Diferencialni ojačevalniki-TINA in TINACloud Viri

Diferencialna ojačevalnika

Večina operacijskih ojačevalnikov je sestavljena iz niza tranzistorjev, uporov in kondenzatorjev, ki tvorijo celoten sistem na enem samem čipu. Ojačevalniki, ki so danes na voljo, so zanesljivi, majhni in porabijo zelo malo energije.

Vhodna stopnja večine op-amperjev je Differential Amplifier kot je prikazano v najpreprostejši obliki na sliki 1.

Diferencialni ojačevalniki, Praktični operacijski ojačevalnik, simulacija vezja, simulator vezja, načrtovanje vezij,

Slika 1 - Diferencialni ojačevalnik

Diferencialni ojačevalnik je sestavljen iz dveh emitorsko povezanih skupnih oddajnikov dc ojačevalniki. Ima dva vhoda, v₁ in v₂in tri izhode, v_o1, v_o2 in v_ven. Tretji izhod, v_ven, je razlika med v_o1 in v_o2.

Značilnosti prenosa 1.1 dc

Diferencialni ojačevalnik ne deluje linearno z velikimi vhodi signalov. Za poenostavitev analize predpostavimo, da je RE velik, da je osnovni upor vsakega tranzistorja zanemarljiv in da je izhodna upornost vsakega tranzistorja velika. Upoštevajte, da v diferencialnem ojačevalniku uporabljamo REE kot RE v diferencialnem ojačevalniku, ker je upor, ki ga uporabljamo, velik in je lahko enakovredna odpornosti tokovnega vira. Velika vrednost REE ohranja padec napetosti oddajnega upora skoraj konstanten.
Zdaj rešujemo to vezje za izhodno napetost. Začnemo s pisanjem KVL enačbe okrog bazne spojne zanke za vezje na sliki 1.

(1)

(2)

Najti moramo izraze za kolektorske tokove, i_C1 in i_C2. Napetosti izhodnega oddajnika so podane z enačbo,

V enačbi (2) I_o1 in I_o2 so povratni tokovi nasičenja za Q₁ in Q₂ v tem zaporedju. Predpostavlja se, da so tranzistorji identični. Združuje enačbe (1) in (2) donosov

(3)

Reševanje enačbe (3) za trenutno razmerje najdemo,

(4)

Lahko domnevamo i_C1 je približno enaka i_E1 in i_C2 je približno enaka i_E2. Zato

(5)

Združujemo enačbe (4) in (5)

(6)

Upoštevajte, da

(7)

Pomembno opazovanje lahko naredimo z ogledom enačbe (6). Če v₁- v₂ postane več kot nekaj sto milivoltov, kolektorski tok v tranzistorju 2 postane majhen in tranzistor je v bistvu odrezan. Tok kolektorja v tranzistorju 1 je približno enak i_EEin ta tranzistor je nasičen. Tokovi kolektorja in s tem izhodna napetost v_ven, postanejo neodvisni od razlike med obema vhodnima napetostma.

Linearno ojačanje se zgodi samo pri razlikah vhodne napetosti, ki so manjše od približno 100 mV. Da bi povečali linearno območje vhodne napetosti, lahko dodamo majhne uparjalni upore.

Skupni način 1.2 in dobički z diferenčnim načinom

Diferencialni ojačevalnik se odziva le na razliko med obema vhodnima napetostma, v₁ in v₂. Vendar pa je v praktičnem op-ampu izhod odvisen do neke mere od vsote teh vhodov. Na primer, če sta oba vhoda enaka, mora biti izhodna napetost idealno nič, v praktičnem ojačevalniku pa ni. Primer označimo, ko vezje reagira na razliko kot diferencialni način. Če sta oba vhoda enaka, rečemo, da je vezje v njem skupni način. V idealnem primeru bi pričakovali, da bo vezje ustvarilo izhod samo v diferencialnem načinu.

Dve vhodni napetosti, v₁ in v₂lahko razdelimo v skupni in diferencialni del. Dve novi vhodni napetosti definiramo takole:

(8)

Napetost, v_di, je vhodna napetost v diferencialnem načinu in je preprosto razlika med obema vhodnima napetostma. Napetost, v_ci, je skupna vhodna napetost in je povprečje dveh vhodnih napetosti. Prvotne vhodne napetosti se lahko izrazijo v smislu teh novih količin, kot sledi:

(9)

Če nastavimo obe vhodni napetosti enako, imamo

(10)

Ker sta vhoda enaka, sta izhodni napetosti izhodnega oddajnika enaki (če so tranzistorji enaki). Tako morajo biti tudi kolektorski tokovi identični.

