เครื่องขยายเสียงดิฟเฟอเรนเชียล

เครื่องขยายเสียงที่แตกต่าง

แอมป์การทำงานส่วนใหญ่ประกอบด้วยชุดของทรานซิสเตอร์ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่สร้างระบบที่สมบูรณ์บนชิปตัวเดียว แอมพลิฟายเออร์ที่มีในปัจจุบันมีความน่าเชื่อถือขนาดเล็กและใช้พลังงานน้อยมาก

ขั้นตอนการป้อนข้อมูลของ op-amps ส่วนใหญ่คือ Dเครื่องขยายเสียง ifferential ดังที่แสดงในรูปแบบที่ง่ายที่สุดในรูปที่ 1

ดิฟเฟอเรนเชียลแอมป์, แอมพลิฟายเออร์สำหรับปฏิบัติการ, การจำลองวงจร, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร

รูปที่ 1 - เครื่องขยายเสียงที่แตกต่าง

แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลประกอบด้วยอีซีแอลร่วมกันสองตัว dc เครื่องขยายเสียง มันมีสองอินพุต v₁ และ v₂และสามเอาต์พุต v_o1, v_o2 และ v_ออก. ผลลัพธ์ที่สาม v_ออกคือความแตกต่างระหว่าง v_o1 และ v_o2.

1.1 dc ลักษณะการถ่ายโอน

แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลไม่ทำงานเป็นเส้นตรงพร้อมสัญญาณอินพุตขนาดใหญ่ เพื่อให้การวิเคราะห์ง่ายขึ้นเราสันนิษฐานว่า RE มีขนาดใหญ่ความต้านทานพื้นฐานของแต่ละทรานซิสเตอร์นั้นเล็กน้อยและความต้านทานเอาต์พุตของแต่ละทรานซิสเตอร์นั้นมีขนาดใหญ่ โปรดทราบว่าเราใช้ REE มากกว่า RE ในแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลเนื่องจากตัวต้านทานที่ใช้ที่นี่มีขนาดใหญ่และอาจมีความต้านทานเทียบเท่ากับแหล่งจ่ายกระแส ค่าที่มากของ REE ทำให้แรงดันตัวต้านทานตัวต้านทานลดลงเกือบคงที่
ตอนนี้เราแก้วงจรนี้สำหรับแรงดันเอาต์พุต เราเริ่มต้นด้วยการเขียนสมการ KVL รอบวงแยกฐานสำหรับวงจรของรูปที่ 1

(1)

(2)

เราจำเป็นต้องค้นหานิพจน์สำหรับกระแสตัวสะสม i_C1 และ i_C2. แรงดันเบส - อิมิตเตอร์มาจากสมการ

ในสมการ (2) I_o1 และ I_o2 เป็นกระแสความอิ่มตัวย้อนกลับสำหรับ Q₁ และ Q₂ ตามลำดับ ทรานซิสเตอร์จะถือว่าเหมือนกัน การรวมสมการ (1) และ (2)

(3)

การแก้สมการ (3) สำหรับอัตราส่วนปัจจุบันเราพบ

(4)

เราสามารถสันนิษฐานได้ i_C1 ประมาณเท่ากับ i_E1 และ i_C2 ประมาณเท่ากับ i_E2. ดังนั้น

(5)

การรวมสมการ (4) และ (5) เข้าด้วยกัน

(6)

โปรดทราบว่า

(7)

การสังเกตที่สำคัญสามารถทำได้โดยการดูสมการ (6) ถ้า v₁- v₂ มากกว่าหลายร้อยมิลลิโวลต์ตัวเก็บกระแสในทรานซิสเตอร์ 2 จะมีขนาดเล็กและทรานซิสเตอร์จะถูกตัดออกเป็นหลัก กระแสที่สะสมในทรานซิสเตอร์ 1 นั้นประมาณเท่ากับ i_EEและทรานซิสเตอร์นี้จะอิ่มตัว กระแสสะสมและดังนั้นแรงดันเอาท์พุท v_ออกเป็นอิสระจากความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตทั้งสอง

การขยายแบบเชิงเส้นเกิดขึ้นสำหรับความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าอินพุตน้อยกว่าประมาณ 100 mV เพื่อเพิ่มช่วงเชิงเส้นของแรงดันไฟฟ้าเข้าสามารถเพิ่มตัวต้านทานอีซีแอลขนาดเล็กได้

