1. Diferenciniai stiprintuvai

DABARTINIS - 1. Diferencialiniai stiprintuvai

PREVIOUS-Praktiniai operaciniai stiprintuvai- Įvadas

NEXT- 2. Lygio keitikliai

Diferenciniai stiprintuvai

Dauguma operacinių stiprintuvų susideda iš daugelio tranzistorių, rezistorių ir kondensatorių, sudarančių visą sistemą viename luste. Šiandien prieinami stiprintuvai yra patikimi, maži ir sunaudoja labai mažai energijos.

Daugelio opto stiprintuvų įvesties etapas yra Dnetiesioginis stiprintuvas kaip parodyta paprasčiausia forma 1.

1 pav. - Diferencinis stiprintuvas

Diferencialinis stiprintuvas susideda iš dviejų emitterio sujungtų bendrų emitterių dc stiprintuvai. Ji turi du įėjimus, v₁ ir v₂ir trys rezultatai, v_o1, v_o2 ir v . Trečiasis išėjimas, v , yra skirtumas tarp v_o1 ir v_o2.

1.1 dc perdavimo charakteristikos

Diferencinis stiprintuvas neveikia tiesiškai su dideliais signalo įėjimais. Siekiant supaprastinti analizę, darome prielaidą, kad RE yra didelė, kad kiekvieno tranzistoriaus atsparumas bazei yra nereikšmingas ir kad kiekvieno tranzistoriaus išėjimo varža yra didelė. Atkreipkite dėmesį, kad diferenciniame stiprintuve mes naudojame REE, o ne RE, nes čia naudojamas rezistorius yra didelis ir gali būti lygiavertis srovės šaltinio atsparumas. Didžioji REE vertė išlaiko emitterio varžos įtampos kritimą beveik pastoviai.
Dabar išspręsti šią grandinę išėjimo įtampai. Mes pradedame rašyti KVL lygtį aplink 1 schemos pagrindinę jungtį.

(1)

(2)

Turime rasti kolektoriaus srovių išraiškas, i_C1 ir i_C2. Pagrindinės emitterios įtampos pateikiamos lygtimi,

Lygtyje (2) I_o1 ir I_o2 yra atvirkštinės soties srovės Q₁ ir Q₂ atitinkamai. Manoma, kad tranzistoriai yra identiški. Derinant lygtis (1) ir (2) derlius

(3)

Atrandame, kad dabartinio santykio lygtis (3)

(4)

Galime manyti, kad i_C1 yra maždaug lygus i_E1 ir i_C2 yra maždaug lygus i_E2. Todėl

(5)

Derinant lygtis (4) ir (5), mes turime

(6)

Atkreipkite dėmesį, kad

(7)

Svarbų stebėjimą galima atlikti peržiūrint lygtį (6). Jei v₁ - v₂ tampa didesnis nei keli šimtai milivolų, kolektoriaus srovė tranzistore 2 tampa maža ir tranzistorius iš esmės yra nutraukiamas. Kolektoriaus srovė tranzistore 1 yra maždaug lygi i_EE, ir šis tranzistorius yra prisotintas. Kolektoriaus srovės ir todėl išėjimo įtampa v , nepriklauso nuo dviejų įvesties įtampų skirtumo.

Linijinis stiprinimas įvyksta tik esant mažesniam nei maždaug 100 mV įėjimo įtampos skirtumui. Siekiant padidinti linijinį įvesties įtampos diapazoną, galima pridėti nedidelius emitterio rezistorius.

1.2 bendrojo režimo ir diferencinio režimo prieaugis

Diferencialinis stiprintuvas skirtas reaguoti tik į dviejų įvesties įtampų skirtumą, v₁ ir v₂. Tačiau praktiniame darbe tam tikru mastu priklauso nuo šių sąnaudų sumos. Pavyzdžiui, jei abi įvestys yra lygios, išėjimo įtampa idealiai turėtų būti nulis, bet praktiškame stiprintuve tai nėra. Mes ženkliname atvejį, kai grandinė reaguoja į skirtumą kaip diferencinis režimas. Jei du įėjimai yra lygūs, sakome, kad grandinė yra jos bendras režimas. Idealiu atveju mes tikėtume, kad grandinė gamins produkciją tik diferenciniu režimu.

