1. Përforcues Diferenciale
AKTUALI - 1. Përforcuesit diferenciale
PARA - Përforcues praktik operacional - Hyrje
Përforcues Diferenciale
Shumica e amplifikatorëve operacionalë përbëhen nga një seri transistorësh, rezistorësh dhe kondensatorësh që formojnë një sistem të plotë në një çip të vetëm. Përforcuesit që janë në dispozicion sot janë të besueshme, të vogla në madhësi dhe konsumojnë shumë pak energji.
Faza e hyrjes së shumicës së op-amps është një Dpërforcues ifferential siç tregohet në formën e saj më të thjeshtë në figurën 1.
Figura 1 - Përforcues diferencial
Përforcuesi diferencial përbëhet nga dy lëshues të zakonshëm me emitter dc amplifiers. Ka dy hyrje, v1 v2, dhe tre rezultate, vo1, vo2 vnga. Prodhimi i tretë, vnga, është dallimi në mes vo1 vo2.
Karakteristikat e transferimit të 1.1 DC
Përforcuesi diferencial nuk vepron në mënyrë lineare me hyrje të mëdha sinjali. Në mënyrë që të thjeshtësohet analiza supozojmë se RE është e madhe, se rezistenca bazë e secilit tranzistor është e papërfillshme dhe se rezistenca e daljes së çdo tranzistor është e madhe. Vini re se ne përdorim REE dhe jo RE në amplifikatorin diferencial pasi që rezistenca e përdorur këtu është e madhe dhe mund të jetë rezistenca ekuivalente e një burimi aktual. Vlera e madhe e REE mban rënien e tensionit të rezistencës emitter gati konstante.
Tani e zgjidhim këtë qark për tensionin e daljes. Fillojmë duke shkruar një ekuacion KVL rreth rrethit të kryqëzimit bazë për qarkun e figurës 1.
(1)
(2)
Duhet të gjejmë shprehje për rrymat e koleksionistëve, iC1 iC2. Tensionet emitter bazë janë dhënë nga ekuacioni,
Në ekuacion (2) Io1 Io2 janë rrymat e ngopjes së kundërt për Q1 Q2 respektivisht. Transistorët supozohet të jenë identike. Kombinimi i ekuacioneve (1) dhe (2) jep
(3)
Zgjidhja Ekuacioni (3) për raportin aktual, ne gjejmë,
(4)
Ne mund të supozojmë iC1 është afërsisht e barabartë me iE1 iC2 është afërsisht e barabartë me iE2. prandaj
(5)
Kombinimi i ekuacioneve (4) dhe (5), ne kemi
(6)
Vini re se
(7)
Një vëzhgim i rëndësishëm mund të bëhet duke shikuar Ekuacionin (6). nëse v1 - v2 bëhet më i madh se disa qindra milivolte, kolektori i tanishëm në transistorin 2 bëhet i vogël dhe transistorit është prerë në thelb. Kolektori aktual në transistorin 1 është përafërsisht i barabartë me iEE, dhe ky tranzistor është i ngopur. Rrymat e kolektorit, dhe rrjedhimisht tensionit të daljes vnga, bëhen të pavarur nga dallimi në mes të dy tensioneve të hyrjes.
Amplifikimi linear ndodh vetëm për dallimet e tensionit të hyrjes më pak se përafërsisht 100 mV. Në mënyrë që të rritet sfera lineare e tensionit të hyrjes, mund të shtohen rezistorë të vegjël emitues.
Modaliteti i zakonshëm i 1.2 dhe fitimet e modalitetit diferencial
Përforcuesi diferencial ka për qëllim të përgjigjet vetëm në dallimin midis dy tensioneve të hyrjes, v1 v2. Megjithatë, në një op-amp praktik prodhimi varet nga një shkallë nga shuma e këtyre inputeve. Për shembull, nëse të dyja inputet janë të barabarta, tensioni i daljes duhet idealisht të jetë zero, por në një përforcues praktik nuk është. Ne etiketojmë rastin kur qarku i përgjigjet ndryshimit si modaliteti diferencial. Nëse dy hyrjet bëhen të barabarta, themi se qarku është në të mënyra e zakonshme. Idealisht ne do të presim që qark të prodhojë një dalje vetëm në mënyrë diferenciale.
