1। विभेदक एम्पलीफायरों

विभेदक एम्पलीफायरों

अधिकांश ऑपरेशनल एम्पलीफायरों में ट्रांजिस्टर, रेसिस्टर्स और कैपेसिटर की एक श्रृंखला शामिल होती है, जो एकल चिप पर एक संपूर्ण सिस्टम बनाती है। आज उपलब्ध एम्पलीफायरों विश्वसनीय हैं, आकार में छोटे हैं, और बहुत कम बिजली की खपत करते हैं।

अधिकांश ऑप-एम्प्स का इनपुट चरण डी हैifferential एम्पलीफायर जैसा कि चित्र 1 में अपने सरलतम रूप में दिखाया गया है।

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चित्रा 1 - विभेदक एम्पलीफायर

अंतर एम्पलीफायर दो एमिटर-युग्मित सामान्य-एमिटर से बना है dc एम्पलीफायरों। इसके दो इनपुट हैं, v1 और v2, और तीन आउटपुट, vo1, vo2 और vआउट। तीसरा आउटपुट, vआउट, के बीच का अंतर है vo1 और vo2.

1.1 dc स्थानांतरण विशेषता

विभेदक एम्पलीफायर बड़े सिग्नल इनपुट के साथ रैखिक रूप से संचालित नहीं होता है। विश्लेषण को सरल बनाने के लिए हम मानते हैं कि आरई बड़ा है, कि प्रत्येक ट्रांजिस्टर का आधार प्रतिरोध नगण्य है और प्रत्येक ट्रांजिस्टर का आउटपुट प्रतिरोध बड़ा है। ध्यान दें कि हम अंतर एम्पलीफायर में आरई के बजाय आरईई का उपयोग करते हैं क्योंकि यहां इस्तेमाल किया गया अवरोधक बड़ा है और वर्तमान स्रोत के बराबर प्रतिरोध हो सकता है। आरईई का बड़ा मूल्य एमिटर रोकनेवाला वोल्टेज ड्रॉप को लगभग स्थिर रखता है।
अब हम आउटपुट सर्किट के लिए इस सर्किट को हल करते हैं। हम चित्रा 1 के सर्किट के लिए बेस जंक्शन लूप के चारों ओर KVL समीकरण लिखकर शुरू करते हैं।

(1)

(2)

हमें कलेक्टर धाराओं के लिए भाव खोजने की आवश्यकता है, iC1 और iC2। आधार-उत्सर्जक वोल्टेज समीकरण द्वारा दिए गए हैं,

समीकरण (2) में Io1 और Io2 के लिए रिवर्स संतृप्ति धाराएं हैं Q1 और Q2 क्रमशः। ट्रांजिस्टर को समान माना जाता है। समीकरणों (1) और (2) के संयोजन

(3)

वर्तमान अनुपात के लिए समीकरण (3) हल करना, हम पाते हैं,

(4)

हम यह मान सकते हैं iC1 लगभग बराबर है iE1 और iC2 लगभग बराबर है iE2। इसलिये

(5)

समीकरण (4) और (5), हमारे पास हैं

(6)

ध्यान दें कि

(7)

समीकरण (6) को देखकर एक महत्वपूर्ण अवलोकन किया जा सकता है। अगर v1 - v2 कई सौ मिलीवॉल से अधिक हो जाता है, ट्रांजिस्टर 2 में कलेक्टर वर्तमान छोटा हो जाता है और ट्रांजिस्टर अनिवार्य रूप से कट जाता है। ट्रांजिस्टर 1 में कलेक्टर करंट लगभग बराबर है iEE, और यह ट्रांजिस्टर संतृप्त है। कलेक्टर धाराएं, और इसलिए आउटपुट वोल्टेज vआउट, दो इनपुट वोल्टेज के बीच अंतर से स्वतंत्र हो जाते हैं।

रैखिक प्रवर्धन केवल इनपुट वोल्टेज अंतर के लिए लगभग 100 mV से कम होता है। इनपुट वोल्टेज की रैखिक सीमा को बढ़ाने के लिए, छोटे एमिटर प्रतिरोधों को जोड़ा जा सकता है।

