1. Differenciálerősítők

Differenciálerősítők

A legtöbb operációs erősítő egy tranzisztorok, ellenállások és kondenzátorok sorozatából áll, amelyek egy teljes chipet alkotnak. A ma rendelkezésre álló erősítők megbízhatóak, kis méretűek és nagyon kevés energiát fogyasztanak.

A legtöbb op-erősítő bemeneti szakasza Differenciális erősítő az 1 ábrán látható legegyszerűbb formában.

Differenciálerősítők, gyakorlati operációs erősítő, áramkör szimuláció, áramkör szimulátor, áramkör tervezés,

1 ábra - Differenciálerősítő

A differenciálerősítő két emitter-kapcsolt közös emitterből áll dc erősítők. Két bemenettel rendelkezik, v1 és a v2, és három kimenet, vo1, vo2 és a vki. A harmadik kimenet, vki, a különbség vo1 és a vo2.

1.1 dc átviteli jellemzők

A differenciálerősítő nem működik lineárisan nagy jelbemenetekkel. Az elemzés egyszerűsítése érdekében feltételezzük, hogy a RE nagy, hogy az egyes tranzisztorok alapellenállása elhanyagolható, és hogy minden tranzisztor kimeneti ellenállása nagy. Megjegyezzük, hogy a REE-t a RE helyett inkább a differenciál erősítőben használjuk, mivel az itt használt ellenállás nagy, és az áramforrás egyenértékű ellenállása lehet. A REE nagy értéke megtartja az emitter ellenállás feszültségcsökkenését, majdnem állandó.
Most megoldjuk ezt az áramkört a kimeneti feszültséghez. Kezdjük egy KVL egyenlet megírásával az 1 ábra áramkörének alapcsatlakozási hurok körül.

(1)

(2)

A kollektoráramokra kifejezéseket kell találnunk, iC1 és a iC2. Az alap-emitter feszültségeket az egyenlet adja meg,

Az (2) egyenletben Io1 és a Io2 a fordított telítettségi áramok a Q1 és a Q2 illetőleg. A tranzisztorok azonosak. Az (1) és (2) egyenletek kombinálása

(3)

Az egyenlet (3) megoldása az aktuális arányhoz,

(4)

Feltételezhetjük iC1 megközelítőleg egyenlő iE1 és a iC2 megközelítőleg egyenlő iE2. Ebből adódóan

(5)

Az (4) és az (5) egyenletek kombinálása van

(6)

Ne feledje, hogy

(7)

Fontos megfigyelés érhető el az (6) egyenlet megtekintésével. Ha v1 - v2 több száz millivolttal nagyobb lesz, az 2 tranzisztoros áram kisebb lesz, és a tranzisztor lényegében le van vágva. Az 1 tranzisztor kollektorárama megközelítőleg egyenlő iEE, és ez a tranzisztor telített. A kollektoráramok, és így a kimeneti feszültség vki, független a két bemeneti feszültség közötti különbségtől.

A lineáris erősítés csak az 100 mV-nál kisebb bemeneti feszültségkülönbségek esetén történik. A bemeneti feszültség lineáris tartományának növelése érdekében kis emitter ellenállások adhatók hozzá.

1.2 közös módú és differenciál üzemmódú nyereség

A differenciálerősítő csak a két bemeneti feszültség közötti különbségre reagál, v1 és a v2. A gyakorlatban azonban a kimenet bizonyos mértékig függ a bemenetek összegétől. Például, ha mindkét bemenet egyenlő, akkor a kimeneti feszültségnek ideális esetben nullának kell lennie, de egy gyakorlati erősítőben nem. Az esetet jelöljük, amikor az áramkör a különbségre reagál differenciál üzemmód. Ha a két bemenet egyenlővé válik, azt mondjuk, hogy az áramkör a saját közös módban. Ideális esetben azt várnánk, hogy az áramkör csak differenciál üzemmódban hoz létre kimenetet.