Çdo dy tensione hyrëse, v1 v2, mund të zgjidhet në një pjesë të përbashkët dhe një diferenciale. Ne përcaktojmë dy tensione të reja të hyrjes si më poshtë:
(8)
Tensioni, vdi, është tensioni i hyrjes në mënyrën diferenciale dhe është thjesht dallimi në mes të dy tensioneve të hyrjes. Tensioni, vci, është tensioni i hyrjes në modalitetin e përbashkët, dhe është mesatarja e dy tensioneve të hyrjes. Tensionet origjinale të inputeve mund të shprehen në terma të këtyre sasive të reja si më poshtë:
(9)
Nëse vendosim dy tensione të dhëna të barabarta, ne kemi
(10)
Meqë dy inputet janë të barabarta, tensioni i bashkimit të emetuesit-bazë është i barabartë (nëse transistorët janë identikë). Kështu, rrymat e kolektorit duhet të jenë identike.
Figura 2 (a) Qarkullim ekuivalent i përforcuesit të mënyrës diferenciale
Ne tani shohim qarkun ekuivalent për tensionin e hyrjes në mënyrën diferenciale siç tregohet në figurën 2 (a). Vini re se si e tanishme në Q1 qark rritet, e tanishme në Q2 qark ulet në të njëjtën shkallë dhe amplitudë. Kjo është e vërtetë që nga hyrja në Q2 është e barabartë me atë të Q1 por 180o jashtë fazës. Kështu ndryshimi i tensionit në të gjithë REE është zero. Që nga ac sinjalizo tensionin në të gjithë REE është zero, mund të zëvendësohet nga një qark i shkurtër në ac qark ekuivalent. Vini re se vendosja e tensioneve në secilin bazë të tranzitorit të cilat janë të barabarta në amplitudë, por 180o nga faza është e barabartë me vendosjen e një tension midis dy bazave të tranzitorit prej dyfishit të amplitudës. Tensionet në vo1 vo2 janë të një amplitude të barabartë, por faza e kundërt dhe fitimi i diferencës-mode është
(11)
Ky fitim në mënyrë diferenciale është përcaktuar në një prodhim i vetëm pasi ajo është marrë në mes të një kolektori dhe toka. Nëse prodhimi është marrë mes vo1 vo2, fitimi në mënyrë diferenciale është quajtur a prodhimi i dyfishtë dhe është dhënë nga
(12)
Një analizë e ngjashme mund të zbatohet në qarkun ekuivalent të mënyrës së përbashkët në figurën 2 (b).
Figura 2 (b) Qarku ekuivalent i përforcuesit të mënyrës së zakonshme
Nëse e ndajmë rezistencën REE në dy rezistente paralele secila që ka dyfishin e rezistencës origjinale, mund të gjejmë prodhimin duke analizuar vetëm gjysmën e qarkut. Meqenëse tranzistorët janë identikë dhe tensioni i hyrjes në mënyrën e zakonshme është e barabartë dhe në fazë, tensionet përgjatë 2REE resistors janë të njëjta. Kështu, rryma midis dy rezistencave paralele të treguar për të është zero dhe ne duhet të shikojmë vetëm në njërën anë të qarkut. Fitimi i tensionit në mënyrë të përbashkët është atëherë
(13)
Ekuacioni (13) supozon REE është e madhe dhe re<<REE.
Ne gjejmë tensionin e dyfishtë të prodhimit në drejtim të mënyrës së zakonshme dhe diferencës në mënyrën e fitimit si më poshtë:
(14)
Është e dëshirueshme që fitimi i diferencimit të modës të jetë shumë më i madh se fitimi i zakonshëm i modit në mënyrë që amplifikatori të reagojë kryesisht në dallimin në mes të tensioneve të hyrjes. Raporti i refuzimit në mënyrë të përbashkët, CMRR, është definuar si raporti i fitimit të diferencimit në mënyrë të zakonshme në fitimin e modalitetit të përbashkët. Zakonisht shprehet në dB.
(15)
Ne tani e përcaktojmë rezistencën e hyrjes së amplifikatorit në mënyrën diferenciale dhe në mënyrën e zakonshme. Për mënyrën diferenciale, ne shikojmë në përforcues në bazën e të dy tranzistorëve. Kjo rezulton në një qark të plotë nëpërmjet emitterit të të dy tranzistorëve, dhe rezistenca e hyrjes është
(16)
Tani për hyrjen në modalitetin e përbashkët, ne shikojmë në amplifikatorin në figurën 2 (b). Kështu, rezistenca e hyrjes është
(17)
Këto rezultate tregojnë se rezistenca e hyrjes së mënyrës së përbashkët është shumë më e lartë se ajo e mënyrës diferenciale.
