Диференцијална појачала-ТИНА и ТИНАЦлоуд ресурси

Дифферентиал Амплифиерс

Већина оперативних појачала састоји се од низа транзистора, отпорника и кондензатора који формирају комплетан систем на једном чипу. Појачала која су данас доступна су поуздана, мале величине и троше врло мало енергије.

Улазни ниво већине оп-ампера је Дифферентиал Амплифиер као што је приказано у најједноставнијем облику на слици КСНУМКС.

Диференцијална појачала, Практично оперативно појачало, симулација кола, симулатор струјног кола, дизајн кола,

Слика КСНУМКС - Диференцијално појачало

Диференцијално појачало се састоји од два емитер-спрегнута заједничка емитера dc појачала. Има два улаза, v₁ v₂, и три излаза, v_o1, v_o2 v_напоље. Трећи излаз, v_напоље, је разлика између v_o1 v_o2.

КСНУМКС дц трансфер карактеристике

Диференцијално појачало не ради линеарно са великим сигналним улазима. Да бисмо поједноставили анализу, претпостављамо да је РЕ велики, да је основни отпор сваког транзистора занемарљив и да је излазни отпор сваког транзистора велики. Имајте на уму да користимо РЕЕ радије него РЕ у диференцијалном појачалу јер је отпорник који се користи овде велики и може бити еквивалентан отпор струјног извора. Велика вриједност РЕЕ одржава пад напона емитера отпорника готово константним.
Сада решавамо овај круг за излазни напон. Почињемо тако што ћемо написати КВЛ једначину око петље основне везе за коло са слике КСНУМКС.

(1)

(2)

Морамо пронаћи изразе за струје колектора, i_C1 i_C2. Напони базног емитера дати су једначином,

У једначини (КСНУМКС) I_o1 I_o2 су обрнуте струје за засићење Q₁ Q₂ редом. Претпоставља се да су транзистори идентични. Комбиновање једнаџби (КСНУМКС) и (КСНУМКС) приноса

(3)

Решавање једначине (КСНУМКС) за тренутни однос, налазимо,

(4)

Можемо претпоставити i_C1 је приближно једнако i_E1 i_C2 је приближно једнако i_E2. Зато

(5)

Комбиновање једначина (КСНУМКС) и (КСНУМКС), имамо

(6)

Имајте на уму да

(7)

Важна опсервација може се направити посматрањем једначине (КСНУМКС). Ако v₁- v₂ постаје већи од неколико стотина миливолта, струја колектора у транзистору КСНУМКС постаје мала и транзистор је у суштини одрезан. Струја колектора у транзистору КСНУМКС је приближно једнака i_EE, а овај транзистор је засићен. Струје колектора, а тиме и излазни напон v_напоље, постају независни од разлике између два улазна напона.

Линеарно појачање се јавља само за разлике улазног напона мање од приближно КСНУМКС мВ. Да би се повећао линеарни опсег улазног напона, могу се додати мали емитерски отпорници.

Добици КСНУМКС Цоммон-Моде и Дифферентиал-Моде

Диференцијално појачало је намењено да одговори само на разлику између два улазна напона, v₁ v₂. Међутим, у практичном оп-ампу, излаз зависи у одређеној мери од суме ових улаза. На примјер, ако су оба улаза једнака, излазни напон би у идеалном случају требао бити нула, али у практичном појачалу није. Ми означавамо случај када склоп одговара на разлику као диференцијални мод. Ако су два улаза једнака, кажемо да је круг у свом цоммон моде. Идеално би било очекивати да кола производе излаз само у диференцијалном моду.

Било која два улазна напона, v₁ v₂, може се решити у заједнички и диференцијални део. Дефинишемо два нова улазна напона на следећи начин:

(8)

Напон, v_di, је улазни напон диференцијалног мода и то је једноставно разлика између два улазна напона. Напон, v_ciје заједнички улазни напон, а то је просјек два улазна напона. Оригинални улазни напони могу се изразити у смислу ових нових количина као што следи:

(9)

Ако поставимо два улазна напона једнака, имамо

(10)

Пошто су ова два улаза једнака, напон споја емитер-база је једнак (ако су транзистори идентични). Према томе, струје колектора морају бити идентичне.