กำไรโหมดทั่วไปและความแตกต่างของโหมด 1.2

เครื่องขยายเสียงต่างมีจุดประสงค์เพื่อตอบสนองต่อความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตสองตัวเท่านั้น v₁ และ v₂. อย่างไรก็ตามใน op-amp ที่ใช้งานได้จริงเอาต์พุตขึ้นกับระดับของผลรวมของอินพุตเหล่านี้ ตัวอย่างเช่นหากอินพุตทั้งสองเท่ากันแรงดันไฟขาออกควรเป็นศูนย์ แต่ในภาคขยายเสียงที่ใช้งานจริงจะไม่เป็นเช่นนั้น เราติดฉลากกรณีเมื่อวงจรตอบสนองต่อความแตกต่างเป็น โหมดดิฟเฟอเรนเชียล. หากอินพุตทั้งสองเท่ากันเราบอกว่าวงจรอยู่ในนั้น โหมดทั่วไป. เป็นการดีที่เราคาดว่าวงจรจะสร้างเอาต์พุตเฉพาะในโหมดดิฟเฟอเรนเชียล

แรงดันไฟฟ้าอินพุตสองตัวใด ๆ v₁ และ v₂สามารถแก้ไขได้ในส่วนทั่วไปและส่วนต่าง เรากำหนดแรงดันไฟฟ้าอินพุตใหม่สองค่าดังนี้:

(8)

แรงดันไฟฟ้า v_diเป็นแรงดันไฟฟ้าอินพุตโหมดส่วนต่างและเป็นเพียงความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตสองตัว แรงดันไฟฟ้า v_ciเป็นแรงดันไฟฟ้าขาเข้าโหมดทั่วไปและเป็นแรงดันไฟฟ้าอินพุตเฉลี่ยสองค่า แรงดันไฟฟ้าอินพุตดั้งเดิมสามารถแสดงได้ในรูปของปริมาณใหม่ดังต่อไปนี้:

(9)

หากเราตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตทั้งสองเท่ากันเราก็มี

(10)

เนื่องจากอินพุตทั้งสองมีค่าเท่ากันแรงดันไฟฟ้าของจุดแยกทางอิมิตเตอร์จะเท่ากัน (หากทรานซิสเตอร์เหมือนกัน) ดังนั้นกระแสสะสมจะต้องเหมือนกัน

วงจรขยายแบบจำลอง, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร, op-amps ที่ใช้งานได้จริง

รูปที่ 2 (a) วงจรสมมูลของวงจรขยายแอมพลิฟายเออร์

ตอนนี้เราดูวงจรสมมูลของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าโหมดแตกต่างดังแสดงในรูปที่ 2 (a) โปรดทราบว่าเป็นปัจจุบันใน Q₁ เพิ่มวงจรกระแสใน Q₂ วงจรลดลงในอัตราและความกว้างเดียวกัน สิ่งนี้เป็นจริงตั้งแต่อินพุตไป Q₂ เท่ากับของ Q₁ แต่ 180^o ออกจากเฟส ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงเปลี่ยนไป R_EE เป็นศูนย์ ตั้งแต่ ac สัญญาณแรงดันไฟฟ้า R_EE เป็นศูนย์มันสามารถถูกแทนที่ด้วยไฟฟ้าลัดวงจรใน ac วงจรสมมูล โปรดทราบว่าการวางแรงดันไฟฟ้าที่แต่ละฐานทรานซิสเตอร์ซึ่งมีความกว้างเท่ากัน แต่ 180^o ออกจากเฟสเทียบเท่ากับการวางแรงดันไฟฟ้าระหว่างฐานทรานซิสเตอร์สองแห่งที่แอมพลิจูดสองเท่า แรงดันไฟฟ้าที่ v_o1 และ v_o2 มีแอมพลิจูดเท่ากัน แต่เฟสตรงข้ามและอัตราขยายที่แตกต่างของโหมดคือ

(11)

