1. Diferenciālā pastiprinātāji
Diferenciālā pastiprinātāji
Lielākā daļa operacionālo pastiprinātāju sastāv no virknes tranzistoru, rezistoru un kondensatoru, kas veido pilnu sistēmu vienā mikroshēmā. Šobrīd pieejamie pastiprinātāji ir uzticami, mazi un patērē ļoti maz enerģijas.
Lielākā daļa op-ampēru ieejas posms ir Dpastiprinātājs kā parādīts tās vienkāršākajā formā 1.
Diferenciālais pastiprinātājs sastāv no diviem emitteru savienotiem kopējiem emitteriem dc pastiprinātāji. Tai ir divas izejvielas, v1 un v2un trīs rezultāti, vo1, vo2 un vārā. Trešais rezultāts, vārā, Ir atšķirība starp vo1 un vo2.
1.1 dc Transfer Characteristics
Diferenciālais pastiprinātājs nedarbojas lineāri ar lielām signālu ieejām. Lai vienkāršotu analīzi, mēs pieņemam, ka RE ir liels, ka katra tranzistora bāzes pretestība ir nenozīmīga un katra tranzistora izejas pretestība ir liela. Ņemiet vērā, ka diferences pastiprinātājā mēs izmantojam REE, nevis RE, jo šeit izmantotais rezistors ir liels un var būt līdzvērtīgs strāvas avota pretestībai. Lielā REE vērtība saglabā emitenta pretestības sprieguma kritumu gandrīz nemainīgi.
Mēs tagad risinām šo ķēdi izejas spriegumam. Mēs sākam rakstot KVL vienādojumu ap pamatnes savienojuma cilpu 1 attēla shēmai.
Mums ir jāatrod izteiksmes par kolektora strāvām, iC1 un iC2. Bāzes-emittera spriegumus nosaka vienādojums,
Vienādojumā (2) Io1 un Io2 ir apgrieztās piesātinājuma strāvas Q1 un Q2 attiecīgi. Tiek pieņemts, ka tranzistori ir identiski. Vienādojumu (1) un (2) kombinācija
Vienādojuma (3) atrisināšana pašreizējai proporcijai, mēs atrodam,
Mēs varam pieņemt iC1 ir aptuveni vienāds ar iE1 un iC2 ir aptuveni vienāds ar iE2. Tāpēc
Apvienojot vienādojumus (4) un (5), mums ir
Ņemiet vērā, ka
Svarīgu novērojumu var veikt, skatoties vienādojumu (6). Ja v1 - v2 kļūst lielāks par vairākiem simtiem milivoltu, tranzistora 2 kolektora strāva kļūst maza un tranzistors būtībā ir izslēgts. Kolektora strāva tranzistors 1 ir aptuveni vienāds ar iEE, un šis tranzistors ir piesātināts. Kolektora strāvas un līdz ar to izejas spriegums vārā, kļūst neatkarīga no atšķirības starp diviem ieejas spriegumiem.
Lineārā pastiprināšana notiek tikai attiecībā uz ieejas sprieguma atšķirībām, kas ir mazākas par aptuveni 100 mV. Lai palielinātu ieejas sprieguma lineāro diapazonu, var pievienot mazus emittera rezistorus.
1.2 kopējā režīma un diferenciālā režīma pieaugums
Diferenciālais pastiprinātājs ir paredzēts, lai reaģētu tikai uz atšķirību starp abiem ieejas spriegumiem, v1 un v2. Tomēr praktiskā veidā produkcija zināmā mērā ir atkarīga no šo izejvielu summas. Piemēram, ja abas ieejas ir vienādas, izejas spriegumam ideālā gadījumā jābūt nullei, bet praktiskajā pastiprinātājā tas nav. Mēs marķējam lietu, kad ķēde reaģē uz atšķirību kā diferencēts režīms. Ja abas ieejas ir vienādas, mēs sakām, ka ķēde atrodas tās kopējā režīmā. Ideālā gadījumā mēs sagaidām, ka ķēde ražos produkciju tikai diferencētā režīmā.
