Diferencijalna pojačala-TINA i TINACloud resursi

Differential Amplifiers

Većina operativnih pojačala sastoji se od niza tranzistora, otpornika i kondenzatora koji formiraju kompletan sistem na jednom čipu. Pojačala koja su danas dostupna su pouzdana, male veličine i troše vrlo malo energije.

Ulazna faza većine op-ampera je Differential Amplifier kao što je prikazano u najjednostavnijem obliku na slici 1.

Diferencijalna pojačala, Praktično operativno pojačalo, simulacija strujnih krugova, simulator strujnog kruga, dizajn kola,

Slika 1 - Diferencijalno pojačalo

Diferencijalno pojačalo sastoji se od dva emiter-spregnuta zajednička emitera dc pojačala. Ima dva ulaza, v₁ i v₂, i tri izlaza, v_o1, v_o2 i v_napolje. Treći izlaz, v_napolje, je razlika između v_o1 i v_o2.

1.1 dc transfer karakteristike

Diferencijalno pojačalo ne radi linearno sa velikim signalnim ulazima. Da bismo pojednostavili analizu pretpostavljamo da je RE veliki, da je osnovni otpor svakog tranzistora zanemariv i da je izlazni otpor svakog tranzistora velik. Imajte na umu da koristimo REE radije nego RE u diferencijalnom pojačalu jer je otpornik koji se koristi ovdje velik i može biti ekvivalentan otpor strujnog izvora. Velika vrijednost REE održava pad napona emitera otpornika gotovo konstantnim.
Sada rešavamo ovaj krug za izlazni napon. Počinjemo tako što ćemo napisati KVL jednadžbu oko bazne spojne petlje za krug sa slike 1.

(1)

(2)

Moramo pronaći izraze za struje kolektora, i_C1 i i_C2. Naponi baznog emitera dati su jednadžbom,

U jednačini (2) I_o1 i I_o2 su obrnute struje za zasićenje Q₁ i Q₂ respektivno. Pretpostavlja se da su tranzistori identični. Kombinacija jednadžbi (1) i (2) prinosa

(3)

Rješavanje jednadžbe (3) za trenutni omjer, nalazimo,

(4)

Možemo pretpostaviti i_C1 je približno jednako i_E1 i i_C2 je približno jednako i_E2. Zato

(5)

Kombinovanjem jednačina (4) i (5), imamo

(6)

Zapiši to

(7)

Važna opservacija može se napraviti posmatranjem jednačine (6). Ako v₁- v₂ postaje veći od nekoliko stotina milivolta, struja kolektora u tranzistoru 2 postaje mala i tranzistor je u suštini odsječen. Struja kolektora u tranzistoru 1 je približno jednaka i_EE, a ovaj tranzistor je zasićen. Struje kolektora, a time i izlazni napon v_napolje, postaju nezavisni od razlike između dva ulazna napona.

Linearno pojačanje se javlja samo za razlike ulaznog napona manje od približno 100 mV. Da bi se povećao linearni opseg ulaznog napona, mogu se dodati mali emiterski otpornici.

1.2 dobitak u zajedničkom načinu rada i diferencijalnom načinu rada

Diferencijalno pojačalo je namijenjeno da odgovori samo na razliku između dva ulazna napona, v₁ i v₂. Međutim, u praktičnom op-amp izlazu u određenoj mjeri ovisi o zbroju tih ulaza. Na primjer, ako su oba ulaza jednaka, izlazni napon bi u idealnom slučaju trebao biti nula, ali u praktičnom pojačalu nije. Mi označavamo slučaj kada sklop odgovara na razliku kao diferencijalni mod. Ako su dva ulaza jednaka, kažemo da je sklop u svom common mode. Idealno bi bilo očekivati da krug proizvede izlaz samo u diferencijalnom modu.

Bilo koja dva ulazna napona, v₁ i v₂, može se riješiti u zajednički i diferencijalni dio. Definiramo dva nova ulazna napona kako slijedi:

(8)

Napon, v_di, je ulazni napon diferencijalnog moda i to je jednostavno razlika između dva ulazna napona. Napon, v_ci, je zajednički ulazni napon, a to je prosjek dva ulazna napona. Izvorni ulazni naponi mogu se izraziti u smislu ovih novih količina kako slijedi:

(9)

Ako postavimo dva ulazna napona jednaka, imamo

(10)

Budući da su ova dva ulaza jednaka, napon spoja emiter-baza je jednak (ako su tranzistori identični). Stoga, struje kolektora moraju biti identične.