Диференцијална појачала, симулација струјних кола, симулатор струјног кола, дизајн кола, практичне оп-ампере

Слика КСНУМКС (а) Круг еквивалентног појачала са диференцијалним режимом

Сада гледамо еквивалентни круг за улазни напон диференцијалног мода као што је приказано на слици КСНУМКС (а). Имајте на уму да је као струја у Q₁ струја се повећава, струја у Q₂ Круг се смањује истом брзином и амплитудом. Ово је тачно од уноса до Q₂ једнака је оној Q₁ али КСНУМКС^o ван фазе. Тако се промени напон R_EE ис зеро. Синце тхе ac сигнални напон преко R_EE је нула, може се заменити кратким спојем у ac еквивалентно коло. Имајте на уму да је постављање напона на сваку базу транзистора које су једнаке амплитуде, али КСНУМКС^o ван фазе је еквивалентно стављању напона између две базе транзистора двоструке амплитуде. Напони на v_o1 v_o2 су једнаке амплитуде али супротне фазе и добитак диференцијалног мода је

(11)

Овај добитак диференцијалног мода је дефинисан на а излаз са једним крајем јер се узима између једног колектора и земље. Ако је излаз између v_o1 v_o2, добитак диференцијалног мода се назива а двоструки излаз и даје се

(12)

Слична анализа може се применити на заједничком режиму еквивалента на слици КСНУМКС (б).

Слика КСНУМКС (б) Склоп еквивалентног појачала заједничког мода

Ако поделимо отпорник R_EE у два паралелна отпорника од којих сваки има двоструки оригинални отпор, можемо наћи излаз анализирајући само пола круга. Пошто су транзистори идентични, а улазни напони у заједничком режиму једнаки и у фази, напони преко КСНУМКС-аR_EE отпорници су исти. Дакле, струја између два паралелна отпорника приказана за је нула и требамо само погледати на једну страну круга. У том случају долази до појачања напона

(13)

Екуатион (КСНУМКС) претпоставља R_EE је велика и r_e<<R_EE.

Ми налазимо двоструки излазни напон у смислу цоммон-моде и гаин диференцијала:

(14)

Пожељно је да добитак диференцијалног мода буде много већи од појачања у заједничком режиму тако да појачало реагује првенствено на разлику између улазних напона. Тхе омјер одбацивања у заједничком моду, ЦМРР, дефинише се као однос добитка диференцијалног мода и појачања у заједничком режиму. Обично се изражава у дБ.

(15)

Сада утврђујемо улазни отпор појачала како у диференцијалном тако иу заједничком режиму. За диференцијални мод, гледамо у појачало на бази оба транзистора. Ово доводи до потпуног кола кроз емитер оба транзистора, а улазни отпор је

(16)

Сада за цоммон-моде улаз, гледамо у појачало на слици КСНУМКС (б). Дакле, улазни отпор је

(17)

Ови резултати указују на то да је улазни отпор заједничког режима много већи од оног у диференцијалном режиму.

Наша анализа диференцијалних појачала је базирана на БЈТ-овима као транзисторским блоковима. ФЕТ-ови се такође могу користити у диференцијалним појачалима са резултирајућим предностима смањене улазне струје преднапона и скоро бесконачне улазне импедансе. Анализа диференцијалног појачавача помоћу ФЕТ-ова се врши на исти начин као и код БЈТ анализе.

Диференцијална појачала требају одговарајуће транзисторе да би се осигурало да круг функционише исправно. Ако је диференцијално појачало на интегрираном кругу, овај додатни захтјев је мањи проблем јер су два транзистора произведена у исто вријеме користећи исти материјал.

КСНУМКС диференцијално појачало са константним извором струје

Пожељно је направити R_EE што је више могуће како би се смањио излаз у заједничком моду. Једнаџба показује да морамо направити ЦМРР R_EE велики. С обзиром на то да је велике отпорности тешко произвести на ИЦ чиповима, тражимо алтернативни приступ. Ово се постиже заменом R_EE са dc тренутни извор. Идеалан извор струје има бесконачну импеданцију, тако да истражујемо могућност замене R_EE са таквим извором струје. Слика КСНУМКС илуструје диференцијално појачало где је отпорник, R_EE, замењен је извором константне струје.

(18)

Што је извор ближи идеалном извору константне струје, то је већи омјер одбацивања у заједничком моду. Ми илуструјемо извор струје са фиксном биас компензацијом. Компензација чини рад кола мање зависним од температурних варијација. Диоде D₁ и транзистор Q₃ су изабрани тако да имају готово идентичне карактеристике у распону радних температура.
Да бисмо анализирали коло на слици КСНУМКС (а) и пронашли ЦМРР, морамо одредити еквивалентну отпорност, R_TH (Тхевенин еквивалент струјног круга извора константне струје). Еквивалентна отпорност је дата као [види слику КСНУМКС (б)]

Пишући КЦЛ једнаџбу на чвору КСНУМКС, имамо

(19)

где r_o је унутрашњи отпор транзистора на наведеној радној тачки. Даје се

(20)

Диференцијална појачала, симулација струјних кола, симулатор струјног кола, дизајн кола, практичне оп-ампере

Слика КСНУМКС - Диференцијално појачало са извором константне струје

КЦЛ једначина на чвору КСНУМКС приноса

(21)

где

(22)

Субститутинг v₁ v₂ у једначину на чвору КСНУМКС, имамо

(23)

Коначно, Тхевенин отпор се даје заменом једначина (22) и (23) у једначину (18).

