დიფერენციალური გამაძლიერებლები - თინა და ტიინკლოუდის რესურსები

დიფერენციალური გამაძლიერებლები

ყველაზე საოპერაციო გამაძლიერებლები შედგება ტრანზისტების, რეზისტორების და კაპიტალების სერიისგან, რომელიც ქმნის სრულ სისტემას ერთ ჩიპზე. დღეს არსებული გამაძლიერებლები საიმედო, მცირე ზომის და ძალიან ცოტა ძალას მოიხმარენ.

ყველაზე ოპ-amps- ის შეყვანის ეტაპი დთუფრენილი გამაძლიერებელი როგორც ნაჩვენებია მისი მარტივი ფორმა ფიგურაში 1.

დიფერენციალური გამაძლიერებლები, პრაქტიკული საოპერაციო გამაძლიერებელი, მიკროსქემის სიმულაციური, წრიული სიმულატორი, მიკროსქემის დიზაინი,

დიაგრამა 1 - დიფერენციალური გამაძლიერებელი

დიფერენციალური გამაძლიერებელი შედგება ორი საექსპლუატაციო კომბინირებული საერთო გამხსნელი dc გამაძლიერებლები. მას აქვს ორი შეყვანა, v₁ მდე v₂, და სამი შედეგები, v_o1, v_o2 მდე v_{გარეთ}. მესამე გამომავალი, v_{გარეთ}, არის განსხვავება v_o1 მდე v_o2.

1.1 dc ტრანსფერი მახასიათებლები

დიფერენციალური გამაძლიერებელი არ მოქმედებს ხაზოვანი სიგნალის შეყვანის გზით. ანალიზის გამარტივების მიზნით ჩვენ ვივარაუდოთ, რომ RE არის დიდი, რომ თითოეული ტრანზისტორი ბაზის წინააღმდეგობა უმნიშვნელოა და თითოეული ტრანზისტორის გამოსხივება დიდია. გაითვალისწინეთ, რომ REE- ს გამოვიყენებთ, ვიდრე RE- ს დიფერენციალური გამაძლიერებლით, რადგან მასში გამოყენებული რეზისტორი დიდია და შეიძლება იყოს მიმდინარე წყაროს ექვივალენტური წინააღმდეგობა. REE- ის დიდი მნიშვნელობა ინარჩუნებს ემისრის მტევნის ძაბვის ვარდნა თითქმის მუდმივად.
ჩვენ ახლა გადავწყვიტეთ ამ ჩართვა გამომავალი ძაბვისთვის. ჩვენ ვიწყებთ KVL- ის განტოლების გადანაწილებას საბაზისო კვანძის გარშემო, ნახაზი 1- ის მიკროსქემისთვის.

(1)

(2)

ჩვენ გვჭირდება გამონათქვამები კოლექტორის დენებისაგან, i_C1 მდე i_C2. ბაზის ემისიური ძაბვები მოცემულია განტოლების მიხედვით,

განტოლებაში (2) I_o1 მდე I_o2 არიან საპირისპირო ინტენსივობის დენებისაგან Q₁ მდე Q₂ შესაბამისად. ტრანზისტორი იდენტურია. კომბინირება განტოლებები (1) და (2) შემოსავალი

(3)

განტოლების ამოხსნა (3) მიმდინარე თანაფარდობისთვის, ჩვენ ვხედავთ,

(4)

შეგვიძლია ვივარაუდოთ i_C1 დაახლოებით ტოლია i_E1 მდე i_C2 დაახლოებით ტოლია i_E2. ამიტომ

(5)

კომბინირება განტოლებები (4) და (5), ჩვენ გვაქვს

(6)

გაითვალისწინეთ, რომ

(7)

მნიშვნელოვანი დაკვირვება შეიძლება გაკეთდეს განტოლება (6). თუ v₁- v₂ ხდება რამდენიმე ასეული millivolts მეტი, კოლექციონერი მიმდინარე ტრანზისტორი 2 ხდება პატარა და ტრანზისტორი არსებითად შეწყვიტა. კოლექტორის ამჟამინდელი ტრანზისტორი 1 დაახლოებით ტოლია i_EE, და ამ ტრანზისტორი გაჯერებულია. კოლექტორი დენებისა და შესაბამისად გამომავალი ძაბვა v_{გარეთ}, გახდეს ორი განსხვავებული ძაბვის სხვაობა.