Analiza e amplifikatorit tonë diferencial bazohet në BJT-të si blloqe ndërtimi të tranzitorit. FET-ët mund të përdoren gjithashtu në amplifikatorët diferencialë me avantazhet që rezultojnë nga rryma e reduktuar e prurjeve të hyrjes dhe impedanca e përafërt e pafundme. Analiza e amplifikatorit diferencial duke përdorur FETs realizohet në të njëjtën mënyrë si ajo e analizës BJT.
Përforcuesit e diferencuar kanë nevojë për transistorë të përshtatur për të siguruar që qarku të funksionojë si duhet. Nëse amplifikatori diferencial është në një qark të integruar, kjo kërkesë shtesë është më pak problem pasi që të dy transistorët janë të fabrikuara në të njëjtën kohë duke përdorur të njëjtin material.
Përforcues diferencial 1.3 me burim aktual të vazhdueshëm
Është e dëshirueshme për të bërë REE aq sa të jetë e mundur në mënyrë që të zvogëlohet prodhimi i zakonshëm i modalitetit. Ekuacioni tregon se për të bërë CMRR të madhe ne duhet të bëjmë REE të mëdha. Meqë rezistencat e mëdha janë të vështira për tu shpikur në patate të skuqura IC, ne kërkojmë një qasje alternative. Kjo arrihet duke zëvendësuar REE me një dc burim aktual. Një burim ideal aktual ka rezistencë të papenguar pa fund, kështu që hetojmë mundësinë e zëvendësimit REE me një burim të tillë aktual. Figura 9.3 ilustron një përforcues diferencial ku rezistenca, REE, zëvendësohet me një burim të vazhdueshëm aktual.
(18)
Sa më afër burimi është burimi ideal i vazhdueshëm i rrymës, aq më i lartë është raporti i refuzimit të zakonshëm të modalitetit. Ne ilustrojmë një burim të tanishëm fatal-paragjykues të kompensuar me diodë. Kompensimi e bën funksionimin e qark më pak të varur nga variacionet e temperaturës. diodë D1 dhe tranzitor Q3 janë zgjedhur në mënyrë që ata të kenë karakteristika pothuajse identike në vargun e temperaturës së punës.
Për të analizuar qarkun e Figura 3 (a) dhe për të gjetur CMRR, ne duhet të përcaktojmë rezistencën ekuivalente, RTH (ekuivalenti Thevenin i qarkut të vazhdueshëm të burimit aktual). Rezistenca ekuivalente jepet nga [shih Figurën 3 (b)]
Duke shkruar një ekuacion KCL në nyjen 1, ne kemi
(19)
ku ro është rezistenca e brendshme e tranzistorit në pikën e specifikuar të operimit. Ajo është dhënë nga
(20)
Figura 3 - Përforcues diferencial me burim aktual të rrymës
Një ekuacion KCL në nyjen 2 jep
(21)
ku
(22)
zëvendësuar v1 v2 në ekuacionin në nyjen 2, ne kemi
(23)
Më në fund, rezistenca Thevenin jepet duke zëvendësuar ekuacionet (22) dhe (23) në ekuacionin (18).
(24)
Tani do të bëjmë një seri supozimesh për ta lehtësuar shumë këtë shprehje. Për të ruajtur stabilitetin e paragjykimeve, ne përdorim udhëzimin që
(25)
Zëvendësimi i kësaj vlere RB në ekuacion (24) dhe ndarja me β, ne kemi
(26)
Mund ta thjeshtojmë këtë shprehje duke vënë në dukje
(27)
Ne pastaj kemi
(28)
Që nga termi i dytë në këtë ekuacion është shumë më i madh se i pari, kështu që ne mund të injorojmë RE për të marrë
(29)
Ky ekuacion mund të thjeshtohet më tej nëse ekziston gjendja e mëposhtme:
(30)
Në këtë rast, kemi rezultatin e thjeshtë
(31)
Prandaj, nëse të gjitha përafrimet janë të vlefshme, RTH është i pavarur β dhe vlera e saj është mjaft e madhe.
Përforcues diferencial 1.4 me hyrje dhe dalje të vetme
Figura 4 tregon një përforcues diferencial ku hyrja e dytë, v2, është vendosur e barabartë me zero dhe rezultati është marrë si vo1.
