1. מגברים דיפרנציאליים

מגברים דיפרנציאליים

רוב המגברים המבצעיים מורכבים משורה של טרנזיסטורים, נגדים וקבלים המרכיבים מערכת שלמה על שבב אחד. המגברים הזמינים כיום הם אמינים, קטנים בגודל, צורכים מעט מאוד כוח.

שלב הכניסה של רוב המגברים הוא Dמגבר כפי שמוצג בצורתו הפשוטה ביותר בתרשים 1.

מגברים דיפרנציאלי, מגבר מבצעית מעשית, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, עיצוב מעגלים,

איור 1 - מגבר דיפרנציאלי

מגבר דיפרנציאלי מורכב משני emitter- מצמידים emitter משותף dc מגברים. יש לו שני תשומות, v1 ו v2, ושלושה פלטי, vo1, vo2 ו vהַחוּצָה. הפלט השלישי, vהַחוּצָה, הוא ההבדל בין vo1 ו vo2.

1.1 dc מאפייני העברה

המגבר הדיפרנציאלי אינו פועל באופן ליניארי עם כניסות אות גדולות. כדי לפשט את הניתוח אנו מניחים כי רי גדול, כי התנגדות הבסיס של כל טרנזיסטור הוא זניח וכי ההתנגדות המוצא של כל טרנזיסטור הוא גדול. שים לב שאנו משתמשים ב- REE ולא ב- RE במגבר הדיפרנציאלי מאחר שהנגדים המשמשים כאן הם גדולים ויכולים להיות ההתנגדות המקבילה של מקור זרם. הערך הגדול של REE שומר על מתח הנגד הפולט כמעט קבוע.
כעת אנו פותרים מעגל זה עבור מתח המוצא. אנו מתחילים על ידי כתיבת משוואת KVL סביב לולאה צומת הבסיס עבור המעגל של איור 1.

(1)

(2)

אנחנו צריכים למצוא ביטויים עבור זרמים אספן, iC1 ו iC2. מתחי ה- emitter הבסיסיים ניתנים על ידי המשוואה,

במשוואה (2) Io1 ו Io2 הם זרמי הרוויה הפוכה Q1 ו Q2 בהתאמה. הטרנזיסטורים מניחים שהם זהים. שילוב משוואות (1) ו (2) התשואות

(3)

פתרון משוואה (3) עבור היחס הנוכחי, אנו מוצאים,

(4)

אנחנו יכולים להניח iC1 שווה בערך ל iE1 ו iC2 שווה בערך ל iE2. לכן

(5)

שילוב משוואות (4) ו (5), יש לנו

(6)

שים לב כי

(7)

תצפית חשובה יכולה להיעשות על ידי צפייה משוואה (6). אם v1 - v2 הופך להיות יותר מאשר כמה מאות millivolts, הנוכחי אספן טרנזיסטור 2 הופך קטן הטרנזיסטור מנותק למעשה. זרם אספן הטרנזיסטור 1 שווה בערך iEE, ואת הטרנזיסטור הזה הוא רווי. זרמי אספן, ולכן מתח המוצא vהַחוּצָה, להיות עצמאית של ההבדל בין שני מתח הקלט.

הגברה לינארית מתרחשת רק עבור הבדלי מתח קלט פחות מ 100 mV. כדי להגדיל את טווח ליניארי של מתח הקלט, נגדים פולט קטן ניתן להוסיף.

1.2 מצב משותף מצב רווחים דיפרנציאלי

המגבר הדיפרנציאלי נועד לענות רק על ההפרש בין שני מתח הקלט, v1 ו v2. עם זאת, במגבר אופטי, התפוקה תלויה במידה מסוימת בסכום התשומות. לדוגמה, אם שתי התשומות שוות, מתח המוצא צריך להיות אפס, אבל במגבר מעשי זה לא. אנו מתייגים את המקרה כאשר המעגל מגיב להבדל כמו מצב דיפרנציאלי. אם שתי התשומות נעשות שוות, אנחנו אומרים המעגל הוא שלה מצב נפוץ. באופן אידיאלי היינו מצפים המעגל לייצר פלט רק במצב דיפרנציאלי.