ხაზოვანი გაძლიერება ხდება მხოლოდ შეყვანის ძაბვის განსხვავებებზე დაახლოებით 100 mV- ზე. შეყვანის ძაბვის წრფივი დიაპაზონის გაზრდის მიზნით შეიძლება დაემატოს მცირე ემეტრი რეზისტორები.

საერთო საერთო რეჟიმი და დიფერენციალური რეჟიმი

დიფერენციალური გამაძლიერებელი განკუთვნილია მხოლოდ ორი შეყვანის ძაბვის, v₁ მდე v₂. თუმცა, პრაქტიკული ეფექტურობის გამო, გამომავალი დამოკიდებულია გარკვეულწილად ამ შეყვანის თანხაზე. მაგალითად, თუ ორივე შეყვანა თანაბარია, გამომავალი ძაბვა უნდა იყოს ნულოვანი, მაგრამ პრაქტიკული გამაძლიერებელი არ არის. ჩვენ ვამბობთ იმ შემთხვევაში, როდესაც წრე გამონახავს განსხვავებას, როგორც ეს დიფერენციალური რეჟიმი. თუ ორი შეყვანის გაკეთება თანაბარია, ჩვენ ვამბობთ, რომ წრიული არის მისი საერთო რეჟიმი. იდეალურად ვიმედოვნებთ, რომ გამოდის წარმოება მხოლოდ დიფერენციალურ რეჟიმში.

ნებისმიერი ორი შეყვანის ძაბვა, v₁ მდე v₂, შეიძლება გადაწყდეს საერთო და დიფერენციალური ნაწილი. ჩვენ ორი ახალი შეყვანის ძაბვის განსაზღვრავს:

(8)

ძაბვა, v_di, არის დიფერენციალური რეჟიმში შეყვანის ძაბვა და ეს უბრალოდ განსხვავება ორ შეყვანის ძაბვას შორის. ძაბვა, v_ci, არის საერთო რეჟიმში შეყვანის ძაბვა და ეს არის ორი შეყვანის ძაბვის საშუალო რაოდენობა. ორიგინალური შეყვანის ძაბვები შეიძლება გამოიხატოს ამ ახალი რაოდენობით:

(9)

თუ ჩვენ ვამაგრებთ ორი შეყვანის ძაბვებს, ჩვენ გვაქვს

(10)

ვინაიდან ორი შეყვანა თანაბარია, ემისი-ბაზური გადანაწილების ძაბვა თანაბარია (თუ ტრანზისტორი იდენტურია). ამდენად, კოლექტორის დენებისაგან უნდა იყოს იდენტური.

დიფერენციალური გამაძლიერებლები, წრიული სიმულაციური, წრიული სიმულატორი, მიკროსქემის დიზაინი, პრაქტიკული ოპ-amps

დიაგრამა 2 (a) დიფერენციალური რეჟიმი გამაძლიერებელი ექვივალენტი

ჩვენ ახლა ვნახავთ ეკვივალენტურ ჩართულობას დიფერენციალური რეჟიმში შეყვანის ძაბვისთვის, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 2 (a). გაითვალისწინეთ, რომ როგორც მიმდინარე Q₁ წრიული ზრდის, მიმდინარე წელს Q₂ წრიული მცირდება იმავე მაჩვენებლით და ამპლიტუდით. ეს მართალია, შეყვანის შემდეგ Q₂ ტოლია Q₁ მაგრამ 180^o ფაზის გარეთ. ამდენად ძაბვის ცვლილება მასშტაბით R_EE არის ნულოვანი. მას შემდეგ, რაც ac სიგნალი ძაბვის მასშტაბით R_EE არის ნულოვანი, ის შეიძლება შეიცვალოს მოკლე ჩართვა ac ეკვივალენტური წრე. გაითვალისწინეთ, რომ თითოეული ტრანზისტორი ბაზაზე ვოლტაჟები დგას, რომლებიც ამპლიტუდის ტოლფასია, მაგრამ 180^o ფაზის გარეთ უდრის ძაბვის ორჯერ ამპლიტუდის ორ ტრანზისტორი ბაზას შორის. ძაბვები v_o1 მდე v_o2 არის თანაბარი ამპლიტუდი, მაგრამ საპირისპირო ფაზა და დიფერენციალური რეჟიმში მომატება

(11)

ეს დიფერენციალური რეჟიმში მომატებაა განსაზღვრული ერთჯერადი გამომავალი რადგან იგი ერთ კოლექტორსა და ნიადაგს შორის არის გადაღებული. თუ გამომავალი ხდება v_o1 მდე v_o2, დიფერენციალური რეჟიმში მომატება აღინიშნება ორმაგი დასრულებული გამომავალი და მოცემულია

(12)

ანალოგიური ანალიზი შეიძლება გამოყენებულ იქნას საერთო რეჟიმში ექვივალენტური სქემით Figure 2 (b).

