1. Tasausvahvistimet

Tasausvahvistimet

Useimmat operatiiviset vahvistimet koostuvat sarjasta transistoreita, vastuksia ja kondensaattoreita, jotka muodostavat kokonaisen järjestelmän yhdellä sirulla. Nykyisin käytettävissä olevat vahvistimet ovat luotettavia, pieniä ja kuluttavat hyvin vähän virtaa.

Useimpien op-ampeereiden tulovaihe on Differential-vahvistin kuten on esitetty sen yksinkertaisimmassa muodossa kuviossa 1.

Tasausvahvistimet, käytännön vahvistin, piirin simulointi, piirisimulaattori, piirisuunnittelu,

Kuva 1 - differentiaalivahvistin

Diferenssivahvistin koostuu kahdesta emitteri-kytketystä yhteisestä emitteristä dc vahvistimet. Siinä on kaksi tuloa, v1 ja v2ja kolme tuotosta, vo1, vo2 ja vulos. Kolmas tulos, vulos, on ero vo1 ja vo2.

1.1 dc Transfer -ominaisuudet

Erotusvahvistin ei toimi lineaarisesti suurilla signaalituloilla. Analyysin yksinkertaistamiseksi oletetaan, että RE on suuri, että kunkin transistorin pohjavastus on vähäinen ja että kunkin transistorin lähtöresistanssi on suuri. Huomaa, että differentiaalivahvistimessa käytetään REE: tä eikä RE: tä, koska tässä käytetty vastus on suuri ja voi olla virranlähteen vastaava vastus. REE: n suuri arvo pitää emitterinvastuksen jännitteen pudotuksen lähes vakiona.
Nyt ratkaistaan ​​tämä piiri lähtöjännitteelle. Aloitamme kirjoittamalla KVL-yhtälön kuvan 1-piirin perusliitospiirin ympärille.

(1)

(2)

Meidän on löydettävä ilmaisuja kollektorivirroille, iC1 ja iC2. Emäksen emitterin jännitteet annetaan yhtälöllä,

Yhtälössä (2) Io1 ja Io2 ovat käänteiset kyllästysvirrat Q1 ja Q2 vastaavasti. Transistoreiden oletetaan olevan identtisiä. Yhtälöiden (1) ja (2) yhdistäminen

(3)

Yhtälön (3) ratkaiseminen nykyisen suhteen suhteen,

(4)

Voimme olettaa iC1 on suunnilleen yhtä suuri iE1 ja iC2 on suunnilleen yhtä suuri iE2. Siksi

(5)

Yhdistetään yhtälöt (4) ja (5)

(6)

Huomaa, että

(7)

Tärkeä havainto voidaan tehdä katselemalla yhtälöä (6). Jos v1 - v2 tulee enemmän kuin useita satoja millivolteja, transistorin 2 keräysvirta muuttuu pieneksi ja transistori on olennaisesti katkaistu. Transistorin 1 kollektorivirta on suunnilleen sama iEE, ja tämä transistori on tyydyttynyt. Keräimen virrat ja siten lähtöjännite vulos, ovat riippumattomia kahden tulojännitteen välisestä erosta.

Lineaarinen vahvistus tapahtuu vain tulojänniteerojen ollessa pienempiä kuin noin 100 mV. Tulojännitteen lineaarisen alueen lisäämiseksi voidaan lisätä pieniä emitterivastuksia.

1.2: n yhteistila ja differentiaali-tilan voitot

Erotusvahvistimen on tarkoitus vastata vain kahden tulojännitteen väliseen eroon, v1 ja v2. Käytännöllisessä optiossa ulostulo riippuu kuitenkin jossain määrin näiden tulojen summasta. Jos esimerkiksi molemmat tulot ovat yhtä suuret, lähtöjännitteen tulisi mieluiten olla nolla, mutta käytännön vahvistimessa se ei ole. Merkitään tapaus, kun piiri reagoi eroon erotustila. Jos nämä kaksi tuloa ovat yhtä suuret, sanomme, että piiri on sen sisällä yhteinen tila. Ihannetapauksessa voisimme odottaa, että piiri tuottaa tuotoksen vain differentiaalitilassa.

