Diferenciální zesilovače-TINA a TINACloud zdroje

Diferenciální zesilovače

Většina operačních zesilovačů se skládá ze série tranzistorů, odporů a kondenzátorů tvořících kompletní systém na jediném čipu. Dnes dostupné zesilovače jsou spolehlivé, malé velikosti a spotřebovávají velmi málo energie.

Vstupní fáze většiny op-zesilovačů je Dzesilovač jak je ukázáno v jeho nejjednodušší podobě na obrázku 1.

Diferenciální zesilovače, Praktický operační zesilovač, simulace obvodů, simulátor obvodů, návrh obvodů,

Obrázek 1 - Diferenciální zesilovač

Diferenciální zesilovač se skládá ze dvou společných emitorů dc zesilovače. Má dva vstupy, v₁ a v₂a tři výstupy, v_o1, v_o2 a v_out. Třetí výstup, v_out, je rozdíl mezi v_o1 a v_o2.

1.1 dc Přenosové charakteristiky

Diferenciální zesilovač nepracuje lineárně s velkými vstupy signálu. Abychom zjednodušili analýzu, předpokládáme, že RE je velká, že základní odpor každého tranzistoru je zanedbatelný a výstupní odpor každého tranzistoru je velký. Všimněte si, že v diferenciálním zesilovači používáme spíše REE než RE, protože zde použitý odpor je velký a může být ekvivalentním odporem zdroje proudu. Velká hodnota REE udržuje pokles napětí emitorového odporu téměř konstantní.
Tento obvod nyní vyřešíme pro výstupní napětí. Začneme psaním KVL rovnice kolem základní spojovací smyčky pro obvod z obr. 1.

(1)

(2)

Musíme najít výrazy pro sběrné proudy, i_C1 a i_C2. Napětí základny-emitoru je dána rovnicí,

V rovnici (2) I_o1 a I_o2 jsou reverzní saturační proudy pro Q₁ a Q₂ resp. Předpokládá se, že tranzistory jsou identické. Kombinuje rovnice (1) a (2) výnosy

(3)

Řešení rovnice (3) pro aktuální poměr, zjistíme,

(4)

Můžeme předpokládat i_C1 je přibližně rovno i_E1 a i_C2 je přibližně rovno i_E2. Proto

(5)

Kombinace rovnic (4) a (5) máme

(6)

Všimněte si, že

(7)

Důležité pozorování lze provést zobrazením rovnice (6). Li v₁- v₂ se stává větší než několik set milivoltů, kolektorový proud v tranzistoru 2 se stává malým a tranzistor je v podstatě odříznut. Kolektorový proud v tranzistoru 1 je přibližně stejný i_EEa tento tranzistor je nasycený. Kolektorové proudy, a tedy výstupní napětí v_out, stanou se nezávislými na rozdílu mezi oběma vstupními napětími.

Lineární zesílení se vyskytuje pouze pro rozdíly vstupního napětí menší než přibližně 100 mV. Aby se zvýšil lineární rozsah vstupního napětí, mohou být přidány malé emitorové odpory.

Zisky 1.2 Common-Mode a Differential-Mode

Diferenciální zesilovač je určen k tomu, aby reagoval pouze na rozdíl mezi oběma vstupními napětími, v₁ a v₂. V praktickém operačním zesilovači však výstup závisí do určité míry na součtu těchto vstupů. Například pokud jsou oba vstupy stejné, výstupní napětí by mělo být v ideálním případě nulové, ale v praktickém zesilovači to není. Označíme případ, kdy obvod reaguje na rozdíl jako diferenční režim. Pokud jsou oba vstupy rovny, říkáme, že okruh je ve svém režimu. V ideálním případě bychom očekávali, že obvod bude produkovat výstup pouze v diferenčním režimu.

Všechna dvě vstupní napětí, v₁ a v₂, může být vyřešen do společné a diferenciální části. Definujeme dvě nová vstupní napětí takto:

(8)

Napětí, v_dije vstupní napětí diferenciálního režimu a je to prostě rozdíl mezi oběma vstupními napětími. Napětí, v_ci, je vstupní napětí ve společném režimu a je to průměr dvou vstupních napětí. Původní vstupní napětí lze vyjádřit těmito novými veličinami takto:

(9)

Pokud nastavíme dvě vstupní napětí stejná, máme

(10)

Vzhledem k tomu, že tyto dva vstupy jsou stejné, napětí na bázi emitorové báze je stejné (pokud jsou tranzistory identické). Kolektorové proudy musí být také identické.