ფიგურა 2 (ბ) საერთო რეჟიმში გამაძლიერებელი ექვივალენტი ჩართვა

თუ ჩვენ გაყოფა მკვრივი R_EE ორ პარალელურად რეზისტენტებს, რომლებსაც ორიგინალური წინააღმდეგობის გაორმაგება აქვთ, გამონაკლისს მხოლოდ გამოკვლევის ნახევარი აანალიზებს. მას შემდეგ, რაც ტრანზისტორები იდენტურია და საერთო რეჟიმში შეყვანის ძაბვები ტოლია და ფაზაში, ძაბვები მასშტაბით 2R_EE რეზისტორები ერთნაირია. ამრიგად, ამჟღავნებს ორ პარალელურ რეზისტენტებს შორის ნულოვანი და ჩვენ გვჭირდება მხოლოდ ერთი მხარის ჩართვა. საერთო რეჟიმში ძაბვის მოგებაა

(13)

განტოლება (13) იძენს R_EE დიდია r_e<<R_EE.

ორმაგი გამოსასვლელი ვოლტაჟი საერთო-რეჟიმში და დიფერენციალურ-რეჟიმში მოპოვების თვალსაზრისით ვნახავთ:

(14)

სასურველია დიფერენციალური რეჟიმის მომატება უფრო დიდია, ვიდრე ჩვეულებრივი რეჟიმის მიღება, რათა გამაძლიერებელი რეაგირება უპირველეს ყოვლისა შეყვანის ძაბვის სხვაობას შორის. ის საერთო რეჟიმის უარის კოეფიციენტი, CMRR, განისაზღვრება, როგორც დიფერენციალური რეჟიმის თანაფარდობა საერთო-რეჟიმში მოპოვებისთვის. ეს ჩვეულებრივ გამოხატულია dB- ში.

(15)

ახლა ჩვენ განვსაზღვრავთ იმპერიის შეყვანის წინააღმდეგობას დიფერენციალურ რეჟიმში და საერთო რეჟიმში. დიფერენციალური რეჟიმისთვის, ორივე ტრანზისტთა ბაზაზე გამაძლიერებელი გამაძლიერებელია. ეს იწვევს სრულ ჩართულობას როგორც ტრანზიტორების გამამჟღავნებელი საშუალებით და შეყვანის წინააღმდეგობა

(16)

ახლა საერთო რეჟიმში შეტანისთვის, ჩვენ ვუყურებთ ამპლიფირის სურათს 2 (ბ). ამდენად, შეყვანის წინააღმდეგობაა

(17)

ეს შედეგები მიუთითებს იმაზე, რომ საერთო რეჟიმში შეყვანის წინააღმდეგობა გაცილებით მაღალია, ვიდრე დიფერენციალური რეჟიმი.

ჩვენი დიფერენციალური გამაძლიერებელი ანალიზი ეფუძნება BJT- ს, როგორც ტრანზისტორი სამშენებლო ბლოკებს. FET- ები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნეს დიფერენციალური გამაძლიერებლებით, რომლებსაც შეუმცირებენ შეყვანის კომპენსაციის ამჟამინდელი და უსასრულო შეყვანის წინაღობის უპირატესობა. დიფერენციალური გამაძლიერებელი FET- ების გამოყენებით ხდება BJT- ის ანალიზის მსგავსად.

დიფერენციალური გამაძლიერებლები საჭიროებენ ტრანზიტორებს, რათა უზრუნველყონ, რომ წრე სწორად მუშაობს. თუ დიფერენციალური გამაძლიერებელი ინტეგრირებულ ჩართულობას წარმოადგენს, ეს დამატებითი მოთხოვნა ნაკლებად პრობლემაა, რადგან ორი ტრანზისტორი ერთდროულად იმავე მასალის გამოყენებით შეთითხნილია.