Diferencijalna pojačala, simulacija strujnih krugova, simulator kruga, dizajn sklopova, praktične op-ampere

Slika 2 (a) Sklop ekvivalentnog diferencijalno pojačanog pojačala

Sada gledamo ekvivalentni krug za ulazni napon diferencijala u režimu kao što je prikazano na slici 2 (a). Imajte na umu da je kao struja u Q₁ struja se povećava, struja u Q₂ Krug se smanjuje istom brzinom i amplitudom. To je tačno od unosa do Q₂ jednaka je onoj Q₁ ali 180^o van faze. Tako se promeni napon R_EE je nula. Od tada ac signalni napon preko R_EE je nula, može se zamijeniti kratkim spojem u ac ekvivalentni krug. Imajte na umu da je postavljanje napona na svaku bazu tranzistora koje su jednake amplitude, ali 180^o van faze je ekvivalentno stavljanju napona između dvije baze tranzistora dvostruke amplitude. Naponi na v_o1 i v_o2 su jednake amplitude ali su suprotne faze i dobitak diferencijala je

(11)

Ovaj diferencijalni modus je definisan na a izlaz s jednim krajem jer se uzima između jednog kolektora i zemlje. Ako je izlaz između v_o1 i v_o2, dobitak diferencijalnog moda se naziva a dvostruki izlaz i daje se

(12)

Slična analiza može se primijeniti na zajedničkom modu ekvivalentnog kruga na slici 2 (b).

Slika 2 (b) Sklop ekvivalentnog pojačala zajedničkog moda

Ako podelimo otpornik R_EE u dva paralelna otpornika od kojih svaki ima dvostruki originalni otpor, možemo naći izlaz analizirajući samo pola kruga. Budući da su tranzistori identični i da su ulazni naponi u zajedničkom modu jednaki i u fazi, naponi preko 2-aR_EE otpornici su isti. Dakle, struja između dva paralelna otpornika prikazana je za nulu i potrebno je samo pogledati jednu stranu kruga. U tom slučaju dolazi do pojačanja napona u zajedničkom modu

(13)

Jednadžba (13) pretpostavlja R_EE je velika i r_e<<R_EE.

Mi nalazimo dvostruki izlazni napon u smislu common-mode i gain diferencijala:

(14)

Poželjno je da dobitak diferencijalnog moda bude mnogo veći od pojačanja u zajedničkom modu, tako da pojačalo reaguje prvenstveno na razliku između ulaznih napona. The omjer odbacivanja u zajedničkom modu, CMRR, definira se kao omjer dobitka diferencijala i pojačanja u zajedničkom modu. Obično se izražava u dB.

(15)

Sada određujemo ulazni otpor pojačala kako u diferencijalnom tako iu zajedničkom modu. Za diferencijalni mod gledamo u pojačalo na bazi oba tranzistora. To dovodi do potpunog kola kroz emiter oba tranzistora, a ulazni otpor je

(16)

Sada za zajednički ulaz, gledamo u pojačalo na slici 2 (b). Dakle, ulazni otpor je

(17)

Ovi rezultati ukazuju na to da je ulazni otpor zajedničkog režima mnogo veći od onog u diferencijalnom modu.

Naša analiza diferencijalnih pojačala je bazirana na BJT-ovima kao tranzistorskim blokovima. FET-ovi se također mogu koristiti u diferencijalnim pojačalima s rezultirajućim prednostima smanjene ulazne struje prednapona i gotovo beskonačne ulazne impedancije. Analiza diferencijalnog pojačala pomoću FET-ova se vrši na isti način kao i kod BJT analize.

Diferencijalna pojačala trebaju odgovarajuće tranzistore da bi se osiguralo da krug funkcioniše ispravno. Ako je diferencijalno pojačalo na integriranom krugu, ovaj dodatni zahtjev je manji problem jer su dva tranzistora proizvedena u isto vrijeme koristeći isti materijal.

1.3 diferencijalno pojačalo sa konstantnim izvorom struje

Poželjno je napraviti R_EE što je više moguće kako bi se smanjio izlaz u zajedničkom modu. Jednadžba pokazuje da moramo napraviti CMRR R_EE veliko. S obzirom na to da je velike otpore teško proizvesti na IC čipovima, tražimo alternativni pristup. Ovo se postiže zamenom R_EE sa dc izvor struje. Idealan izvor struje ima beskonačnu impedanciju, tako da istražujemo mogućnost zamjene R_EE sa takvim izvorom struje. Slika 9.3 ilustrira diferencijalno pojačalo gdje je otpornik, R_EE, zamijenjen je izvorom konstantne struje.

(18)

Što je izvor bliži idealnom izvoru konstantne struje, to je veći omjer odbijanja u zajedničkom modu. Mi ilustrujemo izvor struje sa fiksiranom prednaponskom kompenzacijom. Kompenzacija čini rad kola manje zavisnim od temperaturnih varijacija. Diode D₁ i tranzistor Q₃ odabrani su tako da imaju gotovo identične karakteristike u rasponu radnih temperatura.
Da bismo analizirali kolo na slici 3 (a) i pronašli CMRR, moramo odrediti ekvivalentnu otpornost, R_TH (Thevenin ekvivalent strujnog kruga izvora konstantne struje). Ekvivalentna otpornost je data od [vidi sliku 3 (b)]

Pišući KCL jednadžbu na čvoru 1, imamo

(19)

gdje r_o je unutarnji otpor tranzistora na navedenoj radnoj točki. Daje se

(20)

Diferencijalna pojačala, simulacija strujnih krugova, simulator kruga, dizajn sklopova, praktične op-ampere

Slika 3 - Diferencijalno pojačalo sa izvorom konstantne struje

KCL jednadžba na čvoru 2 prinosa

(21)

gdje

(22)

Zamjena v₁ i v₂ u jednadžbu na čvoru 2, imamo

(23)

Konačno, Thevenin otpor daje se zamjenom jednačina (22) i (23) u jednačinu (18).