Diferenciální zesilovače, obvodová simulace, obvodový simulátor, návrh obvodů, praktické operační zesilovače

Obrázek 2 (a) Obvod ekvivalentního zesilovače diferenciálního režimu

Nyní vidíme ekvivalentní obvod pro vstupní napětí diferenciálního režimu, jak je znázorněno na obrázku 2 (a). Všimněte si, že jako aktuální Q₁ obvod se zvyšuje, proud v Q₂ klesá stejnou rychlostí a amplitudou. To platí od vstupu Q₂ je rovna hodnotě Q₁ ale 180^o z fáze. Tak se napětí mění napříč R_EE je nula. Od té doby ac napěťového signálu napříč R_EE je nula, může být nahrazen zkratem v ac ekvivalentní obvod. Všimněte si, že umístění napětí na každé základně tranzistoru, které jsou stejné v amplitudě, ale 180^o fází je ekvivalentní umístění napětí mezi dvěma tranzistorovými bázemi dvojnásobku amplitudy. Napětí na v_o1 a v_o2 mají stejnou amplitudu, ale opačnou fázi a zisk diferenciálního režimu je

(11)

Tento zisk v diferenciálním režimu je definován na a výstup protože je odebírán mezi jedním kolektorem a zemí. Pokud je výstup převzat v_o1 a v_o2, zisk diferenciálního režimu se nazývá a dvojitý výstup a je dán

(12)

Podobná analýza může být aplikována na ekvivalentní obvod běžného režimu na obrázku 2 (b).

Obrázek 2 (b) Obvod ekvivalentního zesilovače ve společném režimu

Pokud rozdělíme odpor R_EE do dvou paralelních odporů, z nichž každý má dvojnásobek původního odporu, můžeme najít výstup analýzou pouze poloviny obvodu. Vzhledem k tomu, že tranzistory jsou identické a vstupní napětí běžného režimu jsou stejná a fázová, napětí napříč 2R_EE odpory jsou stejné. Proto je proud mezi oběma paralelními odpory zobrazenými na obrázku nula a potřebujeme se podívat pouze na jednu stranu obvodu. Zesílení napětí ve společném režimu je pak

(13)

Rovnice (13) předpokládá R_EE je velký a r_e<<R_EE.

Dvojité výstupní napětí zjistíme z hlediska zesílení common-mode a diferenciálního režimu následujícím způsobem:

(14)

Je žádoucí, aby zesílení diferenciálního módu bylo mnohem větší než zisk v běžném režimu, takže zesilovač reaguje primárně na rozdíl mezi vstupními napětími. společný režim odmítnutí, CMRR, je definován jako poměr zesílení diferenciálního módu k zesílení společného režimu. Obvykle se vyjadřuje v dB.

(15)

Nyní určíme vstupní odpor zesilovače v diferenciálním režimu i ve společném režimu. Pro diferenciální režim se díváme do zesilovače na základně obou tranzistorů. To má za následek úplný obvod přes emitor obou tranzistorů a vstupní odpor je

(16)

Nyní pro vstup ve společném režimu se podíváme do zesilovače na obrázku 2 (b). Vstupní odpor je tedy

(17)

Tyto výsledky ukazují, že vstupní odpor společného režimu je mnohem vyšší než odpor diferenciálního režimu.

Naše analýza diferenciálního zesilovače je založena na BJT jako tranzistorových stavebních blocích. FETy mohou být také použity v diferenciálních zesilovačích s výslednými výhodami sníženého proudového zkreslení a téměř nekonečné vstupní impedance. Analýza diferenciálního zesilovače s použitím FET se provádí stejným způsobem jako analýza BJT.

Diferenciální zesilovače potřebují přizpůsobené tranzistory, aby se zajistilo, že obvod pracuje správně. Pokud je diferenciální zesilovač na integrovaném obvodu, tento dodatečný požadavek je méně problematický, protože dva tranzistory jsou vyráběny současně s použitím stejného materiálu.

Diferenciální zesilovač 1.3 s konstantním proudovým zdrojem

Je žádoucí R_EE co největší, aby se snížil výstup ve společném režimu. Rovnice ukazuje, že aby CMRR byla velká, musíme to udělat R_EE velký. Vzhledem k tomu, velké odporů je těžké vyrobit na IC čipy, hledáme alternativní přístup. Toho je dosaženo nahrazením R_EE s dc zdroj proudu. Ideální zdroj proudu má nekonečnou impedanci, proto zkoumáme možnost výměny R_EE s takovým zdrojem proudu. Obrázek 9.3 znázorňuje diferenciální zesilovač, kde je odpor, R_EE, je nahrazen zdrojem s konstantním proudem.