כל שני מתח הקלט, v1 ו v2, ניתן לפתור לחלק משותף וחלק דיפרנציאלי. אנו מגדירים שני מתחי קלט חדשים באופן הבא:

(8)

המתח, vdi, הוא המתח קלט מצב דיפרנציאלי וזה פשוט ההבדל בין שני מתח הקלט. המתח, vci, הוא מתח קלט מצב משותף, והוא הממוצע של שני מתח הקלט. המתח הקלט המקורי יכול לבוא לידי ביטוי במונחים של כמויות חדשות אלה כדלקמן:

(9)

אם נקבע את שני מתח הכניסה שווה, יש לנו

(10)

כיוון ששני הקלטים שווים, המתח של צומת פליטת הבסיס הוא שווה (אם הטרנזיסטורים זהים). לפיכך, זרמי אספן חייב להיות זהה.

מגברים דיפרנציאליים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, תכנון מעגלים, מעגלים אופטיים

איור 2 (א) מגבר מצב דיפרנציאלי מגבר שווה

כעת אנו מציגים את המעגל המקביל למתח הכניסה של מצב ההפרש, כפי שמוצג באיור 2 (א). שים לב כי הנוכחי ב Q1 מעגל מגביר, הנוכחי ב Q2 מעגלים יורדים באותו קצב ומשרעת. זה נכון מאז קלט Q2 הוא שווה לזה של Q1 אבל 180o מחוץ לשלב. כך מתח מתחלפים על פני REE הוא אפס. מאז ac מתח האות על פני REE הוא אפס, זה יכול להיות מוחלף על ידי קצר ב ac מחזור שווה ערך. שים לב כי הצבת מתח בכל בסיס טרנזיסטור אשר שווים משרעת אבל 180o מחוץ לשלב שווה להציב מתח בין שני טרנזיסטורים בסיסים של משרעת פעמיים. המתחים ב vo1 ו vo2 הם של משרעת שווה אבל הפוכה השלב ואת ההפרש מצב רווח

(11)

מצב דיפרנציאלי זה מוגדר ב- a פלט יחיד שכן הוא נלקח בין אספן אחד הקרקע. אם הפלט נלקח בין vo1 ו vo2, את ההפרש במצב רווח הוא termed א פלט כפול והוא נתון על ידי

(12)

ניתוח דומה יכול להיות מיושם על מעגל שווה מצב משותף באיור 2 (ב).

מגברים דיפרנציאליים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, תכנון מעגלים, מעגלים אופטיים

איור 2 (ב) מצב משותף מגבר המקבילה מגבר

אם נחלק את הנגד REE לתוך שני נגדים מקבילים כל אחד יש להכפיל את ההתנגדות המקורית, אנחנו יכולים למצוא את הפלט על ידי ניתוח רק חצי המעגל. מכיוון שהטרנזיסטורים זהים ומתחי הכניסה במצב משותף הם שווים ובאיזה שלב, המתח על פני 2REE נגדים זהים. לכן, הנוכחי בין שני הנגדים המקבילים המוצגים הוא אפס ואנחנו צריכים רק להסתכל על צד אחד של המעגל. רווח מתח במצב נפוץ הוא אז

(13)

משוואה (13) מניחה REE הוא גדול re<<REE.

אנו מוצאים את מתח המוצא כפול הפלט במונחים של מצב משותף מצב רווח דיפרנציאלי כדלקמן:

(14)

רצוי שהרווח במצב דיפרנציאלי יהיה גדול בהרבה מהרווח במצב משותף, כך שהמגבר מגיב בעיקר להבדל בין מתחי הקלט. ה יחס דחייה במצב שכיח, CMRR, מוגדר כיחס של רווח מצב ההפרש לרווח מצב משותף. זה מתבטא בדרך כלל dB.

(15)

כעת אנו קובעים את התנגדות הקלט של המגבר במצב דיפרנציאלי ובמצב הנפוץ. עבור מצב דיפרנציאלי, אנחנו מסתכלים לתוך המגבר בבסיס של שני טרנזיסטורים. התוצאה היא מעגל שלם דרך emitter של שני טרנזיסטורים, ואת ההתנגדות קלט הוא

(16)

עכשיו עבור קלט מצב משותף, אנחנו מסתכלים לתוך מגבר באיור 2 (ב). לפיכך, התנגדות הקלט היא

(17)

תוצאות אלו מראות כי התנגדות הקלט של מצב משותף היא הרבה יותר גבוהה מזו של מצב דיפרנציאלי.

