Amplifikadore diferentzialak-TINA eta TINACloud baliabideak

Amplifikadore diferentzialak

Operaziorako anplifikadore gehienek transistore, erresistentzia eta kondentsadoreak serie osoa osatzen dute txip bakar batean. Gaur egun dauden anplifikadoreak fidagarriak dira, tamaina txikian eta oso gutxi kontsumitzen dute.

Op-Amps gehienen sarrera D daifferential Amplifier 1 irudian bere modurik errazena erakusten duen moduan.

Amplifikadore diferentzialak, anplifikadore operatibo praktikoa, zirkuitu simulazioa, zirkuitu simulagailua, zirkuituaren diseinua

1 irudia - anplifikadore diferentziala

Anplifikagailu diferentziala bi igorle-igorle arruntarekin igortzen da dc anplifikadoreak. Bi sarrera ditu, v₁ v₂, eta hiru irteera, v_o1, v_o2 v_out. Hirugarren irteera, v_out, arteko aldea da v_o1 v_o2.

1.1 dc Transferitzeko Ezaugarriak

Amplifikadore diferentzialak ez du linealki funtzionatzen seinale handiko sarrera handiekin. Azterketan sinplifikatu ahal izateko, suposatzen dugu RE handia dela, transistore bakoitzaren oinarri-erresistentzia gutxikoa dela eta transistore bakoitzaren irteera-erresistentzia handia dela. Kontuan hartu REE ordez RE erabiltzen dugun anplifikadore diferentziala hemen erabilitako erresistentzia handia delako eta uneko iturri baten erresistentzia baliokidea izan daiteke. REEren balio handiak igorle-erresistentziaren tentsioa ia konstante jaisten mantentzen du.
Zirkuitu hau irteerako tentsioarentzat konpondu dugu. 1 irudiaren zirkuituarentzako KVL ekuazio bat idazten hasiko dugu.

(1)

(2)

Kolektore korronteak esamoldeak aurkitu behar ditugu, i_C1 i_C2. Oinarri-igorleen tentsioak ekuazioak ematen ditu.

Ekuazioan (2) I_o1 I_o2 alderantzizko saturazio korronteak dira Q₁ Q₂ hurrenez hurren. Transistoreak berdinak direla suposatzen dute. Ekuazioen konbinazioa (1) eta (2) errendimenduak

(3)

Ebazpen Ekuazioa (3) uneko ratioa lortzeko, aurkitzen dugu,

(4)

Suposatuko dugu i_C1 gutxi gorabehera berdina da i_E1 i_C2 gutxi gorabehera berdina da i_E2. Hori dela

(5)

Ekuazioak konbinatzen ditugu (4) eta (5)

(6)

Kontuan izan

(7)

Behaketa garrantzitsu bat ekuazioa ikus daiteke (6). bada v₁- v₂ ehun milivolt baino gehiagokoa bihurtzen da, 2 transistoreko korronte kolektore txikia bihurtzen da eta transistorea funtsean mozten da. 1 transistorean dagoen biltzen unekoa gutxi gorabehera berdina da i_EE, eta transistorea saturatu da. Bildumaren korronteak eta, beraz, irteerako tentsioa v_outbi sarrerako tentsioen arteko desberdintasun independentea bihurtuko da.

Amplifikazio lineala 100 mV gutxi gorabeherako sarrerako tentsio desberdintasunetarako bakarrik gertatzen da. Sarrerako tentsioaren gama lineala handitzeko, igorle erresistentzia txikiak gehitu daitezke.

1.2 Common-Mode eta Diferentzial-moduko irabaziak

Anplifikagailu diferentziala bi sarrerako tentsioen arteko aldea soilik erantzuten du. v₁ v₂. Hala eta guztiz ere, op-amp praktiko batean irteerak sarreraren batura nolabaiteko araberakoa da irteera. Adibidez, bi sarrera berdinak baldin badira, irteerako tentsioa ezin hobea izan behar da zero, baina anplifikatzaile praktiko batean ez da. Kasua zirkuituak erantzuten duenaren arabera erantzuten du modu diferentziala. Bi sarrerak berdinak badira, zirkuituaren barruan dagoela diogu modu arrunta. Egokiena zirkuituak modu diferentzialean soilik ekoiztea espero genuke.

