Дифференциалдық күшейткіштер - TINA және TINACloud Ресурстар

Дифференциалдық күшейткіштер

Көптеген операциялық күшейткіштер бір транзисторлардан, резисторлардан және бір чипте толық жүйені құрайтын конденсаторлардан тұрады. Бүгінгі күні қолданылатын күшейткіштер сенімді, кішкентай мөлшерде және өте аз қуатта.

Оп-амптың көпшілігін енгізу кезеңі Dкүшейткіш күшейткіш 1 суреттегі ең қарапайым пішінде көрсетілгендей.

Дифференциалдық күшейткіштер, практикалық операциялық күшейткіш, схемалық модельдеу, схемалық тренажер, схемотехника,

Сурет 1 - дифференциалдық күшейткіш

Дифференциалды күшейткіш екі эмитентпен байланысқан ортақ таратқыштан тұрады dc күшейткіштер. Оның екі кірісі бар, v₁ және v₂, және үш шығу, v_o1, v_o2 және v_{сыртында}. Үшінші шығу, v_{сыртында}, арасындағы айырмашылық v_o1 және v_o2.

1.1 dc трансфер сипаттамасы

Дифференциалдық күшейткіш үлкен сигнал кірістері бар сызықты түрде жұмыс істемейді. Талдауды жеңілдету үшін, RE үлкен болғандықтан, әрбір транзистордың базалық қарсылығы өте аз және әр транзистордың шығу кедергісі үлкен болған деп есептейміз. Назар аударыңыз, дифференциалдық күшейткіште РЕ емес, REE-ды қолданамыз, себебі мұнда пайдаланылатын резистор үлкен және ағымдағы көздің баламалы болуы мүмкін. REE үлкен мәні эмитенттің резистор кернеуінің тұрақты төмендейтіндігін сақтайды.
Біз осы схеманы шығыс кернеуіне шешеміз. Біз XVNXX схемасы үшін базалық түйіспе циклінің айналасында KVL теңдеуін жазу арқылы басталады.

(1)

(2)

Біз коллекторлық ағымдар үшін өрнектерді табуымыз керек, i_C1 және i_C2. Негізгі эмитенттің кернеуі теңдеу арқылы беріледі,

Теңдеуде (2) I_o1 және I_o2 кері толқындық токтар болып табылады Q₁ және Q₂ тиісінше. Транзисторлар бірдей деп есептеледі. Теңдеулерді біріктіру (1) және (2) кірістілігі

(3)

Ағымдағы қатынастағы теңдеуді (3) шешу, біз табамыз,

(4)

Деп болжауға болады i_C1 шамамен тең i_E1 және i_C2 шамамен тең i_E2. Сондықтан

(5)

Теңдеулерді біріктіру (4) және (5) бізде бар

(6)

Ескертіп қой

(7)

Маңызды байқауды теңдеуді (6) қарап шығу арқылы жасауға болады. Егер болса v₁- v₂ бірнеше жүз милливольттан артық болады, транзисторлық 2-дегі коллекторлық ток аз болады және транзистор шын мәнінде кесіледі. Транзисторлық 1-дағы коллекторлық ток шамамен тең i_EE, және бұл транзистор қаныққан. Коллекторлық токтар, сондықтан шығу кернеуі v_{сыртында}, кіріс кернеулерінің арасындағы айырмашылықтан тәуелсіз болады.

Сызықтық күшейту тек қана 100 мВ-тан кем кіріс кернеуінің айырмашылығына байланысты. Кіріс кернеуінің сызықтық диапазонын арттыру үшін шағын эмитент резисторларын қосуға болады.

1.2 жалпы режимі мен дифференциалды режимінің пайдасы

Дифференциалдық күшейткіш тек кіріс кернеулерінің арасындағы айырмашылыққа жауап береді, v₁ және v₂. Дегенмен, практикалық op-ампта бұл өнім белгілі бір дәрежеде осы кірістердің қосындысына байланысты. Мысалы, егер екі кіріс тең болса, шығыс кернеуі өте нөлге тең болуы керек, бірақ практикалық күшейткіште ол жоқ. Біз тізбектің айырмашылығына жауап ретінде жағдайды белгілейміз дифференциалдық режим. Егер екі кіріс бірдей болса, онда тізбектің өзі орналасқан жалпы режим. Ең дұрысы, тізбектің дифференциалды режимде шығуын күтеміз.

