Diferentsiaalvõimendid-TINA ja TINACloud ressursid

Diferentsiaalvõimendid

Enamik operatsioonivõimendeid koosnevad transistoride, takistite ja kondensaatorite seeriast, mis moodustavad tervikliku süsteemi ühes kiibis. Tänapäeval saadaval olevad võimendid on usaldusväärsed, väikesed ja tarbivad väga vähe energiat.

Enamiku op-ampside sisendstaadium on Debaoluline võimendi nagu on näidatud joonisel 1 kõige lihtsamal kujul.

Diferentsiaalvõimendid, praktiline operatsioonisüsteemivõimendi, ahela simulatsioon, vooluringi simulaator, vooluringi disain,

Joonis 1 - diferentsiaalivõimendi

Diferentsiaalvõimendi koosneb kahest emitteriga ühendatud ühisemissioonist dc võimendid. Sellel on kaks sisendit, v₁ ja v₂ja kolm väljundit, v_o1, v_o2 ja v_välja. Kolmas väljund, v_välja, Kas erinevus on v_o1 ja v_o2.

1.1 DC ülekande karakteristikud

Diferentsiaalivõimendi ei tööta suurte signaali sisenditega lineaarselt. Analüüsi lihtsustamiseks eeldame, et RE on suur, et iga transistori baasiresistentsus on tühine ja iga transistori väljundtakistus on suur. Pange tähele, et diferentsiaalvõimendis kasutame REE asemel RE-d, kuna siin kasutatav takisti on suur ja võib olla vooluallika ekvivalentne takistus. REE suur väärtus hoiab emitteri takisti pinge langust peaaegu konstantsena.
Nüüd lahendame selle voolu väljundpinge jaoks. Me alustame KVL-i võrrandi kirjutamisega joonise 1 vooluahela põhiühendusahela ümber.

(1)

(2)

Me peame leidma kollektorivoolude väljendeid, i_C1 ja i_C2. Alus-emitteri pinged on antud võrrandiga,

Võrrandis (2) I_o1 ja I_o2 on vastupidised küllastusvoolud Q₁ ja Q₂ vastavalt. Transistorid on eeldatavalt identsed. Võrrandite (1) ja (2) kombineerimine

(3)

Võrdluse (3) lahendamine praeguse suhte jaoks leiame,

(4)

Me võime eeldada i_C1 on ligikaudu võrdne i_E1 ja i_C2 on ligikaudu võrdne i_E2. Seetõttu

(5)

Võrrandeid (4) ja (5) kombineerides on meil

(6)

Pange tähele, et

(7)

Oluline tähelepanek saab teha võrrandi (6) vaatamise teel. Kui v₁- v₂ muutub suuremaks kui mitu sada millivolti, muutub transistori 2 kollektorivool väikeseks ja transistor on põhiliselt ära lõigatud. Kollektorivool transistoris 1 on ligikaudu võrdne i_EEja see transistor on küllastunud. Kollektori voolud ja seega ka väljundpinge v_välja, muutub sõltumatuks kahe sisendpinge erinevusest.

Lineaarne võimendus toimub ainult sisendpinge erinevuste puhul, mis on väiksemad kui ligikaudu 100 mV. Sisendpinge lineaarse vahemiku suurendamiseks võib lisada väikesed emittertakistid.

1.2 ühisrežiimi ja diferentsiaalrežiimi kasumid

Diferentsiaalvõimendi eesmärk on reageerida ainult kahe sisendpinge erinevusele, v₁ ja v₂. Praktilises opereerimises sõltub aga mõningal määral nende sisendite summa. Näiteks, kui mõlemad sisendid on võrdsed, peaks väljundpinge ideaaljuhul olema null, kuid praktilises võimendis ei ole see. Me märgistame juhtumi, kui ahel vastab erinevusele kui diferentsiaalrežiimis. Kui need kaks sisendit on võrdsed, siis ütleme, et vooluahel on selle sees tavarežiimis. Ideaalis eeldaksime, et vooluahel toodab väljundit ainult diferentsiaalrežiimis.

Kõik kaks sisendpinget, v₁ ja v₂, saab lahendada ühiseks ja diferentsiaalseks osaks. Me määratleme kaks uut sisendpinget järgmiselt:

(8)

Pinge, v_di, on diferentsiaalrežiimi sisendpinge ja see on lihtsalt kahe sisendpinge erinevus. Pinge, v_ci, on ühise režiimi sisendpinge ja see on kahe sisendpinge keskmine. Esialgseid sisendpingeid võib väljendada nende uute kogustena järgmiselt:

(9)

Kui seame kaks sisendpinget võrdseks, on meil olemas

(10)

Kuna kaks sisendit on võrdsed, on emitter-baasi ühenduspunktide pinged võrdsed (kui transistorid on identsed). Seega peavad kollektori voolud olema ka identsed.