Bi sarrera tentsio, v₁ v₂, komun bat eta zati diferentziala konpondu daitezke. Bi sarrera tentsio berri definitzen ditugu honela:

(8)

Tentsioa, v_di, Modu diferentziala sarrerako tentsioa da eta bi sarrerako tentsioen arteko aldea besterik ez da. Tentsioa, v_ci, modu arrunteko sarrerako tentsioa da, eta bi sarrera tentsioen batez bestekoa da. Jatorrizko sarrerako tentsioek kantitate berri horien arabera adieraz daitezke:

(9)

Bi sarrera tentsio berdinak ezartzen baditugu, badugu

(10)

Bi sarrera berdinak direnez, igorle-oinarrizko bidegurutze tentsio berdinak dira (transistoreak berdinak badira). Beraz, biltzen korronteak berdinak izan behar dute.

Amplifikadore diferentzialak, zirkuitu simulazioa, zirkuitu simulagailua, zirkuituaren diseinua, op-amper praktikoak

2 irudia (a) Modu diferentzialen anplifikadorearen zirkuitu baliokidea

Modu diferentzialaren sarrerako tentsioarentzako zirkuitu baliokidea ikusten dugu, 2 irudian (a) irudian agertzen den moduan. Kontuan izan korrontean bezala Q₁ zirkuituaren kopurua handitzen da Q₂ zirkuituaren tasa eta zabalera berean jaisten dira. Hau egia da sarreratik Q₂ da berdina Q₁ baina 180^o fasea. Horrela tentsioa aldatzen da R_EE zero da. Geroztik ac seinale tentsioan zehar R_EE zero da, zirkuitu labur batean ordezkatu daiteke ac zirkuitu baliokidea. Kontuan izan transzistoreen oinarri bakoitzeko tentsioek anplitudea duten baina 180 berdinak direla^o kanpoaldetik bi transistoreen oinarri bikoitzaren anplifikazioa arteko tentsioa jartzea baliokidea da. Tentsioak v_o1 v_o2 anplitudea bera da, baina kontrako fasea eta modu diferentziala gainditzea da

(11)

Modu diferentzialen irabazi hau definitzen da amaierako irteera biltzen eta lurrean hartuta dagoelako. Irteera artekoa bada v_o1 v_o2, modu diferentzialaren irabazia bat deitzen zaio bikoiztutako irteera eta ematen du

(12)

Antzeko analisiak 2 (b) irudiko zirkuitu komuna baliokideetan aplikatu daiteke.

X Bilduma (b) Modu arrunteko anplifikadorearen zirkuitu baliokidea

Erresistentzia banatzen badugu R_EE jatorrizko erresistentzia bikoitza duen bakoitzean bi erresistentzia paralelo bihurtuta, irteera aurkitu dezakegu zirkuituaren erdia soilik aztertuz. Transistoreak berdinak direnez eta modu arrunteko sarrerako tentsio berdinak eta in-phase dira, 2en tentsioakR_EE erresistentzia berdinak dira. Beraz, ikusitako bi erresistentzia paraleloen arteko korrontea zero da eta zirkuituaren alde batetik bakarrik begiratu behar dugu. Modu arrunteko tentsioko irabazia orduan

(13)

Ekuazioa (13) bere gain hartzen du R_EE handia da eta r_e<<R_EE.

Amaierako irteerako tentsioa aurkitzen dugu modu arruntaren eta modu diferentzialaren arabera, honela:

(14)

Modu diferentzialaren irabazia ohiko moduan baino askoz handiagoa izatea desiragarria da, anplifikadoreak sarrerako tentsioen arteko desberdintasunarekin erreakzionatzen baitu. The Modu arruntaren gaitzespena, CMRR, modu diferentzialaren irabazia modu arruntekoaren arteko erlazio gisa definitzen da. Normalean, dB-n adierazten da.