เกนของดิฟเฟอเรนเชียลโหมดนี้ถูกกำหนดไว้ที่ เอาต์พุตเดี่ยวสิ้นสุด เนื่องจากมันถูกยึดระหว่างหนึ่งนักสะสมและพื้นดิน หากเอาท์พุทระหว่าง v_o1 และ v_o2การได้รับโหมดอนุพันธ์จะเรียกว่า เอาท์พุทสิ้นสุดสอง และได้รับจาก

(12)

การวิเคราะห์ที่คล้ายกันสามารถนำไปใช้กับวงจรเทียบเท่าโหมดทั่วไปในรูปที่ 2 (b)

รูปที่ 2 (b) วงจรที่เทียบเท่าวงจรขยายสัญญาณสามัญ

ถ้าเราแบ่งตัวต้านทาน R_EE เป็นตัวต้านทานแบบขนานสองตัวแต่ละตัวมีความต้านทานเท่าเดิมเราสามารถหาเอาต์พุตได้โดยการวิเคราะห์เพียงครึ่งหนึ่งของวงจร เนื่องจากทรานซิสเตอร์มีความเหมือนกันและแรงดันไฟฟ้าอินพุตโหมดทั่วไปมีค่าเท่ากันและอยู่ในเฟสแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้ง 2R_EE ตัวต้านทานเหมือนกัน ดังนั้นกระแสระหว่างตัวต้านทานแบบขนานทั้งสองที่แสดงนั้นจึงเป็นศูนย์และเราต้องการเพียงดูที่ด้านหนึ่งของวงจร แรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปจะได้รับจากนั้น

(13)

สมการ (13) จะถือว่า R_EE มีขนาดใหญ่และ r_e<<R_EE.

เราพบว่าแรงดันเอาท์พุทสิ้นสุดสองครั้งในแง่ของการได้รับโหมดทั่วไปและการเพิ่มความแตกต่างของโหมดดังนี้:

(14)

มันเป็นที่พึงปรารถนาสำหรับการเพิ่มความแตกต่างของโหมดที่จะมีขนาดใหญ่กว่าการเพิ่มของโหมดทั่วไป อัตราส่วนการปฏิเสธทั่วไปในโหมด CMRRถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของการได้รับโหมดแตกต่างกับการเพิ่มโหมดทั่วไป มันมักจะแสดงออกเป็นเดซิเบล

(15)

ตอนนี้เราพิจารณาความต้านทานอินพุตของเครื่องขยายเสียงทั้งในโหมดแตกต่างและโหมดทั่วไป สำหรับโหมดดิฟเฟอเรนเชียลเรามองไปที่แอมป์ที่ฐานของทรานซิสเตอร์ทั้งสอง ซึ่งจะส่งผลให้วงจรสมบูรณ์ผ่านตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์ทั้งสองและความต้านทานอินพุตคือ

(16)

ตอนนี้สำหรับอินพุตโหมดทั่วไปเรามองไปที่แอมป์ในรูปที่ 2 (b) ดังนั้นความต้านทานอินพุตคือ

(17)

ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่าความต้านทานอินพุตของโหมดทั่วไปสูงกว่าของโหมดแตกต่างกันมาก

การวิเคราะห์แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลของเรานั้นใช้ BJT เป็นหน่วยการสร้างทรานซิสเตอร์ FETs ยังสามารถใช้ในแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีข้อดีของการลดกระแสไบอัสอินพุตและความต้านทานอินพุตไม่สิ้นสุด การวิเคราะห์แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลโดยใช้ FET สามารถทำได้ในลักษณะเดียวกับการวิเคราะห์ BJT

แอมพลิฟายเออร์ที่แตกต่างกันต้องการทรานซิสเตอร์ที่ตรงกันเพื่อประกันว่าวงจรทำงานอย่างถูกต้อง หากเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างอยู่ในวงจรรวมความต้องการเพิ่มเติมนี้มีปัญหาน้อยลงเนื่องจากทรานซิสเตอร์สองตัวถูกประดิษฐ์ขึ้นพร้อมกันโดยใช้วัสดุเดียวกัน