Bármely két bemeneti feszültség, v1 és a v2, megoldható egy közös és differenciált részre. Két új bemeneti feszültséget definiálunk az alábbiak szerint:

(8)

A feszültség, vdi, a differenciál-üzemmódú bemeneti feszültség, és ez egyszerűen a két bemeneti feszültség közötti különbség. A feszültség, vci, a közös módú bemeneti feszültség, és ez a két bemeneti feszültség átlaga. Az eredeti bemeneti feszültségek az alábbi új mennyiségekben fejezhetők ki:

(9)

Ha a két bemeneti feszültséget egyenlőnek tartjuk, akkor van

(10)

Mivel a két bemenet egyenlő, az emitter-bázis csatlakozási feszültségek egyenlőek (ha a tranzisztorok azonosak). Így a kollektoráramoknak azonosnak kell lenniük.

Differenciálerősítők, áramkör szimuláció, áramkör szimulátor, áramkör tervezés, gyakorlati erősítők

2 (a) Differenciál üzemmódú erősítő egyenáramkör

Most a 2 (a) ábrán látható differenciál-üzemmódú bemeneti feszültség egyenértékű áramkörét tekintjük meg. Ne feledje, hogy mint az aktuális Q1 áramkör növekszik, az áram a Q2 az áramkör azonos sebességgel és amplitúdóval csökken. Ez igaz, mivel a bemenet Q2 egyenlő a Q1 de 180o a fázisból. Így a feszültség változik REE nulla. Mivel a ac jelfeszültség REE nulla, helyettesíthető egy rövidzárral a ac egyenértékű áramkör. Megjegyezzük, hogy az egyes tranzisztoros bázisokra feszültségeket helyezünk el, amelyek amplitúdóval egyenlőek, de 180o a fázison kívül egyenértékű a két tranzisztor bázis közötti feszültség elhelyezése az amplitúdó kétszerese. A feszültség vo1 és a vo2 egyenlő amplitúdójú, de ellentétes fázissal rendelkeznek, és a differenciál-mód erősítés

(11)

Ez a differenciál-mód erősítés a-ban van meghatározva egy végű kimenet mivel egy gyűjtő és a föld között van. Ha a kimenet között van vo1 és a vo2, a differenciál-mód erősítést a-nak nevezik két végű kimenet és a

(12)

Hasonló elemzés alkalmazható a 2 (b) ábrán látható közös módú egyenáramkörre.

Differenciálerősítők, áramkör szimuláció, áramkör szimulátor, áramkör tervezés, gyakorlati erősítők

2 ábra (b) Közös üzemmódú erősítő egyenértékű áramkör

Ha megosztjuk az ellenállást REE két párhuzamos ellenállásba, amelyek mindegyike kettős az eredeti ellenállással, a kimenetet csak az áramkör felének elemzésével találjuk meg. Mivel a tranzisztorok azonosak és a közös módú bemeneti feszültségek egyenlőek és fázisban vannak, az 2 feszültségeREE ellenállások azonosak. Így a két párhuzamos ellenállás közötti áram nulla, és csak az áramkör egyik oldalára kell nézni. Ekkor a közös módú feszültségerősítés

(13)

Az (13) egyenlet feltételezi REE nagy és re<<REE.

A kettős végű kimeneti feszültséget a közös mód és a differenciál üzemmód erősítés szempontjából a következőképpen találjuk:

(14)

Kívánatos, hogy a differenciális üzemmódú erősítés sokkal nagyobb legyen, mint a közös módú erősítés, hogy az erősítő elsősorban a bemeneti feszültségek közötti különbségre reagáljon. A közös módú elutasítási arány, CMRR, úgy definiáljuk, mint a differenciál-mód-nyereség és a közös módú erősítés aránya. Általában dB-ben fejezik ki.

(15)

Most meghatároztuk az erősítő bemeneti ellenállását mind a differenciál üzemmódban, mind a közös módban. A differenciál üzemmódhoz mindkét tranzisztor alapjaira nézzük az erősítőt. Ez egy teljes áramkört eredményez mindkét tranzisztor emitterén keresztül, és a bemeneti ellenállás

(16)

Most a közös módú bemenetre nézzük az 2 (b) ábrán látható erősítőt. Így a bemeneti ellenállás

(17)

Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a közös üzemmód bemeneti ellenállása sokkal magasabb, mint a differenciál üzemmódé.