1.2 कॉमन-मोड और डिफरेंशियल-मोड गेन्स

अंतर एम्पलीफायर का उद्देश्य केवल दो इनपुट वोल्टेज के बीच अंतर का जवाब देना है, v1 और v2। हालांकि, एक व्यावहारिक ऑप-एम्प में आउटपुट इन इनपुटों के योग पर कुछ हद तक निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, यदि दोनों इनपुट समान हैं, तो आउटपुट वोल्टेज आदर्श रूप से शून्य होना चाहिए, लेकिन व्यावहारिक एम्पलीफायर में यह नहीं है। हम उस मामले को लेबल करते हैं जब सर्किट अंतर के रूप में प्रतिक्रिया करता है अंतर मोड। यदि दो इनपुट समान हैं, तो हम कहते हैं कि सर्किट में है सामान्य मोड। आदर्श रूप से हम सर्किट से केवल डिफरेंशियल मोड में आउटपुट का उत्पादन करने की उम्मीद करेंगे।

कोई भी दो इनपुट वोल्टेज, v1 और v2, एक आम और एक विभेदक भाग में हल किया जा सकता है। हम दो नए इनपुट वोल्टेज को इस प्रकार परिभाषित करते हैं:

(8)

वोल्टेज, vdi, विभेदक-मोड इनपुट वोल्टेज है और यह केवल दो इनपुट वोल्टेज के बीच का अंतर है। वोल्टेज, vci, सामान्य-मोड इनपुट वोल्टेज है, और यह दो इनपुट वोल्टेज का औसत है। मूल इनपुट वोल्टेज को इन नई राशियों के संदर्भ में निम्न प्रकार से व्यक्त किया जा सकता है:

(9)

यदि हम दो इनपुट वोल्टेज बराबर सेट करते हैं, तो हमारे पास है

(10)

चूंकि दो इनपुट समान हैं, एमिटर-बेस जंक्शन वोल्टेज समान हैं (यदि ट्रांजिस्टर समान हैं)। इस प्रकार, कलेक्टर धाराएं भी समान होनी चाहिए।

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चित्रा 2 (ए) अंतर-मोड एम्पलीफायर समकक्ष सर्किट

अब हम अंतर-मोड इनपुट वोल्टेज के लिए बराबर सर्किट को देखते हैं जैसा कि चित्र 2 (ए) में दिखाया गया है। ध्यान दें कि वर्तमान में के रूप में Q1 सर्किट बढ़ता है, वर्तमान में Q2 उसी दर और आयाम पर सर्किट कम हो जाता है। इनपुट के बाद से यह सच है Q2 के बराबर है Q1 लेकिन 180o चरण के बाहर। इस प्रकार वोल्टेज में परिवर्तन होता है REE शून्य है। के बाद से ac संकेत वोल्टेज भर में REE शून्य है, इसे शॉर्ट सर्किट द्वारा बदल दिया जा सकता है ac बराबर सर्किट। ध्यान दें कि प्रत्येक ट्रांजिस्टर बेस पर वोल्टेज रखना जो कि आयाम के बराबर है लेकिन 180o चरण के दो आयामों के दो ट्रांजिस्टर ठिकानों के बीच एक वोल्टेज रखने के बराबर है। पर voltages vo1 और vo2 समान आयाम के होते हैं लेकिन विपरीत चरण और अंतर-मोड का लाभ होता है

(11)

यह अंतर-मोड लाभ एक पर परिभाषित किया गया है सिंगल-एंडेड आउटपुट चूंकि यह एक कलेक्टर और जमीन के बीच लिया जाता है। यदि आउटपुट के बीच लिया जाता है vo1 और vo2अंतर-मोड लाभ को एक करार दिया जाता है दोतरफा उत्पादन और द्वारा दिया गया है

(12)

इसी तरह के विश्लेषण को चित्रा 2 (बी) में सामान्य-मोड समकक्ष सर्किट पर लागू किया जा सकता है।

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चित्रा 2 (बी) आम-मोड एम्पलीफायर समकक्ष सर्किट

यदि हम रोकनेवाला को विभाजित करते हैं REE मूल प्रतिरोध को दोगुना करने वाले दो समानांतर प्रतिरोधों में, हम केवल आधे सर्किट का विश्लेषण करके आउटपुट पा सकते हैं। चूंकि ट्रांजिस्टर समान हैं और सामान्य-मोड इनपुट वोल्टेज समान और चरण में हैं, XNNX भर में वोल्टेजREE प्रतिरोधक समान हैं। इस प्रकार, के लिए दिखाए गए दो समानांतर प्रतिरोधों के बीच वर्तमान शून्य है और हमें केवल सर्किट के एक तरफ देखने की आवश्यकता है। सामान्य-मोड वोल्टेज लाभ तब है

(13)

समीकरण (13) मानता है REE बड़ा है और re<<REE.

