Diferenciālie pastiprinātāji-TINA un TINACloud resursi

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.

Diferenciālā pastiprinātāji, praktiskais pastiprinātājs, ķēdes simulācija, ķēdes simulators, ķēdes dizains,

Attēls 1 - Diferenciālais pastiprinātājs

Diferenciālais pastiprinātājs sastāv no diviem emitteru savienotiem kopējiem emitteriem dc pastiprinātāji. Tai ir divas izejvielas, v₁ un v₂un trīs rezultāti, v_o1, v_o2 un v_ārā. Trešais rezultāts, v_ārā, Ir atšķirība starp v_o1 un v_o2.

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.

(1)

(2)

Mums ir jāatrod izteiksmes par kolektora strāvām, i_C1 un i_C2. Bāzes-emittera spriegumus nosaka vienādojums,

Vienādojumā (2) I_o1 un I_o2 ir apgrieztās piesātinājuma strāvas Q₁ un Q₂ attiecīgi. Tiek pieņemts, ka tranzistori ir identiski. Vienādojumu (1) un (2) kombinācija

(3)

Vienādojuma (3) atrisināšana pašreizējai proporcijai, mēs atrodam,

(4)

Mēs varam pieņemt i_C1 ir aptuveni vienāds ar i_E1 un i_C2 ir aptuveni vienāds ar i_E2. Tāpēc

(5)

Apvienojot vienādojumus (4) un (5), mums ir

(6)

Ņemiet vērā, ka

(7)

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 i_EE, un šis tranzistors ir piesātināts. Kolektora strāvas un līdz ar to izejas spriegums v_ārā, 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:

(8)

Spriegums, v_di, ir diferenciālā režīma ieejas spriegums, un tas ir vienkārši atšķirība starp diviem ieejas spriegumiem. Spriegums, v_ci, ir parastā režīma ieejas spriegums, un tas ir divu ieejas spriegumu vidējais lielums. Sākotnējos ieejas spriegumus var izteikt šādos jaunajos daudzumos:

(9)

Ja mēs uzstādām divus ieejas spriegumus vienādus, mums ir

(10)

Tā kā abas ieejas ir vienādas, emitenta bāzes savienojuma spriegums ir vienāds (ja tranzistori ir identiski). Tādējādi kolektora strāvai jābūt vienādai.

Diferenciālā pastiprinātāji, ķēdes simulācija, ķēdes simulators, ķēdes dizains, praktiski pastiprinātāji

Attēls 2 (a) Diferenciālā režīma pastiprinātāja ekvivalentu ķēde

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 180^o ārpus fāzes. Tādējādi spriegums mainās R_EE ir nulle. Kopš ac signāla spriegums R_EE ir nulle, to var aizstāt ar īssavienojumu ac līdzvērtīga ķēde. Ņemiet vērā, ka spriegums katrā tranzistora bāzē ir vienāds ar amplitūdu, bet 180^o no fāzes ir līdzvērtīga sprieguma ievietošanai starp divām tranzistora bāzēm ar divkāršu amplitūdu. Spriegums pie v_o1 un v_o2 ir vienāda amplitūda, bet pretējā fāzē, un diferenciālā režīma pastiprinājums ir

(11)

Šis diferenciālā režīma pastiprinājums ir noteikts a viena gala izeja tā tiek ņemta starp vienu kolektoru un zemi. Ja izeja tiek veikta starp v_o1 un v_o2, diferenciālā režīma pastiprinājums tiek saukts par a divu galu izeja un to dod

(12)

Līdzīgu analīzi var izmantot 2 (b) attēlā redzamās kopējās moduļu ekvivalentās ķēdes.

Attēls 2 (b) Kopējā režīma pastiprinātāja ekvivalentu ķēde

Ja mēs sadalām rezistoru R_EE 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 2R_EE 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

(13)

Vienādojums (13) pieņemts R_EE ir liels un r_e<<R_EE.