1.3 დიფერენციალური გამაძლიერებელი მუდმივი მიმდინარე წყარო

სასურველია, რათა R_EE როგორც მაქსიმალურად მაქსიმალურად, რათა შეამცირონ საერთო რეჟიმში გამომავალი. განტოლება გვიჩვენებს, რომ CMRR- ის დიდი ზომის მიღება უნდა გავაკეთოთ R_EE დიდი. მას შემდეგ, რაც დიდი წინააღმდეგობები ძნელია გაყალბებაზე IC ჩიპებზე, ჩვენ ვცდილობთ ალტერნატიული მიდგომა. ეს ხორციელდება შეცვლის გზით R_EE ერთად dc მიმდინარე წყარო. იდეალური მიმდინარე წყარო აქვს უსასრულო დაბრკოლება, ამიტომ გამოიძიოს შესაძლებლობა შეცვალოს R_EE ასეთი მიმდინარე წყაროსთან. სურათი 9.3 ასახავს დიფერენციალურ გამაძლიერებელს, R_EE, შეცვალა მუდმივი მიმდინარე წყარო.

(18)

დაახლოების წყაროა იდეალური მუდმივი-მიმდინარე წყარო, უფრო მაღალი საერთო რეჟიმის უარყოფა თანაფარდობა. ჩვენ ილუსტრირება დიოდური კომპენსირებული ფიქსირებული-კომპენსაციის მიმდინარე წყარო. კომპენსაცია ახდენს მიკროსქემის ფუნქციებს ნაკლებად დამოკიდებულია ტემპერატურის ცვლილებებზე. დიოდი D₁ და ტრანზისტორი Q₃ შეირჩევა ისე, რომ მათ აქვთ თითქმის იდენტური მახასიათებლები მოქმედი ტემპერატურის სპექტრზე.
იმისათვის, რომ გაანალიზდეს სქემა 3 (a) და იპოვოს CMRR, ჩვენ უნდა განსაზღვროს ექვივალენტი წინააღმდეგობა, R_TH (მუდმივი მიმდინარე წყაროს მიკროსქემის თვენის ექვივალენტი). ეკვივალენტური წინააღმდეგობა მოცემულია [იხ. სურათი 3 (ბ)]

წერა KCL განტოლება Node at 1, ჩვენ გვაქვს

(19)

სადაც r_o არის ტრანზისტორის შიდა წინააღმდეგობა მითითებულ ოპერაციულ პუნქტში. ის მოცემულია

(20)

დიფერენციალური გამაძლიერებლები, წრიული სიმულაციური, წრიული სიმულატორი, მიკროსქემის დიზაინი, პრაქტიკული ოპ-amps

ფიგურა 3 - დიფერენციალური გამაძლიერებელი მუდმივი დენის წყაროებით

KCL განტოლება Node at 2 შემოსავალი

(21)

სადაც

(22)

შემცვლელი v₁ მდე v₂ შევიდა განტოლება Node at 2, ჩვენ გვაქვს

(23)

დაბოლოს, თევენინის წინააღმდეგობა მოცემულია (22) და (23) განტოლების (18) განტოლების ჩანაცვლებით.

(24)

ჩვენ ახლა გავაკეთებთ რიგი ვარაუდები მნიშვნელოვნად გაამარტივებს ამ გამოხატვას. კომპენსაციის სტაბილურობის შენარჩუნების მიზნით, ჩვენ ვიყენებთ სახელმძღვანელოს

(25)

ამ ღირებულების შემცვლელი R_B განტოლებაში (24) და გამყოფი β, ჩვენ გვაქვს

(26)

ჩვენ შეგვიძლია გამარტივდეს ეს გამოხატულება

(27)

ჩვენ მაშინ გვაქვს

(28)

მას შემდეგ, რაც მეორე განტოლება ბევრად აღემატება პირველს, ამიტომ შეგვიძლია იგნორირება R_E მიიღოს ინფორმაციის

(29)

ეს განტოლება შეიძლება უფრო გამარტივდეს, თუ არსებობს შემდეგი მდგომარეობა:

(30)

ამ შემთხვევაში, ჩვენ გვაქვს უბრალო შედეგი

(31)

აქედან გამომდინარე, თუ ყველა დაახლოება მოქმედებს, R_TH დამოუკიდებელია β და მისი ღირებულება საკმაოდ დიდია.

დიფერენციალური გამაძლიერებელი ერთჯერადი შეყვანისა და გამოყვანის ერთად

ფიგურა 4 გვიჩვენებს დიფერენციალური გამაძლიერებელი, სადაც მეორე შეყვანა, v₂, არის ნულის ტოლი და გამომავალი ხდება v_o1.