A differenciálerősítő elemzésünk a BJT-kön alapul, mint tranzisztor építőelemek. Az FET-ek differenciálerősítőkben is használhatók, amelyeknek az előnye a csökkentett bemeneti torzításáram és majdnem végtelen bemeneti impedancia. A differenciálerősítő FET-ekkel történő elemzése ugyanúgy történik, mint a BJT-elemzés.

A differenciálerősítőknek meg kell egyezniük a megfelelő tranzisztorokkal annak biztosítására, hogy az áramkör megfelelően működjön. Ha a differenciálerősítő egy integrált áramkörön van, akkor ez a további követelmény kisebb probléma, mivel a két tranzisztort ugyanabban az anyagban egyidejűleg gyártják.

1.3 differenciálerősítő állandó áramforrással

Kívánatos REE minél nagyobb a közös módú kimenet csökkentése érdekében. Az egyenlet azt mutatja, hogy a CMRR-t nagyra kell tennünk REE nagy. Mivel az IC-chipeken nehéz nagy ellenállásokat készíteni, alternatív megközelítést keresünk. Ezt úgy végezzük, hogy kicseréljük REE val,-vel dc áramforrás. Az ideális áramforrás végtelen impedanciával rendelkezik, ezért megvizsgáljuk a helyettesítés lehetőségét REE egy ilyen áramforrással. Az 9.3 ábra egy differenciálerősítőt ábrázol, ahol az ellenállás, REE, helyettesíti egy állandó áramú forrást.

(18)

Minél közelebb van a forrás az ideális állandó áramforráshoz, annál nagyobb a közös módú elutasítási arány. Egy dióda-kompenzált rögzített torzítású áramforrást mutatunk be. A kompenzáció kevésbé függ az áramkör működésétől a hőmérséklet-változásoktól. Dióda D1 és tranzisztor Q3 úgy vannak megválasztva, hogy azok közel azonos tulajdonságokkal rendelkezzenek az üzemi hőmérséklet tartományában.
Az 3 (a) ábra áramkörének elemzése és a CMRR megtalálása érdekében meg kell határoznunk az egyenértékű ellenállást, RTH (az állandó áramforrás áramkörének Thevenin-egyenértéke). Az egyenértékű ellenállást a [lásd az 3 (b) ábrát] adja meg.

KCL egyenlet írása az 1 csomópontban, van

(19)

ahol ro a tranzisztor belső ellenállása a megadott működési ponton. Ezt adja meg

(20)

Differenciálerősítők, áramkör szimuláció, áramkör szimulátor, áramkör tervezés, gyakorlati erősítők

3 ábra - Differenciálerősítő állandó árammal

KCL egyenlet az 2 csomópontnál

(21)

ahol

(22)

Behelyettesítve v1 és a v2 az 2 csomópont egyenletében van

(23)

Végül a Thevenin-ellenállást úgy kapjuk meg, hogy a (22) és (23) egyenletet a (18) egyenletbe helyettesítjük.

(24)

Most egy sor feltételezést fogunk tenni, hogy nagyban leegyszerűsítsük ezt a kifejezést. Az elfogultsági stabilitás megőrzése érdekében ezt az iránymutatást használjuk

(25)

Ennek az értéknek a helyettesítése RB az (24) egyenletben és osztva β, nekünk van

(26)

Ezzel a kifejezéssel egyszerűsíthetjük

(27)

Akkor van

(28)

Mivel a második kifejezés ebben az egyenletben sokkal nagyobb, mint az első, ezért figyelmen kívül hagyhatjuk RE szerezni

(29)

Ez az egyenlet tovább egyszerűsíthető, ha a következő feltétel áll fenn:

(30)

Ebben az esetben az egyszerű eredmény

(31)

Ezért, ha az összes közelítés érvényes, RTH független β és értéke meglehetősen nagy.

1.4 differenciálerősítő egy végű bemenettel és kimenettel

Az 4 ábrán egy differenciálerősítő látható, ahol a második bemenet, v2, nullával egyenlő, és a kimenet mint vo1.

