1. Differential Amplifiers
CURRENT - 1. Mga Kakaibang Amplifier
PREVIOUS- Praktikal na Operational Amplifier - Panimula
Differential Amplifiers
Karamihan sa mga amplifiers sa pagpapatakbo ay binubuo ng isang serye ng mga transistors, resistors, at capacitors na bumubuo ng kumpletong sistema sa isang solong maliit na tilad. Ang mga amplifiers na magagamit ngayon ay maaasahan, maliit ang sukat, at ubusin ang napakaliit na kapangyarihan.
Ang yugto ng input ng karamihan sa mga op-amp ay isang Differential Amplifier tulad ng ipinapakita sa pinakasimpleng anyo nito sa Figure 1.
Figure 1 - Differential amplifier
Ang kaugalian amplifier ay binubuo ng dalawang emitter-kaisa karaniwang-emitter dc amplifiers. Mayroon itong dalawang input, v1 at v2, at tatlong output, vo1, vo2 at vPalabas. Ang ikatlong output, vPalabas, ang pagkakaiba sa pagitan vo1 at vo2.
1.1 dc Transfer Characteristics
Ang kaugalian amplifier ay hindi umaandar sa linearly na may malaking signal inputs. Upang gawing simple ang pagtatasa ipinapalagay namin na ang RE ay malaki, na ang batayang paglaban ng bawat transistor ay bale-wala at ang output paglaban ng bawat transistor ay malaki. Tandaan na ginagamit namin REE sa halip na RE sa kaugalian amplifier dahil ang risistor na ginamit dito ay malaki at maaaring ang katumbas na pagtutol ng isang kasalukuyang pinagmulan. Ang malaking halaga ng REE ay nagpapanatili ng emitter boltahe ng risistor na halos halos pare-pareho.
Ngayon, malulutas na natin ang circuit na ito para sa output boltahe. Magsisimula tayo sa pagsusulat ng