Diferentsiaalvõimendid, ahela simulatsioon, vooluringi simulaator, vooluringi konstruktsioon, praktilised võimendid

Joonis 2 (a) Diferentsiaalrežiimi võimendi ekvivalentahel

Vaatame nüüd diferentsiaalrežiimi sisendpinge ekvivalentahelat, nagu on näidatud joonisel 2 (a). Pange tähele, et kui praegune Q₁ vooluahel suureneb, voolutegur Q₂ ahel väheneb sama kiiruse ja amplituudiga. See on tõsi alates sisendist Q₂ on võrdne Q₁ kuid 180^o faasist väljas. Seega muutub pinge üle R_EE on null. Alates ac signaali pinge üle R_EE on null, selle võib asendada lühisega ac samaväärne ahel. Pange tähele, et iga transistori baasi pinge on amplituudiga võrdne, kuid 180^o faasist väljapoole on võrdne kahe transistori aluse vahelise pinge amplituudiga kahekordse asetamisega. Pinge on v_o1 ja v_o2 on sama amplituudiga, kuid vastupidine faas ja diferentsiaalrežiimi võimendus on

(11)

See diferentsiaalrežiimi võimendus on defineeritud punktis a ühe otsaga väljund kuna see võetakse ühe kollektori ja maapinna vahel. Kui väljund toimub v_o1 ja v_o2, diferentsiaalrežiimi võimendust nimetatakse a kaheotstarbeline väljund ja selle annab

(12)

Sarnast analüüsi saab rakendada ühisrežiimi ekvivalentahelale joonisel 2 (b).

Joonis 2 (b) Ühisrežiimi võimendi ekvivalentahel

Kui jagame takisti R_EE kaheks paralleelseks takistuseks, millest igaühel on esialgne vastupanu kahekordne, leiame väljundi ainult poolahela analüüsimisel. Kuna transistorid on identsed ja ühisrežiimi sisendpinged on võrdsed ja faasis, siis pinged üle 2R_EE takistid on samad. Seega on kahe näidatud paralleelse takisti vaheline vool null ja me peame vaatama ainult ringi ühele küljele. Siis on tavarežiimi pinge võimendus

(13)

Võrrand (13) eeldatakse R_EE on suur ja r_e<<R_EE.

Leiame kahesuunalise väljundpinge ühise režiimi ja diferentsiaalrežiimi võimenduse osas järgmiselt:

(14)

On soovitav, et diferentsiaalrežiimi võimendus oleks palju suurem kui ühisrežiimi võimendus, nii et võimendi reageerib peamiselt sisendpinge erinevusele. The üldrežiimi tagasilükkamise suhe, CMRR, on defineeritud kui diferentsiaalrežiimi võimenduse ja ühise režiimi võimenduse suhe. Tavaliselt väljendatakse seda dB-des.

(15)

Nüüd määratakse kindlaks võimendi sisendresistents nii diferentsiaalrežiimis kui ka tavarežiimis. Diferentsiaalrežiimi puhul vaatame võimendi mõlema transistori alusele. Selle tulemuseks on mõlema transistori emitteri kaudu täielik ahel ja sisendresistentsus on

(16)

Nüüd, ühise režiimi sisendi puhul, vaatame joonisel 2 (b) olevat võimendit. Seega on sisendresistentsus

(17)

Need tulemused näitavad, et ühise režiimi sisendtakistus on palju kõrgem kui diferentsiaalrežiimis.

Meie diferentsiaalvõimenduse analüüs põhineb BJT-del kui transistori ehitusplokkidel. FET-sid saab kasutada ka diferentsiaalvõimendites, mille eelised on vähendatud sisendvoolu ja peaaegu lõpmatu sisendimpedants. Diferentsiaalvõimendi analüüs FET-sid teostatakse samal viisil kui BJT-analüüs.

Diferentsiaalvõimendid vajavad sobitatud transistoreid, et kindlustada, et vooluahel toimib õigesti. Kui diferentsiaalvõimendi on integraallülituses, on see täiendav nõue vähem probleem, kuna kaks transistorit on valmistatud samal ajal, kasutades sama materjali.

1.3 konstantse vooluallikaga diferentsiaalvõimendi

On soovitav teha R_EE ühisrežiimi väljundi vähendamiseks võimalikult suur. Võrrand näitab, et CMRR suureks muutmiseks peame tegema R_EE suur. Kuna IC-kiipidel on raske valmistada suuri takistusi, otsime alternatiivset lähenemist. See saavutatakse asendades R_EE koos dc vooluallikas. Ideaalne vooluallikas on lõpmatu impedants, seega uurime võimalust asendada R_EE sellise vooluallikaga. Joonis 9.3 illustreerib diferentsiaalvõimendit, kus takisti, R_EE, asendatakse püsivooluallikaga.

