2. Level Shifters

Level Shifters

Även om ingången till en förstärkare har ett medelvärde av noll volt, har utsignalen ofta en genomsnittsspänning som inte är noll på grund av förspänningseffekter. Dessa dc spänningar kan orsaka en oönskad förskjutning som negativt påverkar driften av ett system.

Eftersom op-amp är ett flertal steg dc förstärkare med hög förstärkning, oönskad dc spänningar kan vara en källa till oro. En liten kompensation i ett tidigt skede kan mätta ett senare skede.

Level shifters är förstärkare som lägger till eller subtraherar en känd spänning från ingången för att kompensera för dc offset spänningar. Op-amps har nivå shifters ingår i deras design.

Figur 7 illustrerar en enkel nivåväxlare. Vi visar att denna shifter fungerar som en förstärkare för förstärkare för ac samtidigt som man ger en justerbar dc utgång.

Vi börjar analysen genom att använda KVL i ingångsslingan i Figur 7 (a) och låta vin = 0 för att erhålla

(34)

Sedan dess

(35)

vi löser för dc värdet av utgångsspänning, Vut.

(36)

Ekvation (36) visar att genom att variera RE, Vut kan ställas in på önskat sätt dc nivå (begränsad till högst VBB-VBE). Eftersom VBB är dc nivå som förvärvats från föregående steg, används denna förstärkare för att flytta nivån nedåt (till ett lägre värde). Om uppåt växling krävs, en liknande krets används men pnp transistorer är ersatta för npn transistorer. En komplett krets med aktiv strömkälla visas i figur 7 (b).

Nivå växlare, praktisk operationsförstärkare, krets simulering

Figur 7-Level Shifter

Vi undersöker nu kretsen med ac signaler applicerade. Figur 7 (c) illustrerar ac ekvivalent krets. Anteckna det β2ib2 är kollektorströmmen i den aktiva strömkällan, och vi antar att det är en konstant. Eftersom det ac värdet av strömmen är noll, den aktuella källan ersätts av en öppen krets. Vi skriver ac ekvationer som använder KVL.

(37)

och

(38)

Förhållandet mellan ac output till ac input är

(39)

Ekvation (39) visar att som ro2 blir stor, förhållandet mellan utmatning och inmatning närmar sig enhet och nivåskiftaren verkar som en emitterföljare till ac. Detta är önskat resultat.

Exempelvis 

Två direktkopplade CE-förstärkare placeras i serie för att uppnå önskad spänningsförstärkning. Utforma en nivåskiftare som ska placeras mellan de två CE-förstärkarna för att ge en dc spänning tillräckligt låg för att förhindra att den andra CE-förstärkaren mättas. Gör detta genom att ge en 1 V bias till andra etappen. Kollektorns spänning, VC, av den första förstärkaren är 4 V, och RC av den förstärkaren är 1 kΩ. Design nivån shifter att ha en IC av 1 mA med användning av a  strömförsörjning. Använd en strömkälla av den typ som visas i Figur 3 (Se kapitel: Differentialförstärkare 1.3) med transistorer som har β (n) = 100, VBE(Er) = 0.7 V, och VON = 0.7 V.

Lösning: Nivåskiftaren visas i figur 7 (b). Vi måste hitta värdena på RE, R1, R2och R 'E. Eftersom den första förstärkaren har a VC av 4 V, värdet av VBB för ekvation (36) är 4 V, medan RB av den här formeln är 1 kΩ. Observera att detta använder Thevenin-ekvivalentkretsen i föregående förstärkare. Ekvation (36) ger sedan

Inställning av aktuell källa transistorns driftpunkt i mitten av dc lastlinje vi har

och

Spänningen över R 'E är 5.5 V. Då

Vi känner nu till spänningarna över R1 och R2 och parallellmotståndet. Detta ger två ekvationer, där vi antar att basströmmen i den nedre transistorn i figur 9.7 (b) är försumbar.

och

Designen är därför komplett.

ANSÖKAN

Du kan också utföra dessa beräkningar med TINA eller TINACloud-kretssimulatorer, med hjälp av deras tolkverktyg genom att klicka på länken nedan.

Level Shifters Circuit Simulation