ניתוח מגבר דיפרנציאלי שלנו מבוסס על BJTs כמו אבני הבניין טרנזיסטור. FETs יכול לשמש גם מגברים דיפרנציאלי עם היתרונות וכתוצאה מכך של הטיה קלט מופחתת הנוכחי עכבה קלט אינסופי כמעט. ניתוח של מגבר דיפרנציאלי באמצעות FETs נעשה בצורה זהה לזה של ניתוח BJT.

מגברים דיפרנציאליים צריכים טרנזיסטורים תואמים כדי להבטיח כי המעגל פועל כראוי. אם המגבר הדיפרנציאלי נמצא במעגל משולב, דרישה נוספת זו היא פחות בעיה מאחר ששני הטרנזיסטורים מפוברקים באותו זמן באמצעות אותו חומר.

מגבר דיפרנציאלי 1.3 עם מקור זרם קבוע

רצוי לעשות REE גדול ככל האפשר על מנת לצמצם את הפלט במצב משותף. משוואה מראה כי כדי להפוך את CMRR גדול אנחנו חייבים לעשות REE גדול. מאז ההתנגדויות הגדולות קשה לפברק שבבים IC, אנו מבקשים גישה חלופית. זה נעשה על ידי החלפת REE עם dc מקור נוכחי. מקור אידיאלי אידיאלי יש עכבה אינסופית, ולכן אנו חוקרים את האפשרות של החלפת REE עם מקור כזה. איור 9.3 ממחיש מגבר דיפרנציאלי שבו הנגד, REE, מוחלף במקור זרם קבוע.

(18)

ככל שהמקור קרוב יותר למקור האידיאלי - זרם קבוע, כך גבוה יותר מצב דחיית מצב שכיח. אנו ממחישים מקור משוקלל קבוע מראש של דיודה. הפיצוי הופך את פעולת המעגל פחות תלויה בשינויי טמפרטורה. דיודה D1 ו טרנזיסטור Q3 נבחרים כך שיש להם מאפיינים כמעט זהים על פני טווח הטמפרטורות ההפעלה.
על מנת לנתח את המעגל של איור 3 (א) ולמצוא CMRR, אנחנו צריכים לקבוע את ההתנגדות המקבילה, RTH (המקבילה המקבילה של Thevenin למעגל המקור הנוכחי). ההתנגדות המקבילה ניתנת על ידי [ראה איור 3 (b)]

כתיבת משוואת KCL בצומת 1, יש לנו

(19)

איפה ro היא ההתנגדות הפנימית של הטרנזיסטור בנקודת ההפעלה שנקבעה. זה נתון על ידי

(20)

מגברים דיפרנציאליים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, תכנון מעגלים, מעגלים אופטיים

איור 3 - מגבר דיפרנציאלי עם מקור זרם קבוע

משוואת KCL בצומת 2 הצומת

(21)

איפה

(22)

תחליף v1 ו v2 לתוך המשוואה ב הצומת 2, יש לנו

(23)

לבסוף, ההתנגדות Thevenin ניתנת על ידי החלפת משוואות (22) ו (23) לתוך משוואה (18).

(24)

כעת נערוך שורה של הנחות כדי לפשט את הביטוי הזה. כדי לשמור על יציבות הטיה, אנו משתמשים בהנחיה זו

(25)

החלפת ערך זה RB ב משוואה (24) וחלוקת על ידי β, יש לנו

(26)

אנחנו יכולים לפשט את הביטוי הזה על ידי ציון

(27)

אז יש לנו

(28)

מכיוון שהמונח השני במשוואה זו גדול בהרבה מהראשון, כך שנוכל להתעלם RE כדי להשיג

(29)

משוואה זו יכולה להיות פשוטה יותר אם קיים התנאי הבא:

(30)

במקרה כזה, יש לנו תוצאה פשוטה

(31)

לפיכך, אם כל הקירובים תקפים, RTH היא עצמאית β ואת הערך שלה הוא די גדול.

1.4 מגבר דיפרנציאלי עם קלט חד פעמי ותפוקה

איור 4 מציג מגבר דיפרנציאלי שבו הקלט השני, v2, שווה לאפס והפלט נלקח כ- vo1.