Jebkuri divi ieejas spriegumi, v1 un v2, var atrisināt par kopīgu un diferenciālu daļu. Mēs definējam divus jaunus ieejas spriegumus:
Spriegums, vdi, ir diferenciālā režīma ieejas spriegums, un tas ir vienkārši atšķirība starp diviem ieejas spriegumiem. Spriegums, vci, ir parastā režīma ieejas spriegums, un tas ir divu ieejas spriegumu vidējais lielums. Sākotnējos ieejas spriegumus var izteikt šādos jaunajos daudzumos:
Ja mēs uzstādām divus ieejas spriegumus vienādus, mums ir
Tā kā abas ieejas ir vienādas, emitenta bāzes savienojuma spriegums ir vienāds (ja tranzistori ir identiski). Tādējādi kolektora strāvai jābūt vienādai.
Tagad mēs redzam līdzvērtīgu shēmu diferenciālā režīma ieejas spriegumam, kā parādīts 2 (a) attēlā. Ņemiet vērā, ka kā pašreizējais Q1 ķēde palielinās, strāva Q2 ķēde samazinās tādā pašā ātrumā un amplitūdā. Tas ir taisnība, jo ievadīts Q2 ir vienāds ar. \ t Q1 bet 180o ārpus fāzes. Tādējādi spriegums mainās REE ir nulle. Kopš ac signāla spriegums REE ir nulle, to var aizstāt ar īssavienojumu ac līdzvērtīga ķēde. Ņemiet vērā, ka spriegums katrā tranzistora bāzē ir vienāds ar amplitūdu, bet 180o no fāzes ir līdzvērtīga sprieguma ievietošanai starp divām tranzistora bāzēm ar divkāršu amplitūdu. Spriegums pie vo1 un vo2 ir vienāda amplitūda, bet pretējā fāzē, un diferenciālā režīma pastiprinājums ir
Šis diferenciālā režīma pastiprinājums ir noteikts a viena gala izeja tā tiek ņemta starp vienu kolektoru un zemi. Ja izeja tiek veikta starp vo1 un vo2, diferenciālā režīma pastiprinājums tiek saukts par a divu galu izeja un to dod
Līdzīgu analīzi var izmantot 2 (b) attēlā redzamās kopējās moduļu ekvivalentās ķēdes.
Ja mēs sadalām rezistoru REE divos paralēlos rezistoros, kam katram ir dubultā sākotnējā pretestība, mēs varam atrast izeju, analizējot tikai pusi no ķēdes. Tā kā tranzistori ir identiski un kopējā režīma ieejas spriegumi ir vienādi un fāzē, spriegumi pāri 2REE rezistori ir vienādi. Tādējādi strāva starp diviem paralēli parādītajiem rezistoriem ir nulle, un mums ir tikai jāpārbauda viena ķēdes puse. Pēc tam tiek izmantots kopējā režīma sprieguma pieaugums
Vienādojums (13) pieņemts REE ir liels un re<<REE.
Divu galu izejas spriegums ir kopējais režīms un diferenciālā režīma pastiprinājums šādā veidā:
Ir vēlams, lai diferenciālā režīma pastiprinājums būtu daudz lielāks nekā kopējā režīma pastiprinājums, lai pastiprinātājs galvenokārt reaģētu uz atšķirību starp ieejas spriegumiem. The kopējā režīma noraidījuma attiecība, CMRR, ir definēts kā diferenciālā režīma pieauguma attiecība pret kopējo režīmu pastiprinājumu. To parasti izsaka dB.
Tagad nosakām pastiprinātāja ieejas pretestību gan diferencētajā režīmā, gan kopējā režīmā. Diferenciālā režīmā mēs apskatām pastiprinātāju pie abu tranzistoru bāzes. Tas rada pilnīgu ķēdi, izmantojot abu tranzistoru emitentu, un ieejas pretestība ir
Tagad parastā režīma ievadei mēs aplūkojam 2 (b) attēlā redzamo pastiprinātāju. Tādējādi ieejas pretestība ir
Šie rezultāti liecina, ka kopējā režīma ieejas pretestība ir daudz lielāka nekā diferencēta režīma.