1.3 แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีแหล่งกำเนิดกระแสคงที่

เป็นที่พึงปรารถนาที่จะทำ R_EE ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดเอาต์พุตโหมดทั่วไป สมการแสดงให้เห็นว่าการทำให้ CMRR มีขนาดใหญ่เราต้องทำ R_EE ใหญ่. เนื่องจากความต้านทานขนาดใหญ่ยากที่จะประดิษฐ์บนชิป IC เราจึงหาวิธีอื่น นี่คือความสำเร็จโดยการแทนที่ R_EE กับ dc แหล่งที่มาปัจจุบัน แหล่งกระแสอุดมคติมีความต้านทานไม่ จำกัด ดังนั้นเราจึงตรวจสอบความเป็นไปได้ของการแทนที่ R_EE ด้วยแหล่งที่มาในปัจจุบัน รูปที่ 9.3 แสดงให้เห็นถึงแอมพลิฟายเออร์ที่ต่างกันซึ่งตัวต้านทาน R_EEถูกแทนที่ด้วยแหล่งที่มาคงที่

(18)

ยิ่งแหล่งสัญญาณเข้าใกล้แหล่งกำเนิดกระแสคงที่ในอุดมคติยิ่งอัตราส่วนการปฏิเสธโหมดทั่วไปก็จะยิ่งสูงขึ้น เราแสดงให้เห็นถึงแหล่งที่มาของกระแสไบแอสคงที่ชดเชย การชดเชยทำให้การทำงานของวงจรลดลงตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง ไดโอด D₁ และทรานซิสเตอร์ Q₃ ถูกเลือกเพื่อให้มีลักษณะที่เหมือนกันเกือบตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงาน
ในการวิเคราะห์วงจรของรูปที่ 3 (a) และค้นหา CMRR เราจำเป็นต้องพิจารณาความต้านทานเทียบเท่า R_TH (Thevenin เทียบเท่าของวงจรแหล่งกระแสคงที่) ค่าความต้านทานเทียบเท่าได้รับจาก [ดูรูปที่ 3 (b)]

การเขียนสมการ KCL ที่โหนด 1 เรามี

(19)

ที่ไหน r_o คือความต้านทานภายในของทรานซิสเตอร์ที่จุดทำงานที่ระบุ มันได้รับจาก

(20)

วงจรขยายแบบจำลอง, การจำลองวงจร, การออกแบบวงจร, op-amps ที่ใช้งานได้จริง

รูปที่ 3 - แอมพลิฟายเออร์ที่แตกต่างพร้อมแหล่งกำเนิดกระแสคงที่

สมการ KCL ที่โหนด 2 ให้ผลตอบแทน

(21)

ที่ไหน

(22)

แทน v₁ และ v₂ ในสมการที่โหนด 2 เรามี

(23)

ในที่สุดความต้านทาน Thevenin จะได้รับโดยการแทนที่สมการ (22) และ (23) เป็นสมการ (18)

(24)

ตอนนี้เราจะสร้างชุดของสมมติฐานเพื่อทำให้การแสดงออกนี้ง่ายขึ้นมาก เพื่อรักษาเสถียรภาพอคติเราใช้แนวทางนั้น

(25)

แทนค่านี้ของ R_B ในสมการ (24) และหารด้วย β, เรามี

(26)

เราสามารถทำให้นิพจน์นี้ง่ายขึ้นโดยสังเกต

(27)

เรานั้นมี

(28)

เนื่องจากเทอมที่สองในสมการนี้มีค่ามากกว่าช่วงแรกมากดังนั้นเราจึงไม่สนใจ R_E ที่จะได้รับ

(29)

สมการนี้สามารถทำให้ง่ายขึ้นได้หากมีเงื่อนไขต่อไปนี้:

(30)

ในกรณีนี้เรามีผลลัพธ์ที่ง่าย

(31)

ดังนั้นหากการประมาณทั้งหมดนั้นถูกต้อง R_TH เป็นอิสระจาก β และคุณค่าของมันค่อนข้างใหญ่

1.4 แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่มีอินพุตและเอาต์พุตแบบ Single-Ended

รูปที่ 4 แสดงแอมพลิฟายเออร์ที่แตกต่างกันโดยที่อินพุตที่สอง v₂, ถูกตั้งค่าเท่ากับศูนย์และเอาท์พุทเป็น v_o1.