(24)

Sada ćemo napraviti niz pretpostavki koje će uveliko pojednostaviti ovaj izraz. Da bi se održala stabilnost, koristimo smernice

(25)

Zamena ove vrednosti R_B u jednačini (24) i deljenjem po β, imamo

(26)

Možemo pojednostaviti ovaj izraz notiranjem

(27)

Onda imamo

(28)

Pošto je drugi termin u ovoj jednačini mnogo veći od prvog, možemo ignorisati R_E to receive

(29)

Ova jednadžba se može dodatno pojednostaviti ako postoji sljedeće stanje:

(30)

U tom slučaju imamo jednostavan rezultat

(31)

Stoga, ako su sve aproksimacije valjane, R_TH je nezavisan od β i njegova vrijednost je prilično velika.

1.4 diferencijalno pojačalo sa ulazom i izlazom s jednim krajem

Slika 4 prikazuje diferencijalno pojačalo gdje je drugi ulaz, v₂, postavljen je jednak nuli i izlaz se uzima kao v_o1.

Mi koristimo izvor konstantne struje umesto R_EE, kao što je objašnjeno u prethodnom odeljku. Ovo je poznato kao a jednosmerno ulazno i izlazno pojačalo s promjenom faze. Pojačalo se analizira podešavanjem v₂= 0 u ranijim jednadžbama. Diferencijalni ulaz je tada jednostavno

(32)

tako da je izlaz

(33)

Slika 4 - Jednodijelni ulaz s preokretom faze

Znak minus pokazuje da ovo pojačalo pokazuje 180^o fazni pomak između izlaza i ulaza. Tipičan sinusoidni ulaz i izlaz prikazani su na slici 5.

Slika 5 - Sinusoidni ulaz i izlaz

Ako se izlazni signal upućuje na tlo, ali preokret faze nije poželjan, izlaz se može uzeti iz tranzistora Q₂.

Primjer 1 - Diferencijalno pojačalo (analiza)

Nađite diferencijalni napon, pojačanje napona u zajedničkom modu i CMRR za krug prikazan na slici 1. Pretpostavimo to R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE= 15 V, V_BE= 0.7 V, V_T= 26 mV, i R_EE = 25 kΩ. Let v₂ = 0 i preuzmite izlaz iz v_o2.

rješenje: Struja kroz R_EE nalazi se u stanju mirovanja. Od osnove Q₂ je uzemljen, napon emitera je V_BE = 0.7 V, i

Struja mirovanja u svakom tranzistoru je jedna polovina tog iznosa.

S obzirom na to da je

diferencijalni napon u svakom tranzistoru je

Povećanje napona u zajedničkom modu je

Odnos odbacivanja u zajedničkom modu se tada daje

PRIJAVA

Takođe, ove proračune možete izvršiti pomoću TINA ili TINACloud kola simulatora, koristeći njihov alat Interpreter klikom na link ispod.

1- simulacija kruga diferencijalnih pojačala

primjer 2

Za diferencijalno pojačalo opisano u primjeru 1, dizajnirajte izvor struje s fiksnom-prednaponskom temperaturom (slika 3) za zamjenu R_EE i odrediti novi CMRR za diferencijalno pojačalo, sa r_o = 105 kΩ, V_BE = 0.7 V, i β = 100. Pretpostavimo R₁ = R₂.

rješenje: Postavimo radnu tačku tranzistora u sredinu dc teretna linija.

Zatim, pozivajući se na trenutni izvor slike 3 (a),

Za stabilnost prednapona,

onda

od 0.1R_E>>r_e (tj. 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), onda iz jednadžbe (31) imamo

CMRR je dat

PRIJAVA

Takođe, ove proračune možete izvršiti pomoću TINA ili TINACloud kola simulatora, koristeći njihov alat Interpreter klikom na link ispod.

2- simulacija kruga diferencijalnih pojačala

primjer 3

Osmislite krug za postizanje uvjeta kako je navedeno na slici 6 za maksimalni izlazni napon. Pet tranzistora, Q₁ to Q₅, svaki ima β = 100 dok Q₆ ima β 200-a. V_BE je 0.6 V za sve tranzistore, V_T= 26 mV, i V_A= 80 V. Pretpostavimo da su svi tranzistori identični.