1. Amplificatoare diferențiale
CURENT - 1. Amplificatoare diferențiale
PREVIOUS - Amplificatoare operaționale practice - Introducere
Amplificatoare diferențiale
Majoritatea amplificatoarelor operaționale sunt compuse dintr-o serie de tranzistoare, rezistoare și condensatoare care formează un sistem complet pe un singur cip. Amplificatoarele disponibile astăzi sunt de încredere, de dimensiuni mici și consumă foarte puțină energie.
Etapa de intrare a celor mai multe op-amperi este Damplificator amplificator după cum se arată în forma sa cea mai simplă din Figura 1.
Figura 1 - amplificator diferențial
Amplificatorul diferențial este compus din doi emițători comun emițător-emițător dc amplificatoare. Are două intrări, v1 și v2, și trei ieșiri, vo1, vo2 și vafară. A treia ieșire, vafară, este diferența dintre vo1 și vo2.
1.1 dc Caracteristici de transfer
Amplificatorul diferențial nu funcționează liniar cu intrări mari de semnal. Pentru a simplifica analiza presupunem că RE este mare, că rezistența de bază a fiecărui tranzistor este neglijabilă și că rezistența de ieșire a fiecărui tranzistor este mare. Rețineți că folosim REE mai degrabă decât RE în amplificatorul diferențial deoarece rezistorul folosit aici este mare și poate fi rezistența echivalentă a unei surse de curent. Valoarea mare a REE menține căderea de tensiune a rezistenței emițătorului aproape constantă.
Rezolvăm acum acest circuit pentru tensiunea de ieșire. Începem prin a scrie o ecuație KVL în jurul buclei de joncțiune de bază pentru circuitul din Figura 1.
(1)
(2)
Trebuie să găsim expresii pentru curenții colectori, iC1 și iC2. Tensiunile de bază-emițător sunt date de ecuație,
În ecuația (2) Io1 și Io2 sunt curenții de saturație reversibili pentru Q1 și Q2 respectiv. Se presupune că tranzistorii sunt identici. Combinând ecuațiile (1) și (2)
(3)
Rezolvarea ecuației (3) pentru raportul curent, constatăm,
(4)
Putem presupune iC1 este aproximativ egal cu iE1 și iC2 este aproximativ egal cu iE2. Prin urmare
(5)
Combinând ecuațiile (4) și (5), avem
(6)
Rețineți că
(7)
O observație importantă poate fi făcută prin vizualizarea Ecuației (6). Dacă v1 - v2 devine mai mare decât câteva sute de milivolți, curentul de colector în tranzistor 2 devine mic și tranzistorul este, în esență, tăiat. Curentul colectorului în tranzistor 1 este aproximativ egal cu iEE, iar acest tranzistor este saturat. Curenții colectorului și, prin urmare, tensiunea de ieșire vafară, devin independente de diferența dintre cele două tensiuni de intrare.
Amplificarea liniară are loc doar pentru diferențele de tensiune de intrare mai mici decât aproximativ 100 mV. Pentru a mări intervalul liniar al tensiunii de intrare, pot fi adăugate rezistențe emițătoare mici.
Modificări 1.2 în mod obișnuit și diferențial
Amplificatorul diferențial este destinat să răspundă numai la diferența dintre cele două tensiuni de intrare, v1 și v2. Cu toate acestea, într-un op-amp practice, ieșirea depinde într-o oarecare măsură de suma acestor intrări. De exemplu, dacă ambele intrări sunt egale, tensiunea de ieșire ar trebui să fie în mod ideal zero, dar într-un amplificator practic nu este. Etichetăm cazul atunci când circuitul răspunde la diferența ca fiind mod diferențial. Dacă cele două intrări sunt făcute egale, spunem că circuitul este în el mod comun. În mod ideal ne-am aștepta ca circuitul să producă o ieșire numai în modul diferențial.
Orice două tensiuni de intrare, v1 și v2, pot fi rezolvate într-o parte comună și diferențială. Definim două noi tensiuni de intrare după cum urmează:
(8)
Tensiunea, vdi, este tensiunea de intrare diferențială și este pur și simplu diferența dintre cele două tensiuni de intrare. Tensiunea, vci, este tensiunea de intrare comună și este media celor două tensiuni de intrare. Tensiunile inițiale de intrare pot fi exprimate în funcție de aceste cantități noi, după cum urmează:
(9)
Dacă setăm cele două tensiuni de intrare egale, avem
(10)
Deoarece cele două intrări sunt egale, tensiunile joncțiunii emițător-bază sunt egale (în cazul în care tranzistoarele sunt identice). Astfel, curenții colectori trebuie să fie, de asemenea, identici.