เราใช้แหล่งจ่ายกระแสคงที่แทน R_EEตามที่กล่าวไว้ในส่วนก่อนหน้า สิ่งนี้เรียกว่า เครื่องขยายเสียงอินพุทและเอาท์พุตแบบปลายเดียวพร้อมการกลับเฟส. แอมป์วิเคราะห์โดยการตั้งค่า v₂= 0 ในสมการก่อนหน้า อินพุตที่ต่างกันนั้นง่ายมาก

(32)

ดังนั้นผลลัพธ์คือ

(33)

รูปที่ 4 - อินพุตสิ้นสุดเดียวที่มีการกลับเฟส

เครื่องหมายลบแสดงว่าเครื่องขยายเสียงนี้มี 180^o เปลี่ยนเฟสระหว่างเอาต์พุตและอินพุต อินพุตและเอาต์พุตไซน์ทั่วไปทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่ 5

รูปที่ 5 - อินพุตและเอาต์พุตสัญญาณไซน์

หากมีการอ้างอิงสัญญาณเอาท์พุตกับกราวด์ แต่ไม่ต้องการกลับเฟสเฟสเอาต์พุตสามารถนำมาจากทรานซิสเตอร์ Q₂.

ตัวอย่างที่ 1 - แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล (การวิเคราะห์)

ค้นหาอัตราขยายของแรงดันไฟฟ้าต่าง ๆ , แรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปและ CMRR สำหรับวงจรที่แสดงในรูปที่ 1 สมมติว่า R_i = 0, R_C = 5 kΩ V_EE= 15 V V_BE= 0.7 V V_T= 26 mV และ R_EE = 25 kΩ ปล่อย v₂ = 0 และรับเอาต์พุตจาก v_o2.

วิธีการแก้: กระแสไฟฟ้าผ่าน R_EE พบได้ในสภาพที่สงบนิ่ง ตั้งแต่ฐานของ Q₂ มีการต่อลงดินแรงดันไฟฟ้าของตัวส่งคือ V_BE = 0.7 V และ

กระแสไฟฟ้านิ่งในแต่ละทรานซิสเตอร์เป็นครึ่งหนึ่งของจำนวนนี้

ตั้งแต่

แรงดันไฟฟ้าที่ต่างกันในแต่ละทรานซิสเตอร์คือ

แรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไปที่ได้รับคือ

อัตราส่วนการปฏิเสธโหมดทั่วไปจะได้รับจาก

ใบสมัคร

นอกจากนี้คุณสามารถทำการคำนวณเหล่านี้ด้วยเครื่องจำลองวงจร TINA หรือ TINACloud โดยใช้เครื่องมือล่ามโดยคลิกที่ลิงค์ด้านล่าง

1- การจำลองวงจรเครื่องขยายเสียงที่แตกต่าง

2 ตัวอย่าง

สำหรับแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลที่อธิบายไว้ในตัวอย่าง 1 ออกแบบแหล่งจ่ายกระแสคงที่แบบไบแอสชดเชยอุณหภูมิ (รูปที่ 3) เพื่อแทนที่ R_EE และกำหนด CMRR ใหม่สำหรับแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลด้วย r_o = 105 kΩ V_BE = 0.7 V และ β = 100 สมมติ R₁ = R₂.

วิธีการแก้: เราวางจุดทำงานของทรานซิสเตอร์ไว้ตรงกลาง dc สายโหลด

จากนั้นอ้างถึงแหล่งที่มาปัจจุบันของรูปที่ 3 (a)

เพื่อความมั่นคงอคติ

แล้วก็

ตั้งแต่ 0.1R_E>>r_e (เช่น 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω) จากนั้นจากสมการ (31) เรามี

CMRR ถูกกำหนดโดย

ใบสมัคร

2- การจำลองวงจรเครื่องขยายเสียงที่แตกต่าง

3 ตัวอย่าง

ออกแบบวงจรเพื่อให้ได้สภาวะตามที่ระบุในรูปที่ 6 สำหรับการแกว่งแรงดันเอาต์พุตสูงสุด ห้าทรานซิสเตอร์ Q₁ ไปยัง Q₅แต่ละคนมี β = 100 ในขณะที่ Q₆ มี β จาก 200 V_BE คือ 0.6 V สำหรับทรานซิสเตอร์ทั้งหมด V_T= 26 mV และ V_A= 80 V. สมมติว่าทรานซิสเตอร์ทั้งหมดเหมือนกัน