Egy állandó áramforrást használunk a helyett REE, amint azt az előző részben tárgyaltuk. Ez a néven ismert egy végű bemeneti és kimeneti erősítő, fázisváltással. Az erősítő beállítását beállítja v2 = 0 a korábbi egyenletekben. A differenciál bemenet ezután egyszerűen

(32)

így a kimenet

(33)

Differenciálerősítők, áramkör szimuláció, áramkör szimulátor, áramkör tervezés, gyakorlati erősítők

4 ábra - Egy végű bemenet, fázisváltással

A mínusz jel azt jelzi, hogy ez az erősítő 180-et mutato fázisváltás a kimenet és a bemenet között. A 5 ábrán egy tipikus szinuszos bemenet és kimenet látható.

5 ábra - Szinuszos bemenet és kimenet

Ha a kimeneti jelet a talajra kell irányítani, de a fázistörlés nem kívánatos, a kimenet átvihető a tranzisztorból Q2.

1. példa - Differenciálerősítő (elemzés)

Keresse meg a differenciálfeszültség-erősítést, a közös módú feszültségerősítést és a 1 ábrán látható áramkör CMRR-jét. Feltételezzük, hogy Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT = 26 mV, és REE = 25 kΩ. enged v2 = 0 és vegye ki a kimenetet vo2.

Megoldás: Az áram az REE a nyugalmi állapotban található. Mivel az alapja Q2 földelt, az emitter feszültsége VBE = 0.7 V, és

Az egyes tranzisztorokban a nyugalmi áram ennek az összegnek a fele.

Óta

az egyes tranzisztorok differenciálfeszültség-erősítése

A közös módú feszültségerősítés

Ezután a közös módú elutasítási arányt adja meg

JELENTKEZÉS

Ezeket a számításokat TINA vagy TINACloud áramköri szimulátorokkal is elvégezheti, a tolmács eszköz segítségével az alábbi linkre kattintva.

1- differenciálerősítő áramkör szimulációja

Példa 2

Az 1 példában leírt differenciálerősítő esetében tervezzen egy hőmérséklet-kompenzált rögzített torziós áramforrást (3 ábra) REE és határozza meg a differenciálerősítő új CMRR-jét ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V, és β = 100. Feltételezni R1 = R2.

Megoldás: A tranzisztor működési pontját a közepére helyezzük dc terhelési vonal.

Ezután az 3 (a) ábrán látható áramforrásra hivatkozva

Az elfogultsági stabilitás érdekében

Majd

Mivel 0.1RE>>re (azaz 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), akkor a (31) egyenletből megvan

A CMRR-t a

JELENTKEZÉS

Ezeket a számításokat TINA vagy TINACloud áramköri szimulátorokkal is elvégezheti, a tolmács eszköz segítségével az alábbi linkre kattintva.

2- differenciálerősítő áramkör szimulációja

Példa 3

Tervezzen egy áramkört, hogy elérje a 6 ábrán meghatározott feltételeket a maximális kimeneti feszültségre. Az öt tranzisztor, Q1 nak nek Q5, mindegyiknek van β = 100 közben Q6 egy β A 200. VBE 0.6 V minden tranzisztorhoz, VT = 26 mV, és VA = 80 V. Tegyük fel, hogy minden tranzisztor azonos.

Határozza meg,

(1) RC, R1és CMRR.

(b) Közös üzemmódú kimeneti feszültség.

(c) Differenciál üzemmódú kimeneti feszültség.

(d) Differenciál üzemmód bemenet feszültség vdi maximális teljesítményért.

Differenciálerősítő, praktikus op-amp, áramkör szimuláció, áramkör tervezés

6 ábra - Differenciálerősítő az 3 példához

Megoldás: Az áramkört három részre fogjuk kezelni:

  • 1. Darlington erősítő.

Darlington erősítő

  • 2. Differenciálerősítő

Differenciálerősítő

  • 3. Egyszerű áramforrás

Most a teljes rendszerre van

A differenciál bemenet vdi a maximális torzítás nélküli kimeneti feszültség eléréséhez szükséges


JELENTKEZÉS

Ezeket a számításokat TINA vagy TINACloud áramköri szimulátorokkal is elvégezheti, a tolmács eszköz segítségével az alábbi linkre kattintva.

3- differenciálerősítő áramkör szimulációja