Mūsu diferenciālā pastiprinātāja analīze ir balstīta uz BJT kā tranzistoru blokiem. FET var izmantot arī diferenciālā pastiprinātājos, kuru rezultātā tiek samazināta ieejas slīpuma strāva un gandrīz bezgalīga ieejas pretestība. Diferenciālā pastiprinātāja analīze, izmantojot FET, tiek veikta tāpat kā BJT analīzei.
Diferenciālie pastiprinātāji vajag saskaņotus tranzistorus, lai nodrošinātu, ka ķēde darbojas pareizi. Ja diferenciālais pastiprinātājs ir integrētā shēmā, šī papildu prasība ir mazāk problēma, jo abi tranzistori tiek izgatavoti vienlaicīgi, izmantojot to pašu materiālu.
1.3 diferenciālais pastiprinātājs ar pastāvīgu strāvas avotu
Ir vēlams REE cik vien iespējams, lai samazinātu kopējo režīmu. Vienādojums rāda, ka, lai padarītu CMRR lielu, mums tas ir jādara REE liels. Tā kā IC mikroshēmām ir grūti izgatavot lielas pretestības, mēs meklējam alternatīvu pieeju. Tas tiek paveikts, nomainot REE ar dc pašreizējais avots. Ideālajam strāvas avotam ir bezgalīga pretestība, tāpēc mēs pētām iespēju aizstāt REE ar šādu strāvas avotu. Attēls 9.3 ilustrē diferenciālo pastiprinātāju, kur rezistors, REE, tiek aizstāts ar pastāvīga strāvas avotu.
Jo tuvāk avots atrodas ideālā konstantā strāvas avotā, jo augstāks ir kopējā režīma noraidīšanas koeficients. Mēs ilustrējam diode kompensētu fiksētu slīpo strāvas avotu. Kompensācija padara ķēdes darbību mazāk atkarīgu no temperatūras svārstībām. Diode D1 un tranzistors Q3 ir izvēlēti tā, lai tiem būtu gandrīz identiskas īpašības visā darba temperatūras diapazonā.
Lai analizētu 3 attēla ķēdi (a) un atrastu CMRR, jānosaka līdzvērtīga pretestība, RTH (konstanta strāvas avota ķēdes Thevenin ekvivalents). Līdzvērtīgu pretestību nosaka [skatīt 3 (b) attēlu]
Rakstot KCL vienādojumu mezglā 1, mums ir
kur ro ir tranzistora iekšējā pretestība norādītajā darbības punktā. To sniedz
Attēls 3 - Diferenciālais pastiprinātājs ar pastāvīgu strāvas avotu
KCL vienādojums mezglā 2
kur
Aizstāšana v1 un v2 vienādojumā mezglā 2, mums ir
Visbeidzot, Thevenin pretestība tiek dota, aizstājot (22) un (23) vienādojumu ar vienādojumu (18).
Tagad mēs izdarīsim vairākus pieņēmumus, lai ievērojami vienkāršotu šo izteiksmi. Lai saglabātu aizspriedumu stabilitāti, mēs izmantojam šo vadlīniju
Aizstājot šo vērtību RB vienādojumā (24) un dalot ar β, mums ir
Mēs varam vienkāršot šo izteiksmi, atzīmējot
Tad mums ir
Tā kā otrais termins šajā vienādojumā ir daudz lielāks nekā pirmais, tad mēs varam ignorēt RE lai iegūtu
Šo vienādojumu var vēl vairāk vienkāršot, ja pastāv šāds nosacījums:
Tādā gadījumā mums ir vienkāršs rezultāts
Tādējādi, ja visas aptuvenās vērtības ir derīgas, RTH ir neatkarīgs no β un tā vērtība ir diezgan liela.
1.4 diferenciālais pastiprinātājs ar viena gala ievadi un izvadi
Attēls 4 parāda diferenciālo pastiprinātāju, kur otrais ievade, v2, ir iestatīts vienāds ar nulli, un izejas tiek uzņemtas kā vo1.