Diferencialna ojačevalnika, simulacija vezja, simulator vezja, načrtovanje vezij, praktične op-ampere

Slika 2 (a) Enakovredno vezje ojačevalnika diferenčnega načina

Zdaj vidimo ekvivalentno vezje za vhodno napetost diferenčnega načina, kot je prikazano na sliki 2 (a). Upoštevajte, da kot trenutni v Q₁ vezje poveča, tok v Q₂ vezje zmanjša z isto hitrostjo in amplitudo. To velja od vhoda do Q₂ je enako kot Q₁ vendar 180^o izven faze. Tako se napetost spremeni R_EE je nič. Odkar je ac napetost signala čez R_EE je nič, lahko ga zamenjate s kratkim stikom v ac enakovredno vezje. Upoštevajte, da so napetosti na vsaki bazi tranzistorja enake amplitude kot 180^o izven faze je enakovredna postavitvi napetosti med dvema tranzistorskima bazama dvakratne amplitude. Napetosti v v_o1 in v_o2 so enake amplitude, vendar so v nasprotni fazi in dobiček diferencialnega načina je

(11)

Ta dobitek diferencialnega načina je definiran pri a enostranski izhod ker se odvija med enim kolektorjem in zemljo. Če se izhod izvede med v_o1 in v_o2, dobiček diferencialnega načina imenujemo a dvojni izhod in je podan z

(12)

Podobno analizo lahko uporabimo za enakovredno vezje s skupnim načinom na sliki 2 (b).

Slika 2 (b) Sklop ekvivalentnega ojačevalnika skupnega načina

Če razdelimo upor R_EE v dva vzporedna upora, ki imata dvojni prvotni upor, lahko najdemo izhod z analiziranjem samo polovice vezja. Ker so tranzistorji enaki in so vhodne napetosti v skupnem načinu enake in v fazi, so napetosti v 2R_EE upori so enaki. Tako je tok med dvema vzporednima uporovoma, prikazanima za, enak nič in potrebujemo samo pogled na eno stran vezja. Nato dobite napetost v skupnem načinu

(13)

Enačba (13) predvideva R_EE je velika in r_e<<R_EE.

Dvojno izhodno napetost najdemo v smislu skupnega in diferenčnega načina:

(14)

Zaželeno je, da je dobiček diferencialnega načina precej večji od skupnega načina, da ojačevalnik reagira predvsem na razliko med vhodnimi napetostmi. The razmerje skupnega načina zavrnitve, CMRR, je definirano kot razmerje med dobitkom diferenčnega načina in dobitkom skupnega načina. Ponavadi je izražena v dB.

(15)

Zdaj določimo vhodni upor ojačevalnika v diferencialnem in skupnem načinu. Za diferencialni način pogledamo v ojačevalnik na dnu obeh tranzistorjev. To povzroči popolno vezje preko oddajnika obeh tranzistorjev in vhodni upor je

(16)

Zdaj za skupni način vnosa pogledamo ojačevalnik na sliki 2 (b). Tako je vhodni upor

(17)

Ti rezultati kažejo, da je vhodni upor skupnega načina precej višji kot pri diferencialnem načinu.

Naša analiza diferencialnega ojačevalnika temelji na BJT kot tranzistorskih gradnikih. FET se lahko uporablja tudi v diferencialnih ojačevalnikih, kar ima za posledico manjše vhodne tokove prednapetosti in skoraj neskončno vhodno impedanco. Analiza diferencialnega ojačevalnika z uporabo FET-jev se izvede na enak način kot pri BJT analizi.

Diferencialni ojačevalniki potrebujejo usklajene tranzistorje, da zagotovijo pravilno delovanje vezja. Če je diferencialni ojačevalnik na integriranem vezju, je ta dodatna zahteva manj problematična, saj sta oba tranzistorja izdelana hkrati z istim materialom.

1.3 diferencialni ojačevalnik s konstantnim tokom

Zaželeno je, da R_EE kolikor je mogoče, da se zmanjša izhod skupnega načina. Enačba kaže, da moramo narediti CMRR velik R_EE velik. Ker je veliko odpornosti težko izdelati na čipih IC, iščemo alternativni pristop. To se doseže z zamenjavo R_EE z dc trenutni vir. Idealni tokovni vir ima neskončno impedanco, zato preučujemo možnost zamenjave R_EE s takim virom toka. Slika 9.3 prikazuje diferencialni ojačevalnik, kjer je upor, R_EEse zamenja z virom s stalnim tokom.