Кез келген екі кіріс кернеуі, v₁ және v₂, жалпы және дифференциалды бөлікке айналуы мүмкін. Біз келесідей жаңа кіріс кернеулерін анықтаймыз:

(8)

Кернеу, v_di, дифференциалды режимдегі кіріс кернеуі болып табылады және ол екі кіріс кернеуінің арасындағы айырмашылық. Кернеу, v_ci, жалпы режимдегі кіріс кернеуі болып табылады, бұл кіріс кернеуінің орташа мәні. Бастапқы кіріс кернеуі төмендегі жаңа сандар бойынша көрінуі мүмкін:

(9)

Егер екі кіріс кернеуін теңшейтін болсақ, онда бізде бар

(10)

Екі кіріс тең болғандықтан, эмитент-базалық қосылуға арналған кернеулер бірдей (егер транзисторлар бірдей болса). Осылайша, коллекторлық токтар бірдей болуы керек.

Дифференциалдық күшейткіштер, тізбекті модельдеу, контурлық тренажер, схемотехника, практикалық ампер

Диаграмма 2 (а) Дифференциалды режимді күшейткіштің баламалы тізбегі

Енді X NUMX (a) суретте көрсетілгендей, дифференциалды режимдік кіріс кернеуіне балама схеманы қарастырамыз. Назар аударыңыз, ағымдық Q₁ тізбектің ұлғаюы, ток Q₂ схема сол жылдамдықпен және амплитудамен төмендейді. Бұл дұрыс болғандықтан дұрыс Q₂ бұл тең Q₁ бірақ 180^o фазадан тыс. Осылайша кернеудің өзгеруі R_EE нөлге тең. Өйткені ac сигнал кернеуі R_EE нөлге тең болады, оны қысқа тұйықталу арқылы ауыстыруға болады ac балама схема. Әрбір транзисторлық базада амплитудасы бар, бірақ 180-да тең кернеулерді орналастырыңыз^o фазадан тыс екі транзисторлы база арасындағы амплитудадан екі есе кернеу қоюға тең. Кернеу v_o1 және v_o2 тең амплитудасы бар, ал қарсы фаза және дифференциалды режимде пайда болады

(11)

Бұл дифференциалды режимнің пайдасы a бір аяқталған шығару өйткені ол бір коллектор мен жерге түседі. Егер шығыс арасында болса v_o1 және v_o2, дифференциалды режимді пайда деп аталады қосарланған нәтиже және берілген

(12)

Осыған ұқсас талдау 2 (b) суреттегі жалпы режімдегі эквиваленттік сұлбаға қолданылуы мүмкін.

Сурет 2 (b) Жалпы режимді күшейткішке балама схема

Егер резисторды бөлетін болсақ R_EE екі параллель резисторға әрқайсысы екі еселенген бастапқы кедергісі бар, біз шығуды тек тізбектің жартысын талдау арқылы табуға болады. Транзисторлар бірдей және жалпы режимдегі кіру кернеуі бірдей және фазалық болғандықтан, 2R_EE резисторлар бірдей. Осылайша, көрсетілген екі параллель резистор арасындағы ток нөлге тең және біз тізбектің тек бір жағын ғана қарауымыз керек. Сол кезде жалпы режимдегі кернеу пайдасы болады

(13)

Теңдеу (13) қабылдайды R_EE үлкен және r_e<<R_EE.

Біз жалпы режимде және дифференциалды режимдік пайда түрінде екі жақты шығыс кернеуін келесідей табамыз:

(14)

Күшейткіш ең алдымен кіріс кернеуінің арасындағы айырмашылыққа әрекет ету үшін дифференциалды режимді пайда алудың жалпы режим пайдасынан әлдеқайда көп болуы қажет. The жалпы режимді қабылдамау коэффициенті, CMRR, дифференциалдық режим пайдасының жалпы режим пайдасына қатынасы ретінде анықталады. Әдетте дБ-да көрсетіледі.