(18)

Čím blíže je zdroj ideálnímu zdroji konstantního proudu, tím vyšší je poměr odmítnutí ve společném režimu. Zobrazujeme zdroj diodově kompenzovaného proudu s pevným předpětím. Kompenzace snižuje závislost provozu obvodu na změnách teploty. Dioda D₁ a tranzistor Q₃ jsou zvoleny tak, že mají téměř stejné charakteristiky v celém rozsahu provozních teplot.
Aby bylo možné analyzovat obvod obrázku 3 (a) a najít CMRR, musíme určit ekvivalentní odpor, R_TH (ekvivalent Theveninova obvodu s konstantním proudem). Ekvivalentní odpor je dán [viz obr. 3 (b)]

Psaní KCL rovnice v uzlu 1, máme

(19)

kde r_o je vnitřní odpor tranzistoru ve specifikovaném pracovním bodě. Je to dáno

(20)

Diferenciální zesilovače, obvodová simulace, obvodový simulátor, návrh obvodů, praktické operační zesilovače

Obrázek 3 - Diferenciální zesilovač se zdrojem konstantního proudu

KCL rovnice v uzlech 2 výnosy

(21)

kde

(22)

Nahrazení v₁ a v₂ do rovnice v uzlu 2, máme

(23)

Nakonec je Theveninova rezistence dána dosazením rovnic (22) a (23) do rovnice (18).

(24)

Nyní uděláme řadu předpokladů, abychom tento výraz výrazně zjednodušili. Pro udržení stability předpětí používáme tento pokyn

(25)

Nahrazení této hodnoty R_B v rovnici (24) a dělení β, my máme

(26)

Tento výraz můžeme zjednodušit tím, že si to povšimneme

(27)

Pak máme

(28)

Vzhledem k tomu, že druhý výraz v této rovnici je mnohem větší než první, tak můžeme ignorovat R_E k získání

(29)

Tuto rovnici lze dále zjednodušit, pokud existuje následující podmínka:

(30)

V tom případě máme jednoduchý výsledek

(31)

Pokud jsou tedy všechny aproximace platné, R_TH je nezávislý na β a jeho hodnota je poměrně velká.

Diferenciální zesilovač 1.4 s jedním vstupem a výstupem

Obrázek 4 zobrazuje diferenciální zesilovač, kde druhý vstup, v₂, je nastavena na nulu a výstup je vzat jako v_o1.

Namísto zdroje používáme zdroj konstantního proudu R_EE, jak je popsáno v předchozí části. Toto je známé jako jednomístný vstupní a výstupní zesilovač s fázovým obrácením. Zesilovač je analyzován nastavením v₂= 0 v dřívějších rovnicích. Diferenciální vstup je pak jednoduše

(32)

takže výstup je

(33)

Obrázek 4 - Jednorázový vstup s fázovým obrácením

Znaménko mínus označuje, že tento zesilovač vykazuje 180^o fázový posun mezi výstupem a vstupem. Typický sinusový vstup a výstup jsou znázorněny na obrázku 5.

Obrázek 5 - Sinusový vstup a výstup

Má-li být výstupní signál vztažen na uzemnění, ale není žádoucí obrácení fáze, může být výstup odebrán z tranzistoru Q₂.

Příklad 1 - Diferenciální zesilovač (analýza)

Najděte diferenciální zesílení napětí, zesílení napětí ve společném režimu a CMRR pro obvod zobrazený na obrázku 1. Předpokládat, že R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE= 15 V, V_BE= 0.7 V, V_T= 26 mV a R_EE = 25 kΩ. Nechat v₂ = 0 a převzít výstup z v_o2.

Řešení: Proud prochází R_EE se nachází v klidovém stavu. Od základu Q₂ je uzemněno, napětí emitoru je V_BE = 0.7 V a

V každém tranzistoru je klidový proud poloviční.

diferenciální zesílení napětí v každém tranzistoru je

Zesílení napětí ve společném režimu je

Společný režim odmítnutí je pak dán

APLIKACE

Tyto výpočty můžete provádět také pomocí simulátorů obvodu TINA nebo TINACloud, pomocí nástroje Interpreter kliknutím na níže uvedený odkaz.

1 - Simulace diferenciálního zesilovače

Příklad 2

Pro diferenciální zesilovač popsaný v příkladu 1 navrhněte zdroj teplotně kompenzovaného proudu s pevným předpětím (obrázek 3), který bude R_EE a určete nový CMRR pro diferenciální zesilovač, s r_o = 105 kΩ, V_BE = 0.7 V a β = 100. Převzít R₁ = R₂.

Řešení: Umístíme provozní bod tranzistoru do středu dc zatížení.

S odkazem na aktuální zdroj obrázku 3 (a),

Pro stabilitu předpětí

Pak

Serving you since 0.1R_E>>r_e (tj. 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), pak z rovnice (31) máme

CMRR je dán

APLIKACE

Tyto výpočty můžete provádět také pomocí simulátorů obvodu TINA nebo TINACloud, pomocí nástroje Interpreter kliknutím na níže uvedený odkaz.

2 - Simulace diferenciálního zesilovače

Příklad 3

Navrhněte obvod pro dosažení podmínek uvedených na obrázku 6 pro maximální výkyv výstupního napětí. Pět tranzistorů, Q₁ na Q₅, každý β = 100, zatímco Q₆ Má- β z 200. V_BE je 0.6 V pro všechny tranzistory, V_T= 26 mV a V_A= 80 V. Předpokládejme, že všechny tranzistory jsou identické.