Ne përdorim një burim të vazhdueshëm aktual në vend të REE, siç është diskutuar në seksionin e mëparshëm. Kjo njihet si a përforcues me hyrje dhe dalje të vetme me kthim fazor. Përforcuesi analizohet duke vendosur v2 = 0 në ekuacionet e mëparshme. Hyrja diferenciale është atëherë thjesht
(32)
kështu që prodhimi është
(33)
Figura 4 - Një hyrje me një kthesë fazore
Shenja minus tregon se ky amplifikator shfaq një 180o ndërrimi i fazës midis prodhimit dhe hyrjes. Një tipik input dhe dalje sinusoidale ilustrohet në figurën 5.
Figura 5 - Hyrja sinusale dhe dalja
Nëse një sinjal output duhet të referohet në tokë, por një ndryshim i fazës nuk është i dëshiruar, rezultati mund të merret nga transistor Q2.
Shembull 1 - Përforcues diferencial (Analizë)
Gjeni fitimin diferencial të tensionit, fitimin e tensionit në mënyrë të përbashkët dhe CMRR për qarkun e treguar në figurën 1. Supozojmë se Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT = 26 mV, dhe REE = 25 kΩ. le të v2 = 0 dhe nxirrni output nga vo2.
Zgjidhja: E tanishme përmes REE gjendet në gjendje të qetë. Që nga baza e Q2 është i bazuar, tension i emituesit është VBE = 0.7 V, dhe
Rryma e mbetur në secilin tranzistor është gjysma e kësaj shume.
Që prej
fitimi diferencial i tensionit në çdo tranzistor është
Fitimi i tensionit në mënyrë të përbashkët është
Raporti i refuzimit të zakonshëm të modalitetit më pas jepet nga
APLIKIMI
Gjithashtu, mund të kryeni këto llogaritjet me simulatorë të qarkut TINA ose TINACloud, duke përdorur mjetin e tyre të Interpretuesit duke klikuar lidhjen më poshtë.
1- Simulimi i diferencuar i qarkut të amplifikatorit
Shembull 2
Për amplifikatorin diferencial të përshkruar në Shembullin 1, dizajnoni një burim të tanishëm fatal-parazit të kompensuar me temperaturë (Figura 3) për të zëvendësuar REE dhe të përcaktojë CMRR e re për amplifikatorin diferencial, me ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V, dhe β = 100. supozoj R1 = R2.
Zgjidhja: Ne e vendosim pikën operativ të tranzitorit në mes të dc linjë ngarkimi.
Pastaj, duke iu referuar burimit aktual të figurës 3 (a),
Për stabilitetin e paragjykimeve,
Pastaj
Që 0.1RE>>re (dmth. 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), atëherë nga ekuacioni (31) kemi
CMRR është dhënë nga
APLIKIMI
Gjithashtu, mund të kryeni këto llogaritjet me simulatorë të qarkut TINA ose TINACloud, duke përdorur mjetin e tyre të Interpretuesit duke klikuar lidhjen më poshtë.
2- Simulimi i diferencuar i qarkut të amplifikatorit
Shembull 3
Hartimi i një qark për të arritur kushtet e përcaktuara në figurën 6 për maksimumin e ritmit të tensionit të daljes. Të pesë transistorët, Q1 në Q5, secili ka β = 100 ndërsa Q6 ka një β e 200. VBE është 0.6 V për të gjithë transistorët, VT = 26 mV, dhe VA = 80 V. Supozoni që të gjithë transistorët janë identikë.
të përcaktuar,
(A) RC, R1, dhe CMRR.
(b) Tensioni i daljes në mënyrën e zakonshme.
(c) Tensioni i daljes në mënyrën diferenciale.
(d) Mënyra diferenciale të dhëna tension vdi për prodhimin maksimal.
Figura 6 - Përforcues diferencial për shembull 3
Zgjidhja: Ne do ta trajtojmë qarkun në tre seksione:
- 1. Përforcues Darlington.
- 2. Përforcues diferencial
- 3. Burim i thjeshtë aktual
Tani për sistemin e përgjithshëm, ne kemi
Hyrja diferenciale vdi e nevojshme për të prodhuar maksimumin e tensionit të tensionit të prodhimit të paarritshëm është
APLIKIMI
Gjithashtu, mund të kryeni këto llogaritjet me simulatorë të qarkut TINA ose TINACloud, duke përdorur mjetin e tyre të Interpretuesit duke klikuar lidhjen më poshtë.
3- Simulimi i diferencuar i qarkut të amplifikatorit