1. Диференциални усилватели

Диференциални усилватели

Повечето операционни усилватели се състоят от серия от транзистори, резистори и кондензатори, които образуват цялостна система на един чип. Наличните днес усилватели са надеждни, малки по размер и консумират много малко енергия.

Входният етап на повечето оп-усилватели е Dдопълнителен усилвател както е показано в най-простата му форма на фигура 1.

Диференциални усилватели, Практически операционен усилвател, симулация на вериги, симулатор на вериги, схема на схема

Фигура 1 - Диференциален усилвател

Диференциалният усилвател се състои от два излъчвателя с общ емитер dc усилватели. Той има два входа, v1 намлява v2и три изхода, vo1, vo2 намлява vот, Третият изход, vот, е разликата между vo1 намлява vo2.

Характеристики на 1.1 dc

Диференциалният усилвател не работи линейно с големи входни сигнали. За опростяване на анализа предполагаме, че RE е голям, че базовата устойчивост на всеки транзистор е незначителна и че изходното съпротивление на всеки транзистор е голямо. Имайте предвид, че ние използваме REE, а не RE в диференциалния усилвател, тъй като използваният тук резистор е голям и може да бъде еквивалентното съпротивление на източник на ток. Голямата стойност на REE запазва емитерното съпротивление на резистора почти постоянно.
Сега решаваме тази схема за изходното напрежение. Започваме с написването на KVL уравнение около базовия възел за веригата на фигура 1.

(1)

(2)

Трябва да намерим изрази за токовете на колектора, iC1 намлява iC2, Напрежението на базовия емитер се дава от уравнението,

В уравнение (2) Io1 намлява Io2 са обратни наситени токове за Q1 намлява Q2 съответно. Приема се, че транзисторите са идентични. Комбиниране на уравнения (1) и (2) добиви

(3)

Решаване на уравнение (3) за текущото съотношение, намираме,

(4)

Можем да предположим iC1 е приблизително равна на iE1 намлява iC2 е приблизително равна на iE2, Следователно

(5)

Комбинирайки уравнения (4) и (5), имаме

(6)

Имайте предвид, че

(7)

Важно наблюдение може да бъде направено с оглед на уравнението (6). ако v1 - v2 става по-голям от няколко стотин миливолта, токът на колектора в транзистор 2 става малък и транзисторът по същество е отрязан. Токът на колектора в транзистор 1 е приблизително равен на iEEи този транзистор е наситен. Колекторните токове и следователно изходното напрежение vот, стават независими от разликата между двете входни напрежения.

Линейното усилване се появява само за разликите в входното напрежение, по-малки от приблизително 100 mV. За да се увеличи линейният диапазон на входното напрежение, могат да се добавят малки емитерни резистори.

1.2 печалби от общ режим и диференциален режим

Диференциалният усилвател е предназначен да отговори само на разликата между двете входни напрежения, v1 намлява v2, Въпреки това, в практическо усилвател, изходът до известна степен зависи от сумата на тези входове. Например, ако и двата входа са еднакви, изходното напрежение в идеалния случай трябва да е нула, но в практически усилвател това не е така. Ние обозначаваме случая, когато веригата отговаря на разликата като диференциален режим, Ако двата входа са равни, ще кажем, че веригата е в нейната общ режим, В идеалния случай бихме очаквали веригата да произвежда изход само в диференциален режим.

Всякакви две входни напрежения, v1 намлява v2, може да се раздели на обща и диференциална част. Определяме две нови входни напрежения, както следва:

(8)

Напрежението, vdi, е диференциалния режим на входното напрежение и това е просто разликата между двете входни напрежения. Напрежението, vci, е входното напрежение на общия режим и е средно на двете входни напрежения. Оригиналните входни напрежения могат да бъдат изразени чрез тези нови количества, както следва:

(9)

Ако зададем двете входни напрежения равни, имаме

(10)

Тъй като двата входа са еднакви, напрежението на емитерно-базовата връзка е равно (ако транзисторите са идентични). По този начин колекторните токове също трябва да бъдат идентични.

Диференциални усилватели, симулация на вериги, симулатор на вериги, схемотехника, практически оп-усилватели

Фигура 2 (а) Еквивалентна схема на усилвател с диференциален режим

Сега виждаме еквивалентната схема за входното напрежение в диференциалния режим, както е показано на фигура 2 (a). Имайте предвид, че като текущата в Q1 веригата се увеличава, токът в Q2 веригата намалява със същата скорост и амплитуда. Това е вярно след въвеждането на Q2 е равна на тази на Q1 но 180o извън фаза. Така напрежението се променя REE е нула. Тъй като ac напрежение на сигнала REE е нула, тя може да бъде заменена от късо съединение в ac еквивалентна схема. Имайте предвид, че поставянето на напрежения на всяка транзисторна база, които са равни по амплитуда, но 180o Извън фаза е еквивалентно на поставяне на напрежение между двете транзисторни бази с двойна амплитуда. Напреженията в vo1 намлява vo2 са с еднаква амплитуда, но противоположна фаза и печалбата на диференциалния режим е

(11)

Това усилване на диференциалния режим се определя при a единичен изход тъй като се взема между един колектор и земята. Ако изходът е между vo1 намлява vo2, печалбата на диференциалния режим се нарича a двустранно изход и се дава от

(12)

Подобен анализ може да бъде приложен към схемата на еквивалентната мощност в общ режим на фигура 2 (b).