Bet kokios dvi įvesties įtampos, v₁ ir v₂, gali būti išspręsta į bendrą ir diferencinę dalį. Mes apibrėžiame dvi naujas įvesties įtampas:

(8)

Įtampa, v_di, yra diferencinio režimo įvesties įtampa ir tai tiesiog skirtumas tarp dviejų įėjimo įtampų. Įtampa, v_ci, yra bendrosios įvesties įtampa, ir tai yra dviejų įėjimo įtampų vidurkis. Pirminės įvesties įtampos gali būti išreikštos šiais naujais kiekiais:

(9)

Jei nustatome dvi lygias įvesties įtampas, mes turime

(10)

Kadangi du įėjimai yra lygūs, emitterio bazės jungties įtampa yra lygi (jei tranzistoriai yra identiški). Taigi, kolektoriaus srovės taip pat turi būti identiškos.

2 (a) Diferencinio režimo stiprintuvo ekvivalentinė grandinė

Dabar matome lygiaverčio režimo įvesties įtampos grandinę, kaip parodyta 2 (a). Atkreipkite dėmesį, kad dabartinė Q₁ grandinė didėja, srovė Q₂ grandinė mažėja tuo pačiu greičiu ir amplitude. Tai tiesa, nes įvedėte Q₂ yra lygus Q₁ bet 180^o neveikia. Taigi įtampa keičiasi R_EE yra nulis. Nuo ac signalo įtampa R_EE yra nulis, jis gali būti pakeistas trumpuoju jungimu ac lygiavertė grandinė. Atkreipkite dėmesį, kad kiekvienos tranzistorinės bazės įtampa yra lygi amplitudei, bet 180^o iš fazės yra lygiavertis įtampos tarp dviejų tranzistorių bazių, kurių amplitudė yra dvigubai didesnė, pateikimas. Įtampos v_o1 ir v_o2 yra vienodos amplitudės, bet priešinga fazė, o diferencinio režimo padidėjimas yra

(11)

Šis diferencinio režimo padidėjimas yra nustatytas a vieno galo produkcija kadangi jis yra paimtas iš vieno kolektoriaus ir žemės. Jei išvestis yra tarp v_o1 ir v_o2, diferencinio režimo stiprinimas vadinamas a dvigubas išėjimas ir yra

(12)

Panaši analizė gali būti taikoma 2 (b) paveiksle pateikiamai bendrojo režimo ekvivalentinei grandinei.

2 (b) Bendrojo režimo stiprintuvo ekvivalentinė grandinė

Jei pasiskirsime rezistorių R_EE į du lygiagrečius rezistorius, kurių kiekvienas turi dvigubą pradinį pasipriešinimą, galime rasti produkciją analizuojant tik pusę grandinės. Kadangi tranzistoriai yra vienodi ir bendrosios įvesties įtampos yra vienodos ir fazinės, įtampa per 2R_EE rezistoriai yra vienodi. Taigi, tarp dviejų paralelinių rezistorių rodoma srovė yra lygi nuliui, ir mes turime tik pažvelgti į vieną grandinės pusę. Tada yra bendrojo režimo įtampos padidėjimas

(13)

Lygtis (13) prisiima R_EE yra didelis ir r_e<<R_EE.

Dvejopą išėjimo įtampą pagal bendrą režimą ir diferencinio režimo padidinimą randame taip:

(14)

Pageidautina, kad diferencinio režimo stiprinimas būtų daug didesnis nei bendrojo režimo stiprinimas, kad stiprintuvas pirmiausia reaguotų į skirtumą tarp įvesties įtampų. The bendrojo režimo atmetimo santykis, CMRR, yra apibrėžiamas kaip diferencinio režimo padidėjimo ir bendrojo režimo padidėjimo santykis. Jis paprastai išreiškiamas dB.

(15)

Dabar nustatome stiprintuvo įvesties varžą tiek diferenciniu režimu, tiek įprastu režimu. Diferenciniam režimui žiūrime į stiprintuvą abiejų tranzistorių pagrindu. Tai sukelia visišką grandinę per abiejų tranzistorių emitterį, o įvesties varža yra

(16)

Dabar bendrojo režimo įvestyje mes žiūrime į 2 (b) paveikslo stiprintuvą. Taigi, įvesties varža yra

(17)

Šie rezultatai rodo, kad bendrojo režimo įvesties varža yra daug didesnė nei diferencinio režimo.