Kaikki kaksi tulojännitettä, v1 ja v2, voidaan ratkaista yhteiseksi ja differentiaaliseksi osaksi. Määritämme kaksi uutta tulojännitettä seuraavasti:

(8)

Jännite, vdi, on differentiaalitilan syöttöjännite ja se on yksinkertaisesti kahden tulojännitteen välinen ero. Jännite, vci, on yhteismoodin syöttöjännite, ja se on kahden tulojännitteen keskiarvo. Alkuperäiset syöttöjännitteet voidaan ilmaista näillä uusilla määrillä seuraavasti:

(9)

Jos asetamme kaksi tulojännitettä yhtä suuriksi, meillä on

(10)

Koska nämä kaksi tuloa ovat yhtä suuret, emitteripohjaiset liitosjännitteet ovat yhtä suuret (jos transistorit ovat identtisiä). Siten myös kollektorivirtojen on oltava identtisiä.

Tasausvahvistimet, piirin simulointi, piirisimulaattori, piirisuunnittelu, käytännölliset optiot

Kuva 2 (a) Tasausmoodivahvistimen vastaava piiri

Tarkastelemme nyt vastaavan piirin differentiaalitilan syöttöjännitettä varten, kuten kuvassa 2 (a) on esitetty. Huomaa, että nykyinen Q1 piiri kasvaa, nykyinen Q2 piiri vähenee samalla nopeudella ja amplitudilla. Tämä on totta, kun syötettiin Q2 on yhtä suuri kuin Q1 mutta 180o epätahdissa. Näin jännite muuttuu REE on nolla. Koska ac signaalijännite REE on nolla, se voidaan korvata oikosululla ac vastaava piiri. Huomaa, että jännitteiden asettaminen jokaiselle transistorin pohjalle, joka on yhtä suuri kuin amplitudi, mutta 180o vaiheen ulkopuolella vastaa jännitteen asettamista kahden transistorin perustan välille, joka on kaksinkertainen amplitudiin. Jännitteet on vo1 ja vo2 ovat samanlaiset amplitudit mutta vastakkaiset vaiheet ja differentiaalimoodin vahvistus on

(11)

Tämä differentiaalitilan vahvistus määritellään kohdassa a yksipäinen tuotos koska se on otettu yhden kerääjän ja maan välillä. Jos lähtö on otettu vo1 ja vo2, erotustilan vahvistusta kutsutaan a: ksi kaksipäinen ulostulo ja on antanut

(12)

Samanlainen analyysi voidaan soveltaa kuviossa 2 (b) olevaan yhteismoodin vastaavaan piiriin.

Tasausvahvistimet, piirin simulointi, piirisimulaattori, piirisuunnittelu, käytännölliset optiot

Kuva 2 (b) Yleismoodin vahvistinekvivalenttipiiri

Jos jaamme vastuksen REE kahteen rinnakkaiseen vastukseen, joista jokaisella on kaksinkertainen alkuperäinen vastus, voimme löytää lähdön analysoimalla vain puolet piiristä. Koska transistorit ovat identtiset ja yhteismoodin tulojännitteet ovat yhtä suuret ja vaiheet, jännitteet 2: n yliREE vastukset ovat samat. Täten kahden näytetyn rinnakkaisvastuksen välinen virta on nolla ja meidän on vain tarkasteltava piirin yhtä puolta. Tällöin yhteismoodijännite vahvistuu

(13)

Yhtälö (13) olettaa REE on suuri ja re<<REE.

Kaksipäinen lähtöjännite on yhteismoodin ja differentiaalitilan vahvistuksen kannalta seuraava:

(14)

On toivottavaa, että differentiaali-moodin vahvistus on paljon suurempi kuin yhteismoodin vahvistus niin, että vahvistin reagoi ensisijaisesti tulojännitteiden väliseen eroon. yhteismoodin hylkäyssuhde, CMRR, määritellään erotustilan vahvistuksen suhdetta yhteismoodin vahvistukseen. Se ilmaistaan ​​yleensä dB: na.

(15)

Nyt määritetään vahvistimen tulonkestävyys sekä differentiaalitilassa että yhteisessä tilassa. Erotustilassa tarkastelemme vahvistinta molempien transistoreiden pohjalla. Tämä johtaa täydelliseen piiriin molempien transistoreiden emitterin kautta, ja tulovastus on

(16)

Nyt yhteismoodin tulolle tarkastellaan kuviossa 2 (b) olevaa vahvistinta. Siten tulonkestävyys on

(17)

Nämä tulokset osoittavat, että yhteisen tilan tulonkestävyys on paljon korkeampi kuin differentiaalitilan.