Figura 2 (a) Circuit echivalent amplificator diferențial
Acum vedem circuitul echivalent pentru tensiunea de intrare diferențială așa cum se arată în Figura 2 (a). Rețineți că, ca curent în Q1 circuit crește, curent în Q2 circuitul scade la aceeași rată și amplitudine. Acest lucru este valabil de la intrarea la Q2 este egal cu cel al lui Q1 dar 180o din fază. Astfel, schimbarea de tensiune în întreaga REE este zero. Din moment ce ac semnal de tensiune în întreaga REE este zero, poate fi înlocuit de un scurtcircuit în ac circuit echivalent. Rețineți că plasarea tensiunilor la fiecare bază tranzistor care sunt egale în amplitudine, dar 180o ieșirea din fază este echivalentă cu plasarea unei tensiuni între cele două baze tranzistorice de două ori mai mare decât amplitudinea. Tensiunile la vo1 și vo2 sunt de amplitudine egală dar fază opusă și amplificarea modului diferențial este
(11)
Acest câștig în mod diferențial este definit la a ieșire cu un singur capăt deoarece este luat între un colector și sol. Dacă ieșirea se face între vo1 și vo2, amplificarea modului diferențial este denumită a ieșire dublă și este dat de
(12)
O analiză similară poate fi aplicată circuitului echivalent cu mod comun în Figura 2 (b).
Figura 2 (b) Circuit echivalent amplificator comun
Dacă împărțim rezistorul REE în două rezistoare paralele, fiecare având dublu rezistența originală, putem găsi ieșirea analizând doar jumătate din circuit. Deoarece tranzistorii sunt identici și tensiunile de intrare în mod comun sunt egale și în fază, tensiunile de pe 2REE rezistoarele sunt aceleași. Astfel, curentul dintre cele două rezistoare paralele arătat este zero și avem nevoie doar de o privire la o parte a circuitului. Câștigul de tensiune în modul comun este atunci
(13)
Ecuația (13) presupune REE este mare și re<<REE.
Căutăm tensiunea de ieșire cu dublu capăt în ceea ce privește câștigul de mod comun și diferențial, după cum urmează:
(14)
Este de dorit ca câștigul de mod diferențial să fie mult mai mare decât câștigul de mod comun, astfel încât amplificatorul să reacționeze în primul rând la diferența dintre tensiunile de intrare. rata comună de respingere, CMRR, este definit ca raportul dintre câștigul de mod diferențial și câștigul în modul comun. Acesta este de obicei exprimat în dB.
(15)
Acum determinăm rezistența de intrare a amplificatorului atât în modul diferențial, cât și în modul comun. Pentru modul diferențial, analizăm amplificatorul de la baza celor două tranzistoare. Aceasta are ca rezultat un circuit complet prin emițătorul ambelor tranzistoare, iar rezistența de intrare este
(16)
Acum, pentru intrarea în modul comun, analizăm amplificatorul din Figura 2 (b). Astfel, rezistența de intrare este
(17)
Aceste rezultate indică faptul că rezistența de intrare a modului comun este mult mai mare decât cea a modului diferențial.
Analiza noastră amplificator diferențială se bazează pe BJT-uri ca blocuri de construcție tranzistor. FET-urile pot fi de asemenea utilizate în amplificatoare diferențiale, cu avantajele rezultate de reducerea curentului de intrare și a impedanței infinite aproape infinite. Analiza amplificatorului diferențial utilizând FET este realizată în același mod ca și analiza BJT.
Amplificatoarele diferențiale necesită tranzistori potriviți pentru a asigura funcționarea corectă a circuitului. Dacă amplificatorul diferențial se află pe un circuit integrat, această cerință suplimentară este mai puțin probabilă, deoarece cele două tranzistoare sunt fabricate în același timp folosind același material.
Amplificator diferențial 1.3 cu sursă constantă de curent
Este de dorit să se facă REE cât mai mare posibil pentru a reduce ieșirea în modul comun. Ecuația arată că pentru a face CMRR mare trebuie să facem REE mare. Deoarece rezistențele mari sunt greu de fabricat pe chips-uri IC, căutăm o abordare alternativă. Acest lucru se realizează prin înlocuire REE cu dc sursa actuala. O sursă de curent ideală are o impedanță infinită, așa că investigăm posibilitatea înlocuirii REE cu o astfel de sursă de curent. Figura 9.3 ilustrează un amplificator diferențial în care rezistorul, REE, este înlocuit cu o sursă de curent constant.
(18)
Cu cât sursa este mai apropiată de sursa ideală de curent constant, cu atât este mai mare raportul de respingere în modul comun. Noi ilustrăm o sursă de curent cu părtinire compensată cu diodă. Compensarea face ca funcționarea circuitului să fie mai puțin dependentă de variațiile de temperatură. dioda D1 și tranzistor Q3 sunt selectate astfel încât să aibă caracteristici aproape identice în intervalul temperaturilor de funcționare.
Pentru a analiza circuitul din Figura 3 (a) și pentru a găsi CMRR, trebuie să determinăm rezistența echivalentă, RTH (echivalentul Thevenin al circuitului sursei de curent constant). Rezistența echivalentă este dată de [a se vedea figura 3 (b)]
Scriind o ecuație KCL la nodul 1, avem
(19)
Unde ro este rezistența internă a tranzistorului la punctul de operare specificat. Este dat de
(20)
Figura 3 - Amplificator diferențial cu sursă de curent constant
O ecuație KCL la nod 2 randamente
(21)
Unde
(22)
Înlocuind v1 și v2 în ecuația de la nod 2, avem
(23)
În cele din urmă, rezistența Thevenin este dată prin înlocuirea ecuațiilor (22) și (23) în ecuația (18).