אנו משתמשים במקור קבוע מתמיד במקום REE, כפי שנדון בסעיף הקודם. זה ידוע בשם מגבר קלט ופלט חד-פעמי עם היפוך פאזה. המגבר מנותח על ידי הגדרה v2 = 0 במשוואות הקודמות. קלט ההפרש הוא פשוט אז

(32)

אז הפלט הוא

(33)

מגברים דיפרנציאליים, סימולציה מעגל, סימולטור מעגל, תכנון מעגלים, מעגלים אופטיים

איור 4 - קלט חד פעמי עם היפוך פאזה

סימן החיסור מציין שמגבר זה מציג 180o מעבר פאזה בין הפלט לבין הקלט. קלט סינוסואסיאלי פלט פלט באיור 5.

איור 5 - קלט ופלט סינוסי

אם אות הפלט הוא להיות הפניה לקרקע אבל היפוך פאזה אינו הרצוי, הפלט ניתן לקחת טרנזיסטור Q2.

דוגמה 1 - מגבר דיפרנציאלי (ניתוח)

מצא את ההפרש מתח דיפרנציאלי, רווח מתח במצב משותף, ואת CMRR עבור המעגל שמוצג באיור 1. נניח ש Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT 26 x =, ו REE = 25 kΩ. תן v2 = 0 ולקחת את הפלט מ vo2.

פתרון: הנוכחית דרך REE נמצא במצב שקט. מאז הבסיס של Q2 הוא מקורקע, מתח emitter הוא VBE = 0.7 V, ו

הזרם השקט בכל טרנזיסטור הוא חצי מהסכום הזה.

מאז

רווח המתח הדיפרנציאלי בכל טרנזיסטור הוא

מצב המתח של מצב נפוץ הוא

יחס דחיית מצב נפוץ ניתן על ידי

בקשה

כמו כן, אתה יכול לבצע את החישובים האלה עם TINA או סימולטורים מעגל TINACloud, באמצעות כלי המתורגמן שלהם על ידי לחיצה על הקישור להלן.

1 - דיפרנציאלי מגבר סימולציה מעגל

דוגמה 2

עבור המגבר הדיפרנציאלי המתואר בדוגמה 1, תכנן מקור טיה קבוע מראש של טמפרטורה קבועה (איור 3) כדי להחליף REE ולקבוע את CMRR חדש עבור מגבר דיפרנציאלי, עם ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V, ו β = 100. נניח R1 = R2.

פתרון: אנו מציבים את נקודת ההפעלה טרנזיסטור באמצע dc - קו עומס.

ואז, בהתייחסו המקור הנוכחי של איור 3 (א),

עבור יציבות הטיה,

לאחר מכן

מאז 0.1RE>>re (כלומר, 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), ולאחר מכן משוואה (31) יש לנו

CMRR ניתנת על ידי

בקשה

כמו כן, אתה יכול לבצע את החישובים האלה עם TINA או סימולטורים מעגל TINACloud, באמצעות כלי המתורגמן שלהם על ידי לחיצה על הקישור להלן.

2 - דיפרנציאלי מגבר סימולציה מעגל

דוגמה 3

עיצוב מעגל כדי להשיג את התנאים כפי שצוין באיור 6 עבור תנודת מתח מקסימלית. חמשת הטרנזיסטורים, Q1 ל Q5, כל אחד מהם β = 100 בזמן Q6 יש β של 200. VBE הוא 0.6 V לכל הטרנזיסטורים, VT 26 x =, ו VA = 80 V. נניח שכל הטרנזיסטורים זהים.

לקבוע,

() RC, R1, ו- CMRR.

(ב) מתח יציאה במצב משותף.

(ג) מתח יציאה במצב דיפרנציאלי.

(ד) מצב דיפרנציאלי קלט מתח vdi עבור הפלט המרבי.

מגבר דיפרנציאלי, מגבר אופטי, סימולציה מעגלית, תכנון מעגלים

איור 6 - מגבר דיפרנציאלי לדוגמה 3

פתרון: נתייחס למעגל בשלושה חלקים:

  • 1. מגבר דרלינגטון.

מגבר דרלינגטון

  • 2. מגבר דיפרנציאלי

מגבר דיפרנציאלי

  • 3. מקור פשוט

עכשיו עבור המערכת הכוללת, יש לנו

קלט דיפרנציאלי vdi הכרחי כדי לייצר מקסימום מתח התפוקה מתח מופרז


בקשה

כמו כן, אתה יכול לבצע את החישובים האלה עם TINA או סימולטורים מעגל TINACloud, באמצעות כלי המתורגמן שלהם על ידי לחיצה על הקישור להלן.

3 - דיפרנציאלי מגבר סימולציה מעגל