(15)

Orain amplificadorearen sarrerako erresistentzia modu diferentzialean eta modu komunean zehazten dugu. Modu diferentzialerako, bi transistoreen oinarriaren anplifikadorea aztertzen dugu. Bi transistoren zirkuitu osoa lortzen da, eta sarrera-erresistentzia da

(16)

Modu arrunteko sarrerarako, 2 irudiaren (b) irudiaren anplifikadorean sartuko gara. Horrela, sarrera erresistentzia da

(17)

Emaitza hauek adierazten dute modu komuneko sarrerako erresistentzia modu diferentziala baino askoz ere handiagoa dela.

Gure amplificador diferentzialen analisia BJT-ak oinarritzen da, transistoreen bloke gisa. FETek anplifikagailu diferentzialetan ere erabil daitezke sarrerako alborapena murriztua duten abantailekin eta sarrerako inpedantzia ia infinituarekin. FET erabiliz amplificador diferentziala aztertzea BJT analisiaren moduan lortzen da.

Anplifikagailu diferentzialek transistore egokiak behar dituzte zirkuitua behar bezala funtzionatzeko. Anplifikagailu diferentziala zirkuitu integratu batean badago, baldintza gehigarri honek arazo gutxiago izango du bi transistoreek aldi berean materialak erabiliz egiten baitira.

1.3 Amplificador Diferentziala Etengabeko Korronte Iturriarekin

Desiragarria da R_EE ahalik eta handienak modu arruntaren irteera murrizteko. Ekuazioa erakusten du CMRR handiak egin behar direla R_EE handiak. Erresistentzia handiak dira IC-en txipetan fabrikatzeko zailak direnez, ikuspegi alternatibo bat bilatzen dugu. Hau ordezkatuz lortzen da R_EE bat dc uneko iturria. Egungo iturri ideal batek inpedantzia infinitua du, beraz, ordezkatzeko aukera aztertzen dugu R_EE uneko iturriarekin. 9.3 irudia erresistentziaren anplifikadore diferentziala erakusten du. R_EEuneko uneko iturri batekin ordeztuko da.

(18)

Iturri iturriak etengabeko etengabeko iturri aproposa izanda ere, zenbat eta handiagoa izan, orduan eta goi-mailako errefusio-ratioa handiagoa izango da. Diodo konpentsatutako alderdi finkoaren iturburu iturria ilustratzen dugu. Konpentsazioa zirkuituaren funtzionamenduak tenperatura aldaketen menpe dago. Diodo D₁ eta transistorea Q₃ funtzionamendu-tenperaturen gama osoan ezaugarri berdinak dituzte.
3 (a) irudiaren zirkuitua aztertzeko eta CMRRa aurkitzeko, erresistentzia baliokidea zehaztu behar dugu. R_TH (egungo korronte iturri zirkuituaren baliokidea den Thevenin). Erresistentzia baliokidea [ikusi 3 (b) irudia] da.

KCL ekuazioa 1 nodoan idazten dugu

(19)

non r_o transistorearen barne erresistentzia zehaztutako eragiketa puntuan. Honek ematen du

(20)

Amplifikadore diferentzialak, zirkuitu simulazioa, zirkuitu simulagailua, zirkuituaren diseinua, op-amper praktikoak

3 irudia - korronte konstanteko iturria duen anplifikadore diferentziala

KCL ekuazioa nodo 2 atalean

(21)

non

(22)

ordezkatzeak v₁ v₂ 2 nodoaren ekuazioan sartu dugu

(23)

Azkenean, Thevenin-en erresistentzia (22) eta (23) ekuazioak (18) ekuazioarekin ordezkatuz ematen da.

(24)

Adierazpen hau asko errazteko hipotesi batzuk egingo ditugu orain. Biasa egonkortasuna mantentzeko, gida hau erabiltzen dugu

(25)

Balio hau ordezkatuz R_B ekuazioan (24) eta zatituz β, daukagu

(26)

Adierazpen hori erraztu dezakegu

(27)

Ondoren, badugu

(28)

Ekuazio honen bigarren terminoa lehenengoa baino askoz ere handiagoa denez, ezin dugu alde batera utzi R_E lortu

(29)

Ekuazio hau errazagoa izan daiteke honako egoera existitzen bada:

(30)

Kasu horretan, emaitza erraza daukagu

(31)

Horregatik, hurbilketa guztiak baliozkoak baldin badira, R_TH independentea da β eta bere balioa nahiko handia da.