Mūsų diferencialinio stiprintuvo analizė grindžiama BJT kaip tranzistorių blokais. FET taip pat gali būti naudojami diferencialiniuose stiprintuvuose, kurių privalumai yra sumažintas įvesties poslinkis ir beveik begalinis įvesties varža. Diferencinio stiprintuvo, naudojant FET, analizė atliekama taip pat, kaip ir BJT analizė.

Diferencialiniai stiprintuvai reikalauja suderintų tranzistorių, kad užtikrintų, jog grandinė veikia tinkamai. Jei diferencinis stiprintuvas yra integruotame kontūre, šis papildomas reikalavimas yra mažiau problemiškas, nes du tranzistoriai yra pagaminti tuo pačiu metu naudojant tą pačią medžiagą.

1.3 diferencinis stiprintuvas su nuolatiniu srovės šaltiniu

Pageidautina padaryti R_EE kuo didesnė, kad būtų sumažintas bendras režimas. Lygtis rodo, kad norint, kad CMRR būtų didelis, turime padaryti R_EE didelis. Kadangi IC mikroschemose sunku pagaminti didelius atsparumus, mes ieškome alternatyvaus požiūrio. Tai pasiekiama pakeičiant R_EE su dc srovės šaltinis. Idealus srovės šaltinis turi begalinę impedanciją, todėl tiriame galimybę pakeisti R_EE su šiuo srovės šaltiniu. 9.3 iliustruoja diferencinį stiprintuvą, kur rezistorius, R_EE, pakeičiamas nuolatinės srovės šaltiniu.

(18)

Kuo arčiau šaltinis yra idealus pastoviosios srovės šaltinis, tuo didesnis bendras režimo atmetimo santykis. Mes iliustruojame diodų kompensuojamą fiksuoto šališkumo srovės šaltinį. Kompensacija sumažina grandinės veikimą nuo temperatūros pokyčių. Diodas D₁ ir tranzistorius Q₃ yra parinktos taip, kad jų veikimo temperatūros diapazonas būtų beveik identiškas.
Norint išanalizuoti 3 (a) paveikslo grandinę ir surasti CMRR, reikia nustatyti lygiavertį atsparumą, R_TH (pastovios srovės šaltinio grandinės Thevenin ekvivalentas). Lygiavertis atsparumas nustatomas pagal [žr. 3 (b) pav.]

Rašant KCL lygtį mazge 1, mes turime

(19)

kur r_o yra tranzistoriaus vidinė varža nurodytame darbo taške. Tai yra

(20)

3 pav. - Diferencinis stiprintuvas su nuolatinės srovės šaltiniu

KCL lygtis mazgo 2 derliuose

(21)

kur

(22)

Pakeičiant v₁ ir v₂ į 2 mazgo lygtį, turime

(23)

Galiausiai, Thevenin atsparumas gaunamas pakeičiant (22) ir (23) lygtis į (18) lygtį.

(24)

Dabar padarysime keletą prielaidų, kad ši išraiška būtų labai supaprastinta. Siekiant išlaikyti šališkumo stabilumą, mes naudojame šią gairę

(25)

Pakeitus šią vertę R_B lygtyje (24) ir dalijant β, mes turime

(26)

Šią išraišką galime supaprastinti pažymėdami

(27)

Tada mes turime

(28)

Kadangi antrasis terminas šioje lygtyje yra daug didesnis nei pirmasis, todėl mes galime ignoruoti R_E gauti

(29)

Šią lygtį galima dar labiau supaprastinti, jei yra tokia sąlyga:

(30)

Tokiu atveju mes turime paprastą rezultatą

(31)

Taigi, jei visi apytikslai galioja, R_TH nepriklauso nuo β ir jos vertė yra gana didelė.

1.4 diferencinis stiprintuvas su vienu galiniu įėjimu ir išėjimu

4 pavaizduotas diferencinis stiprintuvas, kuriame antrasis įėjimas, v₂, yra lygus nuliui ir išvestis yra laikoma v_o1.

Vietoj R_EE, kaip aptarta ankstesniame skyriuje. Tai žinoma kaip a vieno galo įvesties ir išvesties stiprintuvas su fazės apsisukimu. Stiprintuvas yra analizuojamas nustatant v₂ = 0 ankstesnėse lygtyse. Skirtingas įėjimas yra tiesiog

(32)

taip išėjimas yra

(33)

4 pav. - Vienpusis įėjimas su fazės keitimu

Minuso ženklas rodo, kad šis stiprintuvas turi 180^o fazės poslinkis tarp išėjimo ir įvesties. Tipiškas sinusoidinis įėjimas ir išėjimas yra pavaizduoti 5 paveiksle.