Mēs izmantojam pastāvīgu strāvas avotu REE, kā aprakstīts iepriekšējā sadaļā. Tas ir pazīstams kā a vienvirziena ieejas un izejas pastiprinātājs ar fāzes maiņu. Pastiprinātājs tiek analizēts, nosakot iestatījumu v2 = 0 iepriekšējos vienādojumos. Diferencētā ieeja ir vienkārši
tā izeja ir
Minus zīme norāda, ka šim pastiprinātājam ir 180o fāzes nobīde starp izeju un ievadi. Tipisks sinusoidālais ieejas un izejas attēlots 5 attēlā.
Ja izejas signāls ir jāsaista ar zemi, bet nav vēlams fāzes maiņa, izeju var ņemt no tranzistora Q2.
1. piemērs - diferenciālais pastiprinātājs (analīze)
Atrodiet diferenciālā sprieguma pastiprinājumu, parastā režīma sprieguma pieaugumu un CMRR par 1 attēlā parādīto shēmu. Pieņemu ka Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT = 26 mV un REE = 25 kΩ. Ļaujiet v2 = 0 un ņemiet izeju no vo2.
Risinājums: Pašreizējais caurums REE ir atrodams mierīgā stāvoklī. Tā kā bāze Q2 ir iezemēts, emittera spriegums ir VBE = 0.7 V un
Katrā tranzistora slāpējošā strāva ir puse no šīs summas.
Kopš
diferenciālā sprieguma pieaugums katrā tranzistorā ir
Kopējā režīma sprieguma palielinājums ir
Tad kopējā režīma noraidīšanas koeficientu dod
PIELIETOJUMA
Jūs varat veikt šos aprēķinus arī ar TINA vai TINACloud ķēdes simulatoriem, izmantojot tulku rīku, noklikšķinot uz tālāk redzamās saites.
1 - diferenciālā pastiprinātāja shēmas simulācija
piemērs 2
Attiecībā uz diferenciālo pastiprinātāju, kas aprakstīts 1 piemērā, izveidojiet temperatūras kompensētu fiksētu slīpuma strāvas avotu (3 attēls), lai aizstātu REE un nosakiet diferenciālā pastiprinātāja jauno CMRR, ar ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V un β = 100. Pieņemsim, ka R1 = R2.
Risinājums: Mēs izvietojam tranzistora darbības punktu vidū dc slodzes līnija.
Pēc tam, atsaucoties uz 3 (a) attēla pašreizējo avotu,
Par neobjektīvu stabilitāti,
Tad
Kopš 0.1RE>>re (ti, 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), tad no (31) vienādojuma mums ir
CMRR sniedz
PIELIETOJUMA
Jūs varat veikt šos aprēķinus arī ar TINA vai TINACloud ķēdes simulatoriem, izmantojot tulku rīku, noklikšķinot uz tālāk redzamās saites.
2 - diferenciālā pastiprinātāja shēmas simulācija
piemērs 3
Izstrādājiet ķēdi, lai sasniegtu 6 attēlā norādītos nosacījumus maksimālajam sprieguma izejas spriegumam. Pieci tranzistori, Q1 uz Q5, katram ir β = 100, kamēr Q6 ir β no 200. VBE 0.6 V visiem tranzistoriem, VT = 26 mV un VA = 80 V. Pieņemsim, ka visi tranzistori ir identiski.
Noteikt,
() RC, R1un CMRR.
b) parastā režīma izejas spriegums.
c) diferenciālā režīma izejas spriegums.
d) Diferenciālais režīms ievade spriegums vdi maksimālo jaudu.
Risinājums: Mēs izturēsim ķēdi trīs daļās:
- 1. Darlingtona pastiprinātājs.
- 2. Diferenciālais pastiprinātājs
- 3. Vienkāršs strāvas avots
Tagad par kopējo sistēmu mums ir
Diferenciālā ieeja vdi nepieciešams, lai radītu maksimālu neizkropļotu izejas spriegumu
Jūs varat veikt šos aprēķinus arī ar TINA vai TINACloud ķēdes simulatoriem, izmantojot tulku rīku, noklikšķinot uz tālāk redzamās saites.
3 - diferenciālā pastiprinātāja shēmas simulācija