हम सामान्य-मोड और अंतर-मोड लाभ के रूप में निम्न-प्रकार के आउटपुट वोल्टेज को निम्न प्रकार से पाते हैं:

(14)

यह अंतर-मोड लाभ के लिए सामान्य-मोड लाभ से बहुत बड़ा होना वांछनीय है ताकि एम्पलीफायर मुख्य रूप से इनपुट वोल्टेज के बीच के अंतर पर प्रतिक्रिया करे। आम-मोड अस्वीकृति अनुपात, सीएमआरआर, सामान्य-मोड लाभ के लिए अंतर-मोड लाभ के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। यह आमतौर पर डीबी में व्यक्त किया जाता है।

(15)

अब हम एम्पलीफायर के इनपुट प्रतिरोध को अंतर मोड और सामान्य मोड दोनों में निर्धारित करते हैं। अंतर मोड के लिए, हम दोनों ट्रांजिस्टर के आधार पर एम्पलीफायर में देखते हैं। यह एक पूर्ण सर्किट में दोनों ट्रांजिस्टर के उत्सर्जक के माध्यम से परिणाम करता है, और इनपुट प्रतिरोध होता है

(16)

अब सामान्य-मोड इनपुट के लिए, हम चित्रा 2 (b) में एम्पलीफायर पर गौर करते हैं। इस प्रकार, इनपुट प्रतिरोध है

(17)

इन परिणामों से संकेत मिलता है कि आम मोड का इनपुट प्रतिरोध अंतर मोड की तुलना में बहुत अधिक है।

हमारा अंतर एम्पलीफायर विश्लेषण BJTs पर ट्रांजिस्टर बिल्डिंग ब्लॉक्स के रूप में आधारित है। एफईटी का उपयोग विभेदक एम्पलीफायरों में भी किया जा सकता है जिसके परिणामस्वरूप घटे हुए इनपुट पूर्वाग्रह के लाभ और लगभग अनंत इनपुट प्रतिबाधा है। FETs का उपयोग करके अंतर एम्पलीफायर का विश्लेषण BJT विश्लेषण के समान ही पूरा किया जाता है।

विभेदक एम्पलीफायरों को यह सुनिश्चित करने के लिए मिलान ट्रांजिस्टर की आवश्यकता होती है कि सर्किट सही ढंग से संचालित हो रहा है। यदि अंतर एम्पलीफायर एक एकीकृत सर्किट पर है, तो यह अतिरिक्त आवश्यकता एक समस्या से कम है क्योंकि दो ट्रांजिस्टर एक ही सामग्री का उपयोग करके एक ही समय में गढ़े जाते हैं।

निरंतर वर्तमान स्रोत के साथ 1.3 डिफरेंशियल एम्पलीफायर

यह बनाने के लिए वांछनीय है REE सामान्य-मोड आउटपुट को कम करने के लिए जितना संभव हो उतना बड़ा। समीकरण दिखाता है कि CMRR को बड़ा बनाने के लिए हमें बनाना होगा REE विशाल। चूंकि बड़े प्रतिरोध आईसी चिप्स पर बनाना मुश्किल है, इसलिए हम एक वैकल्पिक दृष्टिकोण चाहते हैं। इसे प्रतिस्थापित करके पूरा किया जाता है REE पंजीकरण शुल्क dc वर्तमान स्रोत। एक आदर्श वर्तमान स्रोत में अनंत प्रतिबाधा है, इसलिए हम जगह की संभावना की जांच करते हैं REE इस तरह के एक मौजूदा स्रोत के साथ। चित्रा 9.3 एक अंतर एम्पलीफायर दिखाता है जहां रोकनेवाला, REE, एक निरंतर-वर्तमान स्रोत से प्रतिस्थापित किया जाता है।

(18)