5 pav. - Sinusoidinis įėjimas ir išėjimas

Jei išvesties signalas turi būti susietas su žeme, bet nėra pageidaujama fazės keitimo, išėjimas gali būti paimtas iš tranzistoriaus Q₂.

1 pavyzdys - diferencialinis stiprintuvas (analizė)

Raskite diferencinės įtampos padidėjimą, bendrojo režimo įtampos padidėjimą ir CMRR už 1 pavaizduotą grandinę. Tarkime, kad R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE = 15 V, V_BE = 0.7 V, V_T = 26 mV, ir R_EE = 25 kΩ. Leisti v₂ = 0 ir išvesties iš v_o2.

Sprendimas: Srovė per R_EE randama ramioje būsenoje. Nuo Q₂ yra įžemintas, emitterio įtampa yra V_BE = 0.7 V ir

Kiekvieno tranzistoriaus srovė yra pusė šios sumos.

Nuo

diferencinės įtampos padidėjimas kiekviename tranzistore

Bendrojo režimo įtampos padidėjimas yra

Tuomet bendrojo režimo atmetimo koeficientas pateikiamas

PRITAIKYMĄ

Taip pat galite atlikti šiuos skaičiavimus su TINA arba TINACloud grandinės imitatoriais, naudodami jų vertėjo įrankį spustelėdami toliau pateiktą nuorodą.

1 - diferencinio stiprintuvo grandinės modeliavimas

Pavyzdys 2

1 pavyzdyje aprašytam diferenciniam stiprintuvui suprojektuokite temperatūros kompensuotą fiksuoto šuolio srovės šaltinį (3 pav.), Kad pakeistumėte R_EE ir nustatykite naują diferencinio stiprintuvo CMRR, naudodami r_o = 105 kΩ, V_BE = 0.7 V ir β = 100. Tarkime R₁ = R₂.

Sprendimas: Uždarome tranzistorių veikimo tašką viduryje dc apkrovos linija.

Tada, remiantis dabartiniu 3 (a) paveikslo šaltiniu,

Dėl šališkumo stabilumo,

Tada

Nuo 0.1R_E>>r_e (ty 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), tada mes turime iš (31) lygties

CMRR yra pateiktas

PRITAIKYMĄ

Taip pat galite atlikti šiuos skaičiavimus su TINA arba TINACloud grandinės imitatoriais, naudodami jų vertėjo įrankį spustelėdami toliau pateiktą nuorodą.

2 - diferencinio stiprintuvo grandinės modeliavimas

Pavyzdys 3

Sukurkite grandinę, kad pasiektumėte 6 paveiksle nurodytas sąlygas, kad būtų pasiekta maksimali išėjimo įtampa. Penki tranzistoriai, Q₁ į Q₅, kiekvienas turi β = 100 Q₆ Turi- β iš 200. V_BE yra 0.6 V visiems tranzistoriams, V_T = 26 mV, ir V_A = 80 V. Tarkime, kad visi tranzistoriai yra vienodi.

Nustatyti,

(A) R_C, R₁ir CMRR.

b) Bendrosios išėjimo įtampa.

c) diferencinio režimo išėjimo įtampa.

d) Diferencialinis režimas indėlis įtampa v_di maksimali galia.

6 pav. - 3 pavyzdžio diferencinis stiprintuvas

Sprendimas: Mes traktuosime grandinę trimis skyriais:

• 1. Darlingtono stiprintuvas.

• 2. Diferencinis stiprintuvas

• 3. Paprastas srovės šaltinis

Dabar mes turime visą sistemą

Diferencialinis įėjimas v_di reikia, kad būtų sukurta maksimali neiškreipta išėjimo įtampa

PRITAIKYMĄ

Taip pat galite atlikti šiuos skaičiavimus su TINA arba TINACloud grandinės imitatoriais, naudodami jų vertėjo įrankį spustelėdami toliau pateiktą nuorodą.

3 - diferencinio stiprintuvo grandinės modeliavimas

 

PREVIOUS-Praktiniai operaciniai stiprintuvai- Įvadas

NEXT- 2. Lygio keitikliai