Диференциални усилватели, симулация на вериги, симулатор на вериги, схемотехника, практически оп-усилватели

Фигура 2 (б) Схема на еквивалент на усилвател от общ режим

Ако разделим резистора REE в два паралелни резистори, всеки от които има двойно първоначалното съпротивление, можем да намерим изхода, като анализираме само половината от веригата. Тъй като транзисторите са идентични и входните напрежения в общия режим са равни и във фаза, напреженията в 2REE резистори са едни и същи. По този начин, токът между двете паралелни резистори, показани за е нула и ние трябва само да погледнем от едната страна на веригата. Тогава печалбата от напрежението в общ режим

(13)

Уравнението (13) приема REE е голям и re<<REE.

Намираме двойното изходно напрежение по отношение на печалбата от общ режим и диференциален режим, както следва:

(14)

Желателно е печалбата на диференциалния режим да бъде много по-голяма от печалбата на общия режим, така че усилвателят да реагира предимно на разликата между входните напрежения. Най- коефициент на отхвърляне при общ режим, CMRR, се дефинира като отношението на коефициента на усилване на диференциалния режим към печалбата от общия режим. Обикновено се изразява в dB.

(15)

Сега определяме входното съпротивление на усилвателя както в диференциалния режим, така и в общия режим. За диференциалния режим разглеждаме усилвателя в основата на двата транзистора. Това води до пълна верига през излъчвателя на двата транзистора, а входното съпротивление е

(16)

Сега за общия режим на въвеждане, разглеждаме в усилвателя на фигура 2 (b). По този начин входното съпротивление е

(17)

Тези резултати показват, че входното съпротивление на общия режим е много по-високо от това на диференциалния режим.

Нашият диференциален анализ на усилвателя се основава на BJTs като транзисторни градивни елементи. FETs могат да се използват и в диференциални усилватели с получените предимства от намален ток на входното отклонение и почти безкраен входен импеданс. Анализът на диференциалния усилвател, използващ FETs, се осъществява по същия начин, както при BJT анализа.

Диференциалните усилватели се нуждаят от съответстващи транзистори, за да се гарантира, че веригата работи правилно. Ако диференциалният усилвател е на интегрална схема, това допълнително изискване е по-малко проблем, тъй като двата транзистора са произведени едновременно с един и същ материал.

Диференциален усилвател 1.3 с източник на постоянен ток

Желателно е да се направи REE възможно най-голям, за да се намали изхода за общ режим. Уравнението показва, че за да направим CMRR голям, трябва да го направим REE голям. Тъй като големите съпротивления са трудни за изработване на IC чипове, ние търсим алтернативен подход. Това се постига чрез замяна REE с dc източник на ток. Идеалният източник на ток има безкраен импеданс, така че проучваме възможността за замяна REE с такъв източник на ток. Фигура 9.3 илюстрира диференциален усилвател, където резисторът, REE, се заменя с източник с постоянен ток.

(18)

Колкото по-близо е източникът до идеалния източник на постоянен ток, толкова по-голямо е съотношението на отхвърляне при общ режим. Ще илюстрираме източник на ток с фиксирано отклонение с компенсиран диод. Компенсацията прави работата на веригата по-малко зависима от температурните промени. диод D1 и транзистор Q3 са избрани така, че да имат почти идентични характеристики в диапазона на работните температури.
За да анализираме веригата на фигура 3 (a) и да намерим CMRR, трябва да определим еквивалентното съпротивление, RTH (Thevenin еквивалент на веригата на източника на постоянен ток). Еквивалентното съпротивление е дадено от [виж фигура 3 (b)]

Писане на KCL уравнение в възел 1, имаме

(19)

където ro е вътрешното съпротивление на транзистора в зададената работна точка. Тя се дава от

(20)

Диференциални усилватели, симулация на вериги, симулатор на вериги, схемотехника, практически оп-усилватели

Фигура 3 - Диференциален усилвател с източник на постоянен ток

Уравнение на KCL на възел 2

(21)

където

(22)

Заместването v1 намлява v2 в уравнението на възел 2, имаме

(23)

И накрая, съпротивлението на Тевенин се дава чрез заместване на уравнения (22) и (23) в уравнение (18).