(18)

Mida lähemal on allikas ideaalsele püsivooluallikale, seda suurem on tavarežiimi tagasilükkamise suhe. Me illustreerime dioodiga kompenseeritud fikseeritud diagonaalse voolu allikat. Kompensatsioon muudab ahela toimimise sõltuvaks temperatuurivahetustest. Diood D₁ ja transistor Q₃ on valitud nii, et neil oleksid töötemperatuuride vahemikus peaaegu identsed omadused.
Joonise 3 (a) ahela analüüsimiseks ja CMRR leidmiseks peame määrama samaväärse vastupanu, R_TH (konstantse vooluallika ahela Thevenini ekvivalent). Samaväärse takistuse annab [vt joonis 3 (b)]

KCL-i võrrandi kirjutamine sõlmes 1, meil on

(19)

kus r_o on transistori sisemine takistus määratud tööpunktis. Seda annab

(20)

Diferentsiaalvõimendid, ahela simulatsioon, vooluringi simulaator, vooluringi konstruktsioon, praktilised võimendid

Joonis 3 - konstantse vooluallikaga diferentsiaalivõimendi

KCL võrrand sõlmes 2 saagis

(21)

kus

(22)

Asendamine v₁ ja v₂ võrrandisse 2, meil on

(23)

Lõpuks antakse Thevenini takistus, asendades võrrandid (22) ja (23) võrrandisse (18).

(24)

Nüüd teeme rida eeldusi, et seda väljendit oluliselt lihtsustada. Bias stabiilsuse säilitamiseks kasutame seda suunist

(25)

Selle väärtuse asendamine R_B võrrandis (24) ja jagades β, meil on

(26)

Me võime seda väljendit lihtsustada, märkides

(27)

Meil on siis

(28)

Kuna teine võrrand selles võrrandis on palju suurem kui esimene, siis saame ignoreerida R_E saada

(29)

Seda võrrandit saab veelgi lihtsustada, kui on olemas järgmine tingimus:

(30)

Sellisel juhul on meil lihtne tulemus

(31)

Seega, kui kõik ligikaudsed hinnangud kehtivad, R_TH on sõltumatu β ja selle väärtus on üsna suur.

1.4 diferentsiaalvõimendi ühekordse sisendiga ja väljundiga

Joonis 4 näitab diferentsiaalvõimendit, kus teine sisend, v₂, on võrdne nulliga ja väljund võetakse kui v_o1.

Me kasutame konstantset vooluallikat R_EE, nagu on kirjeldatud eelmises osas. Seda tuntakse kui a ühe otsaga sisend- ja väljundvõimendi faasivahetusega. Võimendit analüüsitakse seadistuse abil v₂= 0 varasemates võrrandites. Erinev sisend on siis lihtsalt

(32)

nii väljund on

(33)

Joonis 4 - Ühe otsaga sisend faasivahetusega

Miinusmärk näitab, et võimendil on 180^o faasi nihutamine väljundi ja sisendi vahel. Tüüpiline sinusoidne sisend ja väljund on kujutatud joonisel 5.

Joonis 5 - sinusoidne sisend ja väljund

Kui väljundsignaali tuleb viidata maapinnale, kuid faasi ümberpööramist ei soovita, võib väljund transistorist võtta Q₂.

Näide 1 - diferentsiaalvõimendi (analüüs)

Leidke joonisel 1 näidatud vooluahela diferentsiaalpinge võimendus, tavarežiimi pinge võimendus ja CMRR. Eelda et R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE= 15 V, V_BE= 0.7 V, V_T= 26 mV ja R_EE = 25 kΩ. Lase v₂ = 0 ja võtke väljund v_o2.

Lahendus: Praegune vool läbi R_EE on leitav seisund. Kuna baasi Q₂ on maandatud, emitteri pinge on V_BE = 0.7 V ja

Iga transistori järsk vool on pool sellest summast.

Alates

diferentsiaalpinge suurenemine igas transistoris on

Üldrežiimi pinge suurendamine on

Seejärel esitatakse ühisrežiimi tagasilükkamise suhe

TAOTLUS

Samuti saate neid arvutusi läbi viia TINA või TINACloud-skeemi simulaatoritega, kasutades oma tõlketööriista, klõpsates alloleval lingil.

1 - diferentsiaalvõimendi ahela simulatsioon

Näiteks 2

Näites 1 kirjeldatud diferentsiaalvõimendi jaoks kujundage temperatuuriga kompenseeritud fikseeritud eenduvoolu allikas (joonis 3), et asendada R_EE ja määrake diferentsiaalvõimendi uus CMRR koos r_o = 105 kΩ, V_BE = 0.7 V ja β = 100. Oletame R₁ = R₂.

Lahendus: Asetame transistori tööpunkti keskele dc laadimisliin.

Siis viidates joonise 3 (a) praegusele allikale,

Bias stabiilsuse jaoks

Siis

Kuna 0.1R_E>>r_e (st 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), siis võrrandist (31) saame

CMRR-i annab

TAOTLUS

Samuti saate neid arvutusi läbi viia TINA või TINACloud-skeemi simulaatoritega, kasutades oma tõlketööriista, klõpsates alloleval lingil.

2 - diferentsiaalvõimendi ahela simulatsioon

Näiteks 3

Kujundage vooluahel, et saavutada joonisel 6 toodud tingimused, et väljundpinge oleks maksimaalne. Viis transistorit, Q₁ et Q₅, mõlemal on β = 100 ajal Q₆ on β kohta 200. V_BE on 0.6 V kõigi transistoride jaoks, V_T= 26 mV ja V_A= 80 V. Oletame, et kõik transistorid on identsed.