(15)

Күшейткіштің кіріс кедергісін дифференциалды режимде де, ортақ режимде де анықтаймыз. Дифференциалды режимде біз транзисторлардың базасында күшейткішті қарастырамыз. Бұл транзисторлардың екеуі арқылы толық тізбекке әкеледі және кіріс кедергісі болып табылады

(16)

Енді жалпы режимді енгізу үшін 2 (b) суреттегі күшейткішті қарастырамыз. Осылайша, кіріс кедергісі

(17)

Бұл нәтижелер ортақ режимнің кіріс кедергісі дифференциалды режимге қарағанда әлдеқайда жоғары екендігін көрсетеді.

Біздің дифференциалдық күшейткішті анализ BJTs транзисторлық құрылыс блоктарына негізделген. FET-лер дифференциалды күшейткіштерде де кірістірудің төмендетілген ток күшінің төмендеуі және дерлік шексіз кіру импедансінің артықшылықтары бар. FET-ді қолданып дифференциалды күшейткішті талдау BJT талдауымен дәл сол сияқты орындалады.

Дифференциалдық күшейткіштер тізбектің дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін транзисторларға сәйкес келеді. Егер дифференциалды күшейткіш интегралды схемада болса, онда бұл қосымша талаптар бірдей материалды қолдана отырып бір мезгілде екі транзисторлардан жасалғандықтан, мәселенің аздығы.

Тұрақты ток көзі бар 1.3 дифференциалды күшейткіші

Мүмкіндігінше жасау керек R_EE жалпы режимдегі өнімді азайту үшін мүмкіндігінше үлкен. Теңдеулер CMRR-ны жасау үшін біз жасай алуымыз керек екенін көрсетеді R_EE үлкен. Үлкен кедергілер IC чиптерінде дайындалу қиын болғандықтан, біз баламалы көзқарасты іздейміз. Бұл ауыстыру арқылы жүзеге асырылады R_EE а бар dc ағымдағы көзі. Әмбебап ток көзі шексіз импедансқа ие, сондықтан біз алмастыру мүмкіндігін зерттейік R_EE осындай ток көзі бар. Сурет 9.3 дифференциалды күшейткішті суреттейді, онда резистор, R_EE, тұрақты ток көзімен ауыстырылады.

(18)

Көздің көзі тұрақты тұрақты ток көзіне неғұрлым жақын болса, қарапайым режімді қабылдамау коэффициенті жоғарырақ болады. Диодтың өтелетін тұрақты диафрагманың көзін суреттейді. Өтемақы сұлбаның жұмыс істеуін температураның өзгеруіне байланысты азайтады. Диод D₁ және транзисторлар Q₃ олар жұмыс температурасының диапазоны бойынша бірдей сипаттамаларға ие болуы үшін таңдалады.
Сурет 3 (a) схемасын талдау және CMRR табу үшін, балама қарсылықты анықтау керек, R_TH (Тұрақты ток көзінің контурының Thevenin эквиваленті). Баламалы кедергісі [суретті қараңыз 3 (b)]

1 торабында KCL теңдеуін жазу, бізде бар

(19)

қайда r_o - берілген операциялық нүктесінде транзистордың ішкі кедергісі. Ол берілген

(20)

Дифференциалдық күшейткіштер, тізбекті модельдеу, контурлық тренажер, схемотехника, практикалық ампер

Сурет 3 - Тұрақты ток көзі бар дифференциалдық күшейткіш

2 торабындағы KCL теңдеуі нәтиже береді

(21)

қайда

(22)

Подставка v₁ және v₂ 2 торабындағы теңдеуге ие болдық

(23)

Соңында, Тевенин кедергісі (22) және (23) теңдеулерін (18) теңдеуіне ауыстыру арқылы беріледі.

(24)

Енді осы өрнек едәуір жеңілдету үшін бірқатар болжамдар жасаймыз. Сызықтық тұрақтылықты сақтау үшін біз бұл нұсқаулықты қолданамыз

(25)

Бұл мәнді ауыстыру R_B теңдеуде (24) және бөлу арқылы β, Бізде бар

(26)

Біз бұл білдіруді жеңілдете аламыз

(27)

Бізде бар

(28)

Осы теңдеулердегі екінші термин біріншіден әлдеқайда көп болғандықтан, біз ескермеуіміз мүмкін R_E алу үшін

(29)

Бұл теңдеу төмендегі шарт болған жағдайда жеңілдетілуі мүмкін:

(30)

Бұл жағдайда бізде қарапайым нәтиже бар

(31)

Демек, егер барлық жақындаулар дұрыс болса, R_TH тәуелсіз β және оның мәні өте үлкен.