(24)

Сада ћемо направити низ претпоставки које ће увелико поједноставити овај израз. Да би се одржала стабилност, користимо смернице

(25)

Замена ове вредности R_B у једначини (КСНУМКС) и дељењем по β, имамо

(26)

Можемо поједноставити овај израз тако што ћемо приметити

(27)

Онда имамо

(28)

Пошто је други појам у овој једначини много већи од првог, можемо игнорисати R_E за добијање

(29)

Ова једначина се може додатно поједноставити ако постоји следећи услов:

(30)

У том случају имамо једноставан резултат

(31)

Дакле, ако су све апроксимације валидне, R_TH је независан од β и његова вредност је прилично велика.

Диференцијално појачало КСНУМКС са улазом и излазом са једним крајем

Слика КСНУМКС приказује диференцијално појачало где је други улаз, v₂, је постављен једнак нули и излаз се узима као v_o1.

Ми користимо извор константне струје уместо R_EE, као што је објашњено у претходном одељку. Ово је познато као а једносмерно улазно и излазно појачало са обртањем фазе. Појачало се анализира подешавањем v₂= КСНУМКС у ранијим једначинама. Диференцијални улаз је тада једноставно

(32)

тако да је излаз

(33)

Слика КСНУМКС - Унутрашњи улаз са обртањем фазе

Знак минус означава да ово појачало показује КСНУМКС^o фазни помак између излаза и улаза. Типични синусоидни улаз и излаз приказани су на слици КСНУМКС.

Слика КСНУМКС - Синусоидни улаз и излаз

Ако се излазни сигнал упућује на тло, али преокрет фазе није пожељан, излаз се може узети из транзистора Q₂.

Пример 1 - Диференцијално појачало (анализа)

Нађите диференцијални напон, појачање напона у заједничком моду и ЦМРР за коло приказано на слици КСНУМКС. Претпоставити да R_i = КСНУМКС, R_C = КСНУМКС кΩ, V_EE= КСНУМКС В, V_BE= КСНУМКС В, V_T= КСНУМКС мВ, и R_EE = КСНУМКС кΩ. Дозволити v₂ = КСНУМКС и преузмите излаз из v_o2.

Решење: Струја кроз R_EE налази се у стању мировања. Од основе Q₂ је уземљен, напон емитера је V_BE = КСНУМКС В, и

Струја мировања у сваком транзистору је половина тог износа.

Од

диференцијални напон у сваком транзистору је

Повећање напона у заједничком моду је

Однос одбацивања у заједничком режиму се затим даје

ПРИЈАВА

Такође, ове прорачуне можете извршити помоћу ТИНА или ТИНАЦлоуд кола, користећи њихов алат Интерпретер кликом на линк испод.

Симулација круга КСНУМКС-диференцијално појачало

Пример

За диференцијални појачавач описан у Примеру КСНУМКС, дизајнирајте извор струје са фиксном-преднапонском температуром (слика КСНУМКС) да замените R_EE и одредити нови ЦМРР за диференцијално појачало, са r_o = КСНУМКС кΩ, V_BE = КСНУМКС В, и β = КСНУМКС. Претпостављам R₁ = R₂.

Решење: Поставимо радну тачку транзистора у средину dc лоад лине.

Затим, позивајући се на тренутни извор слике КСНУМКС (а),

За стабилност преднапона,

Онда

pošto КСНУМКСR_E>>r_e (тј. 1.25 кΩ >> 26 / 0.57 Ω), онда из једначине (31) имамо

ЦМРР је дат

ПРИЈАВА

Симулација круга КСНУМКС-диференцијално појачало

Пример

Дизајнирајте круг за постизање услова као што је наведено на слици КСНУМКС за максималну промјену излазног напона. Пет транзистора, Q₁ до Q₅, сваки има β = КСНУМКС вхиле Q₆ има β од КСНУМКС. V_BE је КСНУМКС В за све транзисторе, V_T= КСНУМКС мВ, и V_A= КСНУМКС В. Претпоставимо да су сви транзистори идентични.