ჩვენ ვიყენებთ მუდმივი მიმდინარე წყაროს ადგილზე R_EE, როგორც განხილული წინა განყოფილებაში. ეს ცნობილია როგორც ერთჯერადი შეყვანის და გამომავალი გამაძლიერებელი ფაზის შეცვლაზე. გამაძლიერებელი განისაზღვრება პარამეტრით v₂= 0 ადრე განტოლებები. დიფერენციალური შეყვანა არის უბრალოდ

(32)

გამომავალი არის

(33)

ფიგურა 4 - ერთჯერადი შეყვანა ფაზის შეცვლასთან ერთად

მინუს ნიშანი გვიჩვენებს, რომ ეს გამაძლიერებელი გამოსახულია 180^o ფაზის გადატანა შორის გამომავალი და შეყვანა. ტიპიური სინუსოიალური შეყვანისა და გამოტანის შედეგები ილუსტრირებულია ფიგურაში 5.

ფიგურა 5 - სინუსოიალური შეყვანა და გამომავალი

თუ გამომავალი სიგნალი უნდა მიეთითოს ადგილზე, მაგრამ ფაზის შეცვლა არ არის სასურველი, გამომავალი შეიძლება იქნეს ტრანზისტორიდან Q₂.

მაგალითი 1 - დიფერენციალური გამაძლიერებელი (ანალიზი)

იპოვეთ დიფერენციალური ძაბვის მომატება, საერთო რეჟიმში ძაბვის მომატება და CMRR მიკვლევაზე ნაჩვენები სქემისთვის. ვარაუდობენ, რომ R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE= 15 V, V_BE= 0.7 V, V_T= 26 mV, და R_EE = 25 kΩ. მოდით v₂ = 0 და მიიღოს გამომავალი v_o2.

გადაჭრა: მიმდინარე მეშვეობით R_EE ნაპოვნია საეჭვო მდგომარეობაში. მას შემდეგ, რაც ბაზა Q₂ არის დასაბუთებული, emitter ძაბვის არის V_BE = X V, და

თითოეულ ტრანზისტორიში მომუშავე მიმდინარეობა ამ თანხის ნახევარს შეადგენს.

მას შემდეგ, რაც

დიფერენციალური ძაბვის მომატება თითოეულ ტრანზისტორშია

საერთო რეჟიმში ძაბვის მოგება

საერთო რეჟიმის უარყოფა თანაფარდობა შემდეგ არის მოცემული

განაცხადის

გარდა ამისა, თქვენ შეგიძლიათ განახორციელოთ ეს გათვლები TINA ან TINACloud წრიული ტრენაჟორებით, მათი თარჯიმნის ინსტრუმენტის გამოყენებით ქვემოთ მოყვანილი ბმულს.

1- დიფერენციალური გამაძლიერებელი Circuit სიმულაცია

მაგალითი 2

დიფერენციალური გამაძლიერებელი, რომელიც აღწერილია მაგალითი 1- ში, ტემპერატურის კომპენსირებული ფიქსირებული-კომპენსაციის მიმდინარე წყარო (სურათი 3) შეიცვალოს R_EE და განსაზღვრავს ახალი CMRR დიფერენციალური გამაძლიერებელი, ერთად r_o = 105 kΩ, V_BE = X V, და β = 100. ვარაუდობენ R₁ = R₂.

გადაჭრა: ჩვენ განვათავსეთ ტრანზისტორი მოქმედი წერტილი შუაში dc ჩატვირთვის ხაზი.

შემდეგ, მხედველობაში მიიღება ფიგურა 3 (a),

კომპენსაციის სტაბილურობისთვის,

მაშინ

მას შემდეგ, რაც 0.1R_E>>r_e (ე.ი. 1.25 კვ >> 26 / 0.57 Ω), შემდეგ (31) განტოლებიდან გვაქვს

CMRR მოცემულია

განაცხადის

2- დიფერენციალური გამაძლიერებელი Circuit სიმულაცია

მაგალითი 3

შეიმუშავეთ მიკროსქემის მაქსიმალური გამოყვანისთვის გათვალისწინებული პირობების მიღწევა. ხუთი ტრანზისტორი, Q₁ to Q₅, თითოეულს აქვს β = 100 ხოლო Q₆ აქვს β საქართველოს 200. V_BE არის X VX ყველა ტრანზისტორი, V_T= 26 mV, და V_A= 80 ვ ვარაუდობენ ყველა ტრანზისტორი იდენტურია.