Erotusvahvistimen analyysi perustuu BJT: hen transistorin rakennuslohkoina. FET: iä voidaan käyttää myös differentiaalivahvistimissa, joiden tuloksena on pienentynyt syöttöprofiili ja lähes ääretön tuloimpedanssi. Diferenssivahvistimen analyysi FET: iden avulla suoritetaan samalla tavalla kuin BJT-analyysi.

Tasausvahvistimet tarvitsevat sovitettuja transistoreita sen varmistamiseksi, että piiri toimii oikein. Jos differentiaalivahvistin on integroidulla piirillä, tämä lisävaatimus on vähemmän ongelma, koska nämä kaksi transistoria on valmistettu samaan aikaan käyttäen samaa materiaalia.

1.3-differentiaalivahvistin, jossa on vakio virtalähde

On toivottavaa tehdä REE niin suuri kuin mahdollista, jotta voidaan vähentää yhteismoodin ulostuloa. Yhtälö osoittaa, että CMRR: n tekeminen on suuri REE suuri. Koska IC-siruille on vaikea valmistaa suuria vastuksia, etsimme vaihtoehtoista lähestymistapaa. Tämä saavutetaan korvaamalla REE kanssa dc nykyinen lähde. Ihanteellisella virtalähteellä on ääretön impedanssi, joten tutkimme mahdollisuutta vaihtaa REE tällaisen virtalähteen kanssa. Kuva 9.3 kuvaa differentiaalivahvistinta, jossa vastus, REE, korvataan vakiovirtalähteellä.

(18)

Mitä lähempänä lähde on ihanteelliselle vakiovirtalähteelle, sitä suurempi on yhteismoodin hylkäyssuhde. Esitämme diodikompensoidun kiinteän bias-virtalähteen. Kompensointi tekee piirin toiminnasta vähemmän riippuvaisia ​​lämpötilan vaihteluista. Diodi D1 ja transistori Q3 ne on valittu siten, että niillä on lähes samanlaiset ominaisuudet kuin käyttölämpötiloissa.
Kuvion 3 (a) piirin analysoimiseksi ja CMRR: n löytämiseksi on määritettävä vastaava vastus, RTH (vakiovirtalähteen piirin Thevenin-ekvivalentti). Vastaava vastus saadaan [katso kuva 3 (b)]

KCL-yhtälön kirjoittaminen solmussa 1, meillä on

(19)

jossa ro on transistorin sisäinen vastus määritellyssä toimintapisteessä. Se on

(20)

Tasausvahvistimet, piirin simulointi, piirisimulaattori, piirisuunnittelu, käytännölliset optiot

Kuva 3 - differentiaalivahvistin, jossa on vakiovirtalähde

KCL-yhtälö solmussa 2-saanto

(21)

jossa

(22)

korvaamalla v1 ja v2 yhtälöön solmuun 2, meillä on

(23)

Lopuksi Thevenin-vastus saadaan korvaamalla yhtälöt (22) ja (23) yhtälöön (18).

(24)

Teemme nyt joukon oletuksia yksinkertaistamaan tätä ilmaisua. Jotta vakaus pysyisi vakaana, käytämme ohjetta

(25)

Korvaa tämä arvo RB yhtälössä (24) ja jakamalla β, meillä on

(26)

Voimme yksinkertaistaa tätä ilmaisua huomauttamalla

(27)

Meillä on sitten

(28)

Koska tämän yhtälön toinen termi on paljon suurempi kuin ensimmäinen, niin voimme jättää huomiotta RE saada

(29)

Tätä yhtälöä voidaan edelleen yksinkertaistaa, jos seuraava ehto on olemassa:

(30)

Tässä tapauksessa meillä on yksinkertainen tulos

(31)

Jos siis kaikki likiarvot ovat voimassa, RTH on riippumaton β ja sen arvo on melko suuri.

1.4-differentiaalivahvistin, jossa on yksi pää

Kuva 4 näyttää differentiaalivahvistimen, jossa toinen tulo, v2, asetetaan yhtä suureksi kuin nolla ja lähtö otetaan vo1.