(18)

Čim bližje je vir idealnemu viru konstantnega toka, tem večji je tudi skupni način zavrnitve. Prikazujemo izvor toka, ki je kompenziran z diodo. Zaradi kompenzacije je delovanje vezja manj odvisno od temperaturnih nihanj. Dioda D₁ in tranzistor Q₃ izbrani tako, da imajo skoraj enake lastnosti v območju obratovalnih temperatur.
Da bi analizirali vezje na sliki 3 (a) in našli CMRR, moramo določiti ekvivalentno upornost, R_TH (Theveninov ekvivalent tokovnega tokokroga konstantnega toka). Ekvivalentna upornost je podana z [glej sliko 3 (b)]

Pisanje enačbe KCL na vozlišču 1 imamo

(19)

Kje r_o je notranji upor tranzistorja na določeni delovni točki. Daje ga

(20)

Diferencialna ojačevalnika, simulacija vezja, simulator vezja, načrtovanje vezij, praktične op-ampere

Slika 3 - Diferencialni ojačevalnik z virom konstantnega toka

KCL enačba pri donosu 2 vozlišča

(21)

Kje

(22)

Zamenjava v₁ in v₂ v enačbo na vozlišču 2, imamo

(23)

Na koncu je odpornost na Thevenin dana z nadomestitvijo enačb (22) in (23) v enačbo (18).

(24)

Zdaj bomo naredili vrsto predpostavk, da bi ta izraz močno poenostavili. Da bi ohranili stabilnost pristranskosti, uporabimo smernico

(25)

Nadomestitev te vrednosti R_B v enačbi (24) in deljenjem s β, imamo

(26)

Ta izraz lahko poenostavimo z opombo

(27)

Potem imamo

(28)

Ker je drugi izraz v tej enačbi veliko večji od prvega, lahko zanemarimo R_E pridobiti

(29)

Ta enačba se lahko dodatno poenostavi, če obstaja naslednji pogoj:

(30)

V tem primeru imamo enostaven rezultat

(31)

Če so vsi približki veljavni, R_TH neodvisen od β in njegova vrednost je precej velika.

1.4 diferencialni ojačevalnik z enojnim vhodom in izhodom

Slika 4 prikazuje diferencialni ojačevalnik, kjer je drugi vhod, v₂, je nastavljen na nič in izhod se upošteva kot v_o1.

Namesto R_EE, kot je obravnavano v prejšnjem razdelku. To je znano kot a enojni vhodni in izhodni ojačevalnik z obračanjem faze. Ojačevalec se analizira z nastavitvijo v₂= 0 v prejšnjih enačbah. Diferencialni vhod je potem preprosto

(32)

tako je izhod

(33)

Slika 4 - vhod z enojnim zaključkom s spremembo faze

Znak minus pomeni, da ta ojačevalnik prikazuje 180^o fazni premik med izhodom in vhodom. Tipičen sinusni vhod in izhod sta prikazana na sliki 5.

Slika 5 - Sinusni vhod in izhod

Če se izhodni signal nanaša na zemljo, vendar obrat ni zaželen, se izhod lahko vzame iz tranzistorja Q₂.

Primer 1 - Diferencialni ojačevalnik (analiza)

Poiščite diferencialni napetostni dobiček, napetost skupnega načina napajanja in CMRR za tokokrog, prikazan na sliki 1. Predpostavimo R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE= 15 V, V_BE= 0.7 V, V_T= 26 mV in R_EE = 25 kΩ. Let v₂ = 0 in vzemite izhod iz v_o2.

rešitev: Tok skozi R_EE najdemo v stanju mirovanja. Od osnove Q₂ je ozemljena, napetost oddajnika je V_BE = 0.7 V in

Stalen tok v vsakem tranzistorju je polovica tega zneska.

Od leta

dobiček diferencialne napetosti v vsakem tranzistorju je

Dobitek skupne napetosti je

Razmerje zavrnitve skupnega načina je nato podano z

UPORABA

Te izračune lahko izvedete tudi s simulatorji vezja TINA ali TINACloud, pri čemer uporabite orodje za tolmačenje s klikom na spodnjo povezavo.

1- simulacija kroga diferencialnega ojačevalnika

Primer 2

Za diferencialni ojačevalnik, opisan v primeru 1, načrtujte temperaturno kompenziran izvor toka s fiksno pristranskostjo (slika 3) in zamenjajte R_EE in določitev novega CMRR za diferenčni ojačevalnik, z r_o = 105 kΩ, V_BE = 0.7 V in β = 100. Predpostavimo R₁ = R₂.

rešitev: Delovno točko tranzistorja postavimo na sredino dc tovorno črto.

Potem, ki se nanaša na trenutni vir slike 3 (a),

Za stabilnost pristranskosti,

Potem

Ker 0.1R_E>>r_e (tj. 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), potem iz enačbe (31) imamo

CMRR je podan z

UPORABA

Te izračune lahko izvedete tudi s simulatorji vezja TINA ali TINACloud, pri čemer uporabite orodje za tolmačenje s klikom na spodnjo povezavo.

2- simulacija kroga diferencialnega ojačevalnika

Primer 3

Načrtujte vezje, da dosežete pogoje, ki so določeni na sliki 6 za maksimalno nihanje izhodne moči. Pet tranzistorjev, Q₁ do Q₅, vsak ima β = 100 medtem Q₆ ima β 200. V_BE je 0.6 V za vse tranzistorje, V_T= 26 mV in V_A= 80 V. Predpostavimo, da so vsi tranzistorji enaki.