1.4 anplifikadore desberdineko sarrera bakarreko sarrera eta irteera

4 irudian anplifikadore diferentziala erakusten du bigarren sarreran. v₂zero da berdina eta irteera honela hartzen da v_o1.

Uneko iturri konstante bat erabiltzen dugu R_EE, aurreko atalean azaldu bezala. Hau deitzen da Funtzio bakarreko sarrera eta irteerako anplifikadorea, fase aldaketarekin. Amplifikadorea ezarriz analizatzen da v₂= 0 aurreko ekuazioetan. Sarrera diferentziala besterik ez da

(32)

beraz irteera da

(33)

4 irudia - Fina bakarreko sarrerako fasea alderantzikatzeko

Minus ikurrak anplifikadoreak 180 bat duela adierazten du^o irteeraren eta sarreraren arteko aldaketa fasea. Sarrera eta irteera sinusoidale tipikoa erakusten da 5 irudian.

5 irudia: sarrera nuklearra eta irteera

Irteerako seinalea lurzoruari erreferentzia egin nahi badio, baina ez da fasearen itzulera nahi duzun, irteera transistoreetatik hartu daiteke Q₂.

1. adibidea - anplifikadore diferentziala (analisia)

Bilatu tentsio diferentziala, komuna-moduko tentsioko irabazia eta CMRR 1 irudian agertzen den zirkuituarentzat. Demagun hori R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE= X V, V_BE= X V, V_T= 26 mV, eta R_EE = 25 kΩ. Utzi v₂ = 0 eta hartu irteera v_o2.

Irtenbidea: Unekoa R_EE egoera lasaian aurkitzen da. Oinarri zenetik Q₂ oinarrituak, igorleen tentsioa V_BE = X V, eta

Transistore bakoitzeko korronte lasai bat zenbateko horren erdia da.

Geroztik

transistore bakoitzeko tentsio diferentziala duen irabazia da

Modu arrunteko tentsioko irabazia da

Modu arruntaren gaitzespenaren ratioa honela ematen da

ESKAERA

Halaber, kalkulu hauek egin ditzakezu TINA edo TINACloud zirkuitu simulagailuekin, Interpretatzailea erabiliz beheko estekan klik eginez.

1-Amplificador diferentzialen zirkuituaren simulazioa

Adibidea 2

1 adibidean deskribatutako anplifikadore diferentzialerako, diseinatu tenperatura konpentsatutako alderdi finkoen uneko iturburu bat (3 irudia) ordezkatzeko. R_EE eta zehaztu CMRR berria anplifikadorea diferentziala izateko r_o = 105 kΩ, V_BE = X V, eta β = 100. Demagun R₁ = R₂.

Irtenbidea: Transistoreen funtzionamendu puntua jartzen dugu dc karga-lerroa.

Ondoren, 3 (a) irudiaren uneko iturburua aipatuz,

Biasa egonkortasunerako

Ondoren

0.1 geroztikR_E>>r_e (hau da, 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), orduan (31) ekuaziotik dugu

CMRR da

ESKAERA

Halaber, kalkulu hauek egin ditzakezu TINA edo TINACloud zirkuitu simulagailuekin, Interpretatzailea erabiliz beheko estekan klik eginez.

2-Amplificador diferentzialen zirkuituaren simulazioa

Adibidea 3

Diseinatu zirkuitu bat 6 irudian zehaztutako baldintzak lortzeko irteerako gehienezko tentsioaren swingera. Bost transistoreak, Q₁ to Q₅, bakoitzak β = 100 bitartean Q₆ ditu β 200 du. V_BE 0.6 V da transistore guztientzat, V_T= 26 mV, eta V_A= 80 V. Demagun transistore guztiak berdinak direla.