आदर्श निरंतर-वर्तमान स्रोत के जितना करीब होता है, सामान्य मोड अस्वीकृति अनुपात उतना ही अधिक होता है। हम एक डायोड-मुआवजा निश्चित-पूर्वाग्रह वर्तमान स्रोत का वर्णन करते हैं। क्षतिपूर्ति सर्किट के संचालन को तापमान भिन्नताओं पर कम निर्भर करती है। डायोड D1 और ट्रांजिस्टर Q3 चुना जाता है ताकि ऑपरेटिंग तापमान की सीमा पर उनकी लगभग समान विशेषताएं हों।
चित्रा 3 (ए) के सर्किट का विश्लेषण करने और CMRR खोजने के लिए, हमें समकक्ष प्रतिरोध निर्धारित करने की आवश्यकता है, RTH (निरंतर वर्तमान स्रोत सर्किट के बराबर सिद्धांत)। समतुल्य प्रतिरोध द्वारा दिया गया है [देखें चित्र एक्सएनयूएमएक्स (बी)]

नोड 1 पर KCL समीकरण लिखना, हमारे पास है

(19)

जहां ro निर्दिष्ट ऑपरेटिंग बिंदु पर ट्रांजिस्टर का आंतरिक प्रतिरोध है। द्वारा दिया गया है

(20)

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चित्रा 3 - निरंतर-वर्तमान स्रोत के साथ विभेदक एम्पलीफायर

नोड 2 पैदावार पर एक KCL समीकरण

(21)

जहां

(22)

स्थानापन्न v1 और v2 नोड 2 पर समीकरण में, हमारे पास है

(23)

अंत में, Thevenin प्रतिरोध समीकरणों (22) और (23) समीकरण (18) में प्रतिस्थापित करके दिया गया है।

(24)

अब हम इस अभिव्यक्ति को सरल बनाने के लिए मान्यताओं की एक श्रृंखला बनाएंगे। पूर्वाग्रह स्थिरता बनाए रखने के लिए, हम उस दिशानिर्देश का उपयोग करते हैं जो

(25)

के इस मूल्य को प्रतिस्थापित करना RB समीकरण (24) और द्वारा विभाजित β, हमारे पास है

(26)

हम नोट करके इस अभिव्यक्ति को सरल बना सकते हैं

(27)

हम तो है

(28)

चूंकि इस समीकरण में दूसरा शब्द पहले की तुलना में बहुत अधिक है, इसलिए हम अनदेखा कर सकते हैं RE प्राप्त करने के लिए

(29)

निम्न स्थिति होने पर इस समीकरण को और सरल बनाया जा सकता है:

(30)

उस मामले में, हमारे पास सरल परिणाम है

(31)

इसलिए, यदि सभी सन्निकटन मान्य हैं, RTH से स्वतंत्र है β और इसका मूल्य काफी बड़ा है।

सिंगल-एंडेड इनपुट और आउटपुट के साथ एक्सएनयूएमएक्स डिफरेंशियल एम्पलीफायर

चित्रा 4 एक अंतर एम्पलीफायर दिखाता है जहां दूसरा इनपुट, v2, शून्य के बराबर सेट है और आउटपुट के रूप में लिया जाता है vo1.

हम के स्थान पर एक निरंतर वर्तमान स्रोत का उपयोग करते हैं REE, जैसा कि पिछले भाग में चर्चा की गई है। यह एक के रूप में जाना जाता है सिंगल-एंडेड इनपुट और आउटपुट एम्पलीफायर फेज रिवर्सल के साथ। एम्पलीफायर का विश्लेषण सेटिंग द्वारा किया जाता है v2 = 0 पहले वाले समीकरणों में। अंतर इनपुट तो बस है

(32)

इसलिए आउटपुट है

(33)

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चित्रा 4 - चरण उलट के साथ एकल-समाप्त इनपुट

माइनस साइन इंगित करता है कि यह एम्पलीफायर 180 प्रदर्शित करता हैo आउटपुट और इनपुट के बीच चरण बदलाव। एक सामान्य साइनसोइडल इनपुट और आउटपुट चित्रा 5 में चित्रित किया गया है।

चित्रा 5 - साइनसोइडल इनपुट और आउटपुट

यदि एक आउटपुट सिग्नल को जमीन के लिए संदर्भित किया जाना है लेकिन एक चरण उलट वांछित नहीं है, तो उत्पादन ट्रांजिस्टर से लिया जा सकता है Q2.