Divu galu izejas spriegums ir kopējais režīms un diferenciālā režīma pastiprinājums šādā veidā:

(14)

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.

(15)

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

(16)

Tagad parastā režīma ievadei mēs aplūkojam 2 (b) attēlā redzamo pastiprinātāju. Tādējādi ieejas pretestība ir

(17)

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 R_EE cik vien iespējams, lai samazinātu kopējo režīmu. Vienādojums rāda, ka, lai padarītu CMRR lielu, mums tas ir jādara R_EE liels. Tā kā IC mikroshēmām ir grūti izgatavot lielas pretestības, mēs meklējam alternatīvu pieeju. Tas tiek paveikts, nomainot R_EE ar dc pašreizējais avots. Ideālajam strāvas avotam ir bezgalīga pretestība, tāpēc mēs pētām iespēju aizstāt R_EE ar šādu strāvas avotu. Attēls 9.3 ilustrē diferenciālo pastiprinātāju, kur rezistors, R_EE, tiek aizstāts ar pastāvīga strāvas avotu.

(18)

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, R_TH (konstanta strāvas avota ķēdes Thevenin ekvivalents). Līdzvērtīgu pretestību nosaka [skatīt 3 (b) attēlu]

Rakstot KCL vienādojumu mezglā 1, mums ir

(19)

kur r_o ir tranzistora iekšējā pretestība norādītajā darbības punktā. To sniedz

(20)

Diferenciālā pastiprinātāji, ķēdes simulācija, ķēdes simulators, ķēdes dizains, praktiski pastiprinātāji

Attēls 3 - Diferenciālais pastiprinātājs ar pastāvīgu strāvas avotu

KCL vienādojums mezglā 2

(21)

kur

(22)

Aizstāšana v₁ un v₂ vienādojumā mezglā 2, mums ir

(23)

Visbeidzot, Thevenin pretestība tiek dota, aizstājot (22) un (23) vienādojumu ar vienādojumu (18).

(24)

Tagad mēs izdarīsim vairākus pieņēmumus, lai ievērojami vienkāršotu šo izteiksmi. Lai saglabātu aizspriedumu stabilitāti, mēs izmantojam šo vadlīniju

(25)

Aizstājot šo vērtību R_B vienādojumā (24) un dalot ar β, mums ir

(26)

Mēs varam vienkāršot šo izteiksmi, atzīmējot

(27)

Tad mums ir

(28)

Tā kā otrais termins šajā vienādojumā ir daudz lielāks nekā pirmais, tad mēs varam ignorēt R_E lai iegūtu

(29)

Šo vienādojumu var vēl vairāk vienkāršot, ja pastāv šāds nosacījums:

(30)

Tādā gadījumā mums ir vienkāršs rezultāts

(31)

Tādējādi, ja visas aptuvenās vērtības ir derīgas, R_TH 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 v_o1.

Mēs izmantojam pastāvīgu strāvas avotu R_EE, 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

(32)

tā izeja ir

(33)

Attēls 4 - Viengabala ieeja ar fāzes maiņu

Minus zīme norāda, ka šim pastiprinātājam ir 180^o fāzes nobīde starp izeju un ievadi. Tipisks sinusoidālais ieejas un izejas attēlots 5 attēlā.

Attēls 5 - sinusoidālā ieeja un izeja

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 R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE= 15 V, V_BE= 0.7 V, V_T= 26 mV un R_EE = 25 kΩ. Ļaujiet v₂ = 0 un ņemiet izeju no v_o2.

Risinājums: Pašreizējais caurums R_EE ir atrodams mierīgā stāvoklī. Tā kā bāze Q₂ ir iezemēts, emittera spriegums ir V_BE = 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 R_EE un nosakiet diferenciālā pastiprinātāja jauno CMRR, ar r_o = 105 kΩ, V_BE = 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 0.1R_E>>r_e (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. V_BE 0.6 V visiem tranzistoriem, V_T= 26 mV un V_A= 80 V. Pieņemsim, ka visi tranzistori ir identiski.