Бір аяқталған кіріс және шығысымен 1.4 дифференциалды күшейткіші

Сурет 4 дифференциалды күшейткішті көрсетеді, онда екінші кіріс, v₂, нөлге тең және шығыс ретінде қабылданады v_o1.

Тұрақты ток көзін пайдаланамыз R_EE, алдыңғы бөлімде талқыланған. Бұл a ретінде белгілі фазалық кері күші бар біржолақты кіріс және шығыс күшейткіш. Күшейткішті орнату арқылы талдау жүргізіледі v₂= 0 бұрынғы теңдеулерде. Дифференциалды енгізу кейін жай

(32)

сондықтан шығу

(33)

Сурет 4 - фазалардың кері ағымымен бірге біржолақты кіріс

Минус белгісі осы күшейткіштің 180 көрсететінін білдіреді^o шығыс және кіріс арасындағы фазалық жылжу. Типтік синусоидальдық кіріс және шығыс 5 суретте бейнеленген.

Сурет 5 - Sinusoidal енгізу және шығару

Егер шығыс сигналына жерге сілтеме жасалса, бірақ фазаны қалпына келтіру қажет болмаса, онда шығыс транзистордан алынуы мүмкін Q₂.

1-мысал - дифференциалды күшейткіш (талдау)

Дискретті кернеудің жоғарылауын, жалпы режимдегі кернеуді арттыруды және 1 суретте көрсетілген схемаға арналған CMRR табыңыз. Мысалы, бұл R_i = 0, R_C = 5 кОм, V_EE= 15 V, V_BE= 0.7 V, V_T= 26 мВ, және R_EE = 25 кОм. Келіңіздер v₂ = 0 және шығысын шығарыңыз v_o2.

Шешім: Ағымдағы арқылы R_EE күйде қалып отыр. Негізінен Q₂ жерге тұйықталған, эмитенттің кернеуі V_BE = 0.7 V, және

Әр транзистордағы тыныш ток бұл соманың жартысы.

содан бері

әр транзистордың дифференциалдық кернеуінің өсуі

Жалпы кернеудің жоғарылауы

Жалпы режимді қабылдамау коэффициенті кейін беріледі

ӨТІНІШ

Сондай-ақ, осы есептеулерді TINA немесе TINACloud тізбегі тренажерлерімен төмендегі сілтемені басу арқылы олардың аудармашының құралын пайдалана аласыз.

1 - Дифференциалдық күшейткіштің схемасы

Мысал 2

Мысал 1-де сипатталған дифференциалды күшейткіш үшін температура-өтелмеген тіркелген ағын көзінің көзін (3) ауыстырыңыз. R_EE және дифференциалдық күшейткіштің жаңа CMRR параметрін анықтаңыз r_o = 105 кОм, V_BE = 0.7 V, және β = 100. Мысалы: R₁ = R₂.

Шешім: Транзисторлық нүктені ортасында орналастырамыз dc жүктеме желісі.

Содан кейін, сурет 3 (а) ағымдағы көзіне сілтеме жасай отырып,

Қарсылық тұрақтылығы үшін,

содан кейін

0.1 уақыттан беріR_E>>r_e (яғни, 1.25 кОм >> 26 / 0.57 Ω), онда (31) теңдеуден бізде бар

CMRR арқылы беріледі

ӨТІНІШ

2 - Дифференциалдық күшейткіштің схемасы

Мысал 3

Максималды шығыс кернеуінің бұрылу үшін фигура 6-де көрсетілген шарттарға қол жеткізу үшін тізбекті құрастырыңыз. Бес транзисторлар, Q₁ дейін Q₅, әрқайсысы бар β = 100 болса Q₆ бар β 200 туралы. V_BE барлық транзисторлар үшін 0.6 V, V_T= 26 мВ, және V_A= 80 V. Барлық транзисторлар бірдей.