उदाहरण 1 - विभेदक प्रवर्धक (विश्लेषण)

चित्रा 1 में दिखाए गए सर्किट के लिए अंतर वोल्टेज लाभ, सामान्य-मोड वोल्टेज लाभ और CMRR का पता लगाएं। मान लो की Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = एक्सएनएनएक्स वी, VBE = एक्सएनएनएक्स वी, VT = 26 mV, और REE = 25 kΩ। चलो v2 = 0 और से आउटपुट लेते हैं vo2.

उपाय: के माध्यम से वर्तमान REE मौन अवस्था में पाया जाता है। के आधार के बाद से Q2 जमीन है, एमिटर वोल्टेज है VBE = 0.7 V, और

प्रत्येक ट्रांजिस्टर में मौन धारा इस राशि का एक-आधा है।

जबसे

प्रत्येक ट्रांजिस्टर में विभेदक वोल्टेज लाभ है

सामान्य-मोड वोल्टेज लाभ है

सामान्य-मोड अस्वीकृति अनुपात तब दिया जाता है

आवेदन

इसके अलावा, आप टीना या टिनक्लाउड सर्किट सिमुलेटर के साथ इन गणनाओं को अंजाम दे सकते हैं, नीचे दिए गए लिंक पर क्लिक करके उनके इंटरप्रेटर टूल का उपयोग कर सकते हैं।

1- डिफरेंशियल एम्पलीफायर सर्किट सिमुलेशन

उदाहरण 2

उदाहरण के लिए 1 में वर्णित अंतर एम्पलीफायर के लिए, एक तापमान-मुआवजा तय-बायस वर्तमान स्रोत (चित्रा 3) को बदलने के लिए REE और अंतर एम्पलीफायर के लिए नए CMRR का निर्धारण करें ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V, और β = एक्सएनयूएमएक्स। मान लीजिये R1 = R2.

उपाय: हम ट्रांजिस्टर के ऑपरेटिंग पॉइंट को बीच में रखते हैं dc घाट।

फिर, चित्रा 3 (ए) के वर्तमान स्रोत का जिक्र करते हुए,

पूर्वाग्रह स्थिरता के लिए,

फिर

0.1 के बाद सेRE>>re (अर्थात, 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 then), फिर समीकरण (31) से हमारे पास है

CMRR द्वारा दिया जाता है

आवेदन

इसके अलावा, आप टीना या टिनक्लाउड सर्किट सिमुलेटर के साथ इन गणनाओं को अंजाम दे सकते हैं, नीचे दिए गए लिंक पर क्लिक करके उनके इंटरप्रेटर टूल का उपयोग कर सकते हैं।

2- डिफरेंशियल एम्पलीफायर सर्किट सिमुलेशन

उदाहरण 3

अधिकतम आउटपुट वोल्टेज स्विंग के लिए चित्रा 6 में निर्दिष्ट शर्तों को प्राप्त करने के लिए एक सर्किट डिज़ाइन करें। पांच ट्रांजिस्टर, Q1 सेवा मेरे Q5, प्रत्येक है β = 100 जबकि Q6 एक है β 200 की. VBE सभी ट्रांजिस्टर के लिए 0.6 V है, VT = 26 mV, और VA = 80 V. मान लें कि सभी ट्रांजिस्टर समान हैं।

निर्धारित करें,

(१) RC, R1, और सीएमआरआर।

(b) कॉमन-मोड आउटपुट वोल्टेज।

(c) डिफरेंशियल-मोड आउटपुट वोल्टेज।

(d) डिफरेंशियल-मोड निवेश वोल्टेज vdi अधिकतम उत्पादन के लिए।

विभेदक एम्पलीफायर, व्यावहारिक ऑप-एम्प, सर्किट सिमुलेशन, सर्किट डिजाइन

चित्रा 6 - उदाहरण 3 के लिए अंतर एम्पलीफायर

उपाय: हम तीन खंडों में सर्किट का इलाज करेंगे:

  • 1। डार्लिंगटन एम्पलीफायर।

डार्लिंगटन एम्पलीफायर

  • 2। विभेदक प्रवर्धक

विभेदक प्रवर्धक

  • 3। सरल वर्तमान स्रोत

अब कुल प्रणाली के लिए, हमारे पास है

विभेदक इनपुट vdi अधिकतम अशिक्षित आउटपुट वोल्टेज स्विंग का उत्पादन करने के लिए आवश्यक है


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3- डिफरेंशियल एम्पलीफायर सर्किट सिमुलेशन