(24)

Сега ще направим серия от предположения, за да опростим този израз. За да се поддържа стабилност на пристрастията, ние използваме това ръководство

(25)

Заменяйки тази стойност на RB в уравнение (24) и разделяне по β, ние имаме

(26)

Можем да опростим този израз чрез отбелязване

(27)

Тогава имаме

(28)

Тъй като вторият термин в това уравнение е много по-голям от първия, можем да игнорираме RE за да се получи

(29)

Това уравнение може да бъде допълнително опростено, ако съществува следното условие:

(30)

В този случай имаме простия резултат

(31)

Следователно, ако всички приблизителни стойности са валидни, RTH е независима от β и стойността му е доста голяма.

Диференциален усилвател 1.4 с единичен вход и изход

Фигура 4 показва диференциален усилвател, където вторият вход, v2, е зададена равна на нула и изходът се приема като vo1.

Ние използваме източник на постоянен ток вместо REE, както е разгледано в предишния раздел. Това е известно като a единичен входен и изходен усилвател с обръщане на фазите, Усилвателят се анализира чрез настройка v2 = 0 в по-ранните уравнения. Диференциалният вход е просто след това

(32)

така че изходът е

(33)

Диференциални усилватели, симулация на вериги, симулатор на вериги, схемотехника, практически оп-усилватели

Фигура 4 - Еднократен вход с обръщане на фазата

Знакът минус показва, че този усилвател показва 180o фазово изместване между изхода и входа. Типичен синусоидален вход и изход са илюстрирани на фигура 5.

Фигура 5 - Синусоидален вход и изход

Ако изходният сигнал трябва да бъде свързан със земята, но не е желателно обръщане на фазата, изходът може да бъде взет от транзистора Q2.

Пример 1 - Диференциален усилвател (анализ)

Намерете коефициента на диференциално напрежение, печалбата от общия режим и CMRR за схемата, показана на фигура 1. Предполагам че Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT = 26 mV, и REE = 25 kΩ. Позволявам v2 = 0 и вземете изхода от vo2.

Решение: Токът през REE се намира в състояние на покой. От основаването на Q2 е заземен, напрежението на емитера е VBE = 0.7 V, и

Постоянният ток във всеки транзистор е половината от това количество.

Тъй като

разликата в напрежението във всеки транзистор е

Повишаването на напрежението в общ режим е

Съотношението на отхвърляне при общ режим след това се дава от

ЗАЯВЛЕНИЕ

Също така, можете да извършите тези изчисления с TINA или TINACloud симулатори, като използвате техния интерпретатор, като кликнете върху линка по-долу.

1- Симулация на схема на диференциален усилвател

Пример 2

За диференциалния усилвател, описан в Пример 1, проектирайте температурен компенсиран източник на ток с фиксирано отклонение (Фигура 3), за да замените REE и определя новия CMRR за диференциалния усилвател, с ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V, и β = 100. предполагам R1 = R2.

Решение: Поставяме работната точка на транзистора в средата на dc товарна линия.

Тогава, отнасяйки се до текущия източник на фигура 3 (a),

За стабилност на пристрастията,

След това

Тъй 0.1RE>>re (т.е. 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), тогава от уравнение (31) имаме

CMRR се дава от

ЗАЯВЛЕНИЕ

Също така, можете да извършите тези изчисления с TINA или TINACloud симулатори, като използвате техния интерпретатор, като кликнете върху линка по-долу.

2- Симулация на схема на диференциален усилвател

Пример 3

Проектирайте верига, за да постигнете условията, посочени на фигура 6, за максимално люлеене на изходното напрежение. Петте транзистора, Q1 да се Q5, всеки има β = 100 докато Q6 има β на 200. VBE е 0.6 V за всички транзистори, VT = 26 mV, и VA = 80 V. Да приемем, че всички транзистори са идентични.

Определяне на,

(А) RC, R1и CMRR.

б) изходно напрежение в общ режим.

в) изходно напрежение в диференциалния режим.

г) Диференциален режим вход волтаж vdi за максимална мощност.

Диференциален усилвател, практичен оп-усилвател, симулация на вериги, схемотехника

Фигура 6 - Диференциален усилвател за пример 3

Решение: Ще третираме веригата в три секции:

  • 1. Усилвател на Дарлингтън.

Усилвател на Дарлингтън

  • 2. Диференциален усилвател

Диференциален усилвател

  • 3. Прост източник на ток

Сега за цялата система имаме

Диференциалният вход vdi Необходимо е да се произведе максимална недеформирана люлка на изходното напрежение


ЗАЯВЛЕНИЕ

Също така, можете да извършите тези изчисления с TINA или TINACloud симулатори, като използвате техния интерпретатор, като кликнете върху линка по-долу.

3- Симулация на схема на диференциален усилвател