي ذلك من Q₁ لكن 180^o خارج المرحلة. وبالتالي فإن الجهد يتغير عبر R_EE هو صفر. منذ ac إشارة الجهد عبر R_EE هو الصفر ، ويمكن استبداله بدائرة كهربائية قصيرة في ac دائرة مكافئة. لاحظ أن وضع الفولتية في كل قاعدة الترانزستور التي هي متساوية في السعة ولكن 180^o خارج الطور يعادل وضع الجهد بين قاعدتي الترانزستور من ضعف السعة. الفولتية في v_o1 و v_o2 متساوي السعة لكن الطور المعاكس وكسب الوضع التفاضلي هو

يتم تعريف هذا كسب الوضع التفاضلي في الإخراج وحيد العضوية لأنه يؤخذ بين جامع واحد والأرض. إذا أخذ الإخراج بين v_o1 و v_o2، يطلق على كسب الوضع التفاضلي أ الانتاج المزدوج نهاية وتعطى من قبل

يمكن تطبيق تحليل مشابه على الدائرة المكافئة للوضع الشائع في الشكل 2 (b).

الشكل 2 (ب) دائرة مكافئ مضخم الوضع المشترك

إذا قسمنا المقاوم R_EE في اثنين من المقاومات المتوازية لكل منهما ضعف المقاومة الأصلية ، يمكننا أن نجد الإخراج من خلال تحليل نصف الدائرة فقط. بما أن الترانزستورات متطابقة وأن الفولتية المدخلة في الوضع المشترك متساوية وفي الطور ، فإن الفولتية عبر 2R_EE المقاومات هي نفسها. وبالتالي ، فإن التيار بين اثنين من المقاومات المتوازية هو مبين للصفر ونحن بحاجة فقط ننظر إلى جانب واحد من الدائرة. كسب الجهد المشترك وضع هو بعد ذلك

المعادلة (13) يفترض R_EE كبير و r_e<<R_EE.

نجد الجهد الناتج مزدوج النواة من حيث كسب النمط المشترك والوضع التفاضلي كما يلي:

من المستحسن أن يكون كسب الوضع التفاضلي أكبر بكثير من كسب الوضع المشترك بحيث يتفاعل مكبر الصوت في المقام الأول مع الفرق بين الفولتية المدخلة. ال نسبة الرفض المشتركة ، CMRR، يتم تعريفه على أنه نسبة كسب الوضع التفاضلي إلى كسب الوضع المشترك. وعادة ما يتم التعبير عنها بالديسيبل.

نحن الآن تحديد مقاومة المدخلات من مكبر للصوت في كل من الوضع التفاضلي والوضع المشترك. بالنسبة للوضع التفاضلي ، فإننا ننظر إلى مكبر الصوت في قاعدة كل من الترانزستورات. ينتج عن هذا دائرة كاملة من خلال باعث كل من الترانزستورات ، ومقاومة المدخلات

الآن للحصول على مدخلات الوضع المشترك ، ونحن ننظر إلى مكبر للصوت في الشكل 2 (ب). وبالتالي ، فإن مقاومة المدخلات هي

تشير هذه النتائج إلى أن مقاومة الإدخال في الوضع الشائع أعلى بكثير من الوضع التفاضلي.

ويستند تحليل مكبر للصوت التفاضلي لدينا على BJTs لبنات البناء الترانزستور. يمكن أيضًا استخدام FETs في مكبرات الصوت التفاضلية مع المزايا الناتجة عن انخفاض تحيز المدخلات ومقاومة المدخلات غير المحدودة تقريبًا. يتم تحليل مكبر الصوت التفاضلي باستخدام FETs بنفس الطريقة التي يتم بها تحليل BJT.

تحتاج مكبرات الصوت التفاضلية إلى الترانزستورات المتطابقة لضمان عمل الدائرة بشكل صحيح. إذا كان مكبر الصوت التفاضلي في دائرة متكاملة ، فإن هذا المطلب الإضافي يكون أقل من مشكلة لأن الترانزستورات ملفقتان في نفس الوقت باستخدام نفس المادة.

مضخم صوت تفاضلي 1.3 مع مصدر تيار مستمر

من المستحسن القيام به R_EE أكبر حجم ممكن من أجل تقليل إخراج الوضع المشترك. تظهر المعادلة أنه لكي نجعل CMRR كبيرة ، يجب أن نجعلها R_EE كبير. نظرًا لأنه يصعب تصنيع مقاومات كبيرة على رقائق IC ، فإننا نسعى إلى نهج بديل. ويتم ذلك عن طريق استبدال R_EE مع dc المصدر الحالي. المصدر الحالي المثالي لديه مقاومة لا نهائية ، لذلك نحن نبحث في إمكانية الاستبدال R_EE مع مثل هذا المصدر الحالي. يوضح الشكل 9.3 مكبر للصوت التفاضلي حيث المقاوم ، R_EE، يتم استبدال مصدر ثابت الحالية.

كلما كان المصدر أقرب إلى مصدر التيار الثابت المثالي ، ارتفعت نسبة الرفض في الوضع العادي. نحن توضيح مصدر ثابت ديود التعويض الحالي. التعويض يجعل تشغيل الدائرة أقل اعتمادا على التغيرات في درجات الحرارة. الصمام الثنائي D₁ والترانزستور Q₃ يتم اختيارهم بحيث يكون لديهم خصائص متطابقة تقريبًا على مدى درجات حرارة التشغيل.
من أجل تحليل دائرة الشكل 3 (a) والعثور على CMRR ، نحتاج إلى تحديد المقاومة المكافئة ، R_TH (ما يعادل Thevenin من الدائرة الحالية مصدر ثابت). يتم إعطاء المقاومة المكافئة بواسطة [انظر الشكل 3 (ب)]

كتابة معادلة KCL في العقدة 1 ، لدينا

أين r_o هي المقاومة الداخلية للترانزستور عند نقطة التشغيل المحددة. يتم إعطاء بواسطة

مضخمات تفاضلية ، محاكاة دارة ، محاكي دارة ، تصميم دارة ، مضخمات صوتية عملية

الشكل 3 - مضخم تفاضلي مع مصدر ثابت حالي

ينتج عن معادلة KCL في العقدة 2

أين

أستعاض v₁ و v₂ في المعادلة في العقدة 2 ، لدينا

أخيرًا ، يتم إعطاء مقاومة Thevenin عن طريق استبدال المعادلتين (22) و (23) في المعادلة (18).

سنقوم الآن بإجراء سلسلة من الافتراضات لتبسيط هذا التعبير إلى حد كبير. للحفاظ على الاستقرار التحيز ، نستخدم المبدأ التوجيهي ذلك

استبدال هذه القيمة R_B في المعادلة (24) والقسمة على β، نحن لدينا

يمكننا تبسيط هذا التعبير من خلال الإشارة

لدينا بعد ذلك

نظرًا لأن المصطلح الثاني في هذه المعادلة أكبر بكثير من الأول ، لذلك يمكننا تجاهلها R_E للحصول على

يمكن تبسيط هذه المعادلة في حالة وجود الشرط التالي:

في هذه الحالة ، لدينا نتيجة بسيطة

وبالتالي ، إذا كانت جميع التقديرات صالحة ، R_TH مستقلة عن β وقيمتها كبيرة جدا.

مضخم صوت تفاضلي 1.4 مزود بإدخال ومخرج أحادي الطرف

يوضح الشكل 4 مكبر صوت تفاضلي حيث الإدخال الثاني ، v₂، يتم تعيين يساوي الصفر ويتم أخذ الإخراج كما v_o1.

نحن نستخدم مصدر تيار مستمر بدلا من R_EEكما تمت مناقشته في القسم السابق. هذا هو المعروف باسم مدخلات ومكبرات خرج أحادية الطرف مع انعكاس المرحلة. يتم تحليل مكبر للصوت عن طريق الإعداد v₂= 0 في المعادلات السابقة. المدخلات التفاضلية هي ببساطة

لذلك الإخراج هو

الشكل 4 - مدخلات أحادية الطرف مع انعكاس المرحلة

تشير علامة الطرح إلى أن هذا مكبر الصوت يعرض 180^o مرحلة التحول بين الإخراج والمدخلات. يتم توضيح المدخلات والمخرجات الجيبية النموذجية في الشكل 5.

الشكل 5 - المدخلات الجيبية والإخراج

إذا كانت الإشارة إلى الخرج تشير إلى الأرض ولكن انعكاس الطور غير مرغوب فيه ، يمكن إخراج الخرج من الترانزستور Q₂.

مثال 1 - المضخم التفاضلي (تحليل)

ابحث عن كسب الجهد التفاضلي ، وكسب الجهد المشترك ، و CMRR للدائرة الموضحة في الشكل 1. افترض أن R_i = 0، R_C = 5 kΩ ، V_EE= 15 V ، V_BE= 0.7 V ، V_T= 26 بالسيارات ، و R_EE = 25 kΩ. سمح v₂ = 0 واتخاذ الإخراج من v_o2.

حل: الحالي من خلال R_EE وجدت في حالة هادئة. منذ قاعدة Q₂ يرتكز ، والجهد باعث هو V_BE = 0.7 V و

الحالية هادئة في كل الترانزستور هو نصف هذا المبلغ.

منذ

كسب الجهد التفاضلي في كل الترانزستور هو

كسب الجهد وضع مشترك هو

ثم يتم إعطاء نسبة الرفض الشائعة

تطبيق

يمكنك أيضًا إجراء هذه الحسابات باستخدام محاكيات دارات TINA أو TINACloud ، باستخدام أداة المترجم الفوري من خلال النقر على الرابط أدناه.

1- محاكاة دارة المضخم التفاضلي

مثال 2

للمكبر التفاضلي الموصوف في مثال 1 ، صمم مصدر تيار ثابت متحيز معادل لدرجة الحرارة (الشكل 3) ليحل محل R_EE وتحديد CMRR الجديد للمكبر التفاضلي ، مع r_o = 105 kΩ ، V_BE = 0.7 V و β = 100. افترض R₁ = R₂.

حل: نضع نقطة التشغيل الترانزستور في منتصف dc خط الحمل.

ثم ، بالإشارة إلى المصدر الحالي للشكل 3 (a) ،

لتحقيق الاستقرار التحيز ،

ثم

منذ عام ٢٠٠٥R_E>>r_e (أي 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω) ، ثم لدينا من المعادلة (31)

يتم إعطاء CMRR بواسطة

تطبيق

2- محاكاة دارة المضخم التفاضلي

مثال 3

صمم دائرة لتحقيق الشروط المحددة في الشكل 6 لتحقيق أقصى تأرجح في جهد الخرج. الترانزستورات الخمسة ، Q₁ إلى Q₅، كل لديك β = 100 بينما Q₆ لديها β من 200. V_BE هو 0.6 V لجميع الترانزستورات ، V_T= 26 بالسيارات ، و V_A= 80 V. افترض أن جميع الترانزستورات متطابقة.