Käytämme vakiona olevaa virtalähdettä REE, kuten edellisessä osassa on käsitelty. Tätä kutsutaan nimellä a yksivaiheinen tulo- ja lähtövahvistin, jossa on vaihevirtaus. Vahvistin analysoidaan asetuksella v2 = 0 aikaisemmissa yhtälöissä. Erotulo on yksinkertaisesti

(32)

joten lähtö on

(33)

Tasausvahvistimet, piirin simulointi, piirisimulaattori, piirisuunnittelu, käytännölliset optiot

Kuva 4 - Yksivaiheinen tulo, jossa vaihevirtaus

Miinusmerkki ilmaisee, että tämä vahvistin näyttää 180ino vaiheensiirto tuotoksen ja tulon välillä. Tyypillinen sinimuotoinen tulo ja lähtö on esitetty kuviossa 5.

Kuva 5 - Sinimuotoinen tulo ja lähtö

Jos lähtösignaali on kytkettävä maahan, mutta vaihevirtausta ei haluta, lähtö voidaan ottaa transistorista Q2.

Esimerkki 1 - differentiaalivahvistin (analyysi)

Etsi differentiaalijännitevahvistus, yhteismoduulijännitevoitto ja CMRR kuviossa 1 esitetylle piirille. Oleta että Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT = 26 mV ja REE = 25 kΩ. Päästää v2 = 0 ja ota lähtö vo2.

Ratkaisu: Virta läpi REE löytyy lepotilassa. Koska pohja Q2 on maadoitettu, emitterijännite on VBE = 0.7 V ja

Jokaisen transistorin hiljainen virta on puolet tästä määrästä.

Koska

kunkin transistorin differentiaalijännitevoitto on

Yhteismuotoinen jännitevahvistus on

Tämän jälkeen yhteismoodin hylkäyssuhde annetaan

HAKEMUS

Voit myös suorittaa nämä laskutoimitukset TINA- tai TINACloud-piirisimulaattoreilla käyttämällä tulkkaustyökalua klikkaamalla alla olevaa linkkiä.

1 - differentiaalivahvistinpiirin simulointi

Esimerkki 2

Esimerkissä 1 kuvattuun differentiaalivahvistimeen suunnitellaan lämpötilakompensoitu kiinteän esijännitteen virtalähde (kuva 3) korvaamaan REE ja määritä differentiaalivahvistimen uusi CMRR ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V ja β = 100. olettaa R1 = R2.

Ratkaisu: Sijoitamme transistorin toimintapisteen keskelle dc kuormituslinja.

Sitten viitaten kuvion 3 (a) nykyiseen lähteeseen

Bias-vakautta varten

Sitten

koska 0.1RE>>re (ts. 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), niin yhtälöstä (31) meillä on

CMRR: n antaa

HAKEMUS

Voit myös suorittaa nämä laskutoimitukset TINA- tai TINACloud-piirisimulaattoreilla käyttämällä tulkkaustyökalua klikkaamalla alla olevaa linkkiä.

2 - differentiaalivahvistinpiirin simulointi

Esimerkki 3

Suunnittele piiri, jolla saavutetaan kuvassa 6 määritellyt olosuhteet maksimilähtöjännitteen vauhdiksi. Viisi transistoria, Q1 että Q5, jokaisella on β = 100 kun Q6 on β ja 200. VBE on 0.6 V kaikille transistoreille, VT = 26 mV ja VA = 80 V. Oletetaan, että kaikki transistorit ovat identtisiä.

määrittää,

(A) RC, R1ja CMRR.

(b) Yhteismoduulin lähtöjännite.

(c) differentiaalitilan lähtöjännite.

(d) differentiaalitila panos jännite vdi maksimiteho.

Erotusvahvistin, käytännöllinen op-amp, piirin simulointi, piirisuunnittelu

Kuva 6 - Erotusvahvistin esimerkissä 3

Ratkaisu: Käsittelemme piiriä kolmessa osassa:

  • 1. Darlington-vahvistin.

Darlington-vahvistin

  • 2. Erotusvahvistin

Erotusvahvistin

  • 3. Yksinkertainen virtalähde

Nyt on koko järjestelmä, meillä on

Erotulo vdi on välttämätöntä, jotta saadaan aikaan mahdollisimman suuri vääristymätön lähtöjännite


HAKEMUS

Voit myös suorittaa nämä laskutoimitukset TINA- tai TINACloud-piirisimulaattoreilla käyttämällä tulkkaustyökalua klikkaamalla alla olevaa linkkiä.

3 - differentiaalivahvistinpiirin simulointi