(24)
Vom face acum o serie de ipoteze pentru a simplifica foarte mult această expresie. Pentru a menține stabilitatea părtinitoare, folosim orientarea
(25)
Înlocuind această valoare din RB în Ecuație (24) și împărțit prin β, noi avem
(26)
Putem simplifica această expresie observând
(27)
Atunci avem
(28)
Deoarece al doilea termen din această ecuație este mult mai mare decât primul, putem ignora RE pentru a obține
(29)
Această ecuație poate fi simplificată în continuare dacă există următoarea condiție:
(30)
În acest caz, avem rezultatul simplu
(31)
Prin urmare, dacă toate aproximările sunt valide, RTH este independent de β și valoarea sa este destul de mare.
Amplificator diferențial 1.4 cu intrare și ieșire unică
Figura 4 prezintă un amplificator diferențial unde a doua intrare, v2, este setat la zero și rezultatul este luat ca vo1.
Folosim o sursă constantă de curent în locul REE, după cum sa discutat în secțiunea anterioară. Aceasta este cunoscută sub numele de a amplificator de intrare și ieșire cu un singur capăt cu inversare de fază. Amplificatorul este analizat prin setare v2 = 0 în ecuațiile anterioare. Diferența de intrare este apoi simplă
(32)
astfel încât ieșirea este
(33)
Figura 4 - Intrare cu un singur capăt cu inversare de fază
Semnul minus indică faptul că acest amplificator prezintă un 180o transferul de fază între ieșire și intrare. O intrare și o ieșire sinusoidală tipică sunt ilustrate în figura 5.
Figura 5 - Intrare și ieșire sinusoidală
Dacă un semnal de ieșire trebuie să fie referit la masă, dar nu este dorită o inversare de fază, ieșirea poate fi preluată din tranzistor Q2.
Exemplul 1 - Amplificator diferențial (analiză)
Găsiți câștigul de tensiune diferențială, câștigul de tensiune în modul comun și CMRR pentru circuitul prezentat în Figura 1. Asuma ca Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT = 26 mV și REE = 25 kΩ. Lăsa v2 = 0 și ieșiți din ieșire vo2.
Soluţie: Curentul prin REE se găsește în starea de repaus. De la baza de Q2 este legat la pământ, tensiunea emițătorului este VBE = 0.7 V, și
Curentul inactiv al fiecărui tranzistor este de o jumătate din această valoare.
Întrucât
câștig diferențial de tensiune în fiecare tranzistor este
Câștigul de tensiune în modul comun este
Raportul de respingere în modul comun este dat de
APLICARE
De asemenea, puteți efectua aceste calcule cu simulatoarele de circuite TINA sau TINACloud, utilizând instrumentul interpretului, făcând clic pe link-ul de mai jos.
1 - simulare circuit amplificator diferențial
Exemplu 2
Pentru amplificatorul diferențial descris în exemplul 1, proiectați o sursă de curent cu părtinire compensată la temperatură (Figura 3) pentru a înlocui REE și de a determina noul CMRR pentru amplificatorul diferențial, cu ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V, și β = 100. presupune R1 = R2.
Soluţie: Am plasat punctul de operare al tranzistorului în mijlocul dc linie de încărcare.
Apoi, referindu-se la sursa curenta din Figura 3 (a),
Pentru stabilitatea părtinitoare,
"Atunci
Din moment ce 0.1RE>>re (adică 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), apoi din ecuația (31) avem
CMRR este dat de
APLICARE
De asemenea, puteți efectua aceste calcule cu simulatoarele de circuite TINA sau TINACloud, utilizând instrumentul interpretului, făcând clic pe link-ul de mai jos.
2 - simulare circuit amplificator diferențial
Exemplu 3
Proiectați un circuit pentru a atinge condițiile specificate în Figura 6 pentru turația maximă a tensiunii de ieșire. Cele cinci tranzistoare, Q1 la Q5, fiecare are β = 100 în timp ce Q6 are o β din 200. VBE este 0.6 V pentru toate tranzistoarele, VT = 26 mV și VA = 80 V. Să presupunem că toate tranzistoarele sunt identice.
A determina,
(A) RC, R1, și CMRR.
(b) Tensiune de ieșire în mod obișnuit.
(c) Tensiune de ieșire diferențială.
(d) Mod diferențial intrare Voltaj vdi pentru rezultate maxime.
Figura 6 - Amplificator diferențial pentru Exemplul 3
Soluţie: Vom trata circuitul în trei secțiuni:
- 1. Amplificator Darlington.
- 2. Amplificator diferențial
- 3. Simplu sursă de curent
Acum, pentru sistemul total, avem
Intrarea diferențială vdi necesar pentru a produce turația de ieșire maximă nedistorsionată este
APLICARE
De asemenea, puteți efectua aceste calcule cu simulatoarele de circuite TINA sau TINACloud, utilizând instrumentul interpretului, făcând clic pe link-ul de mai jos.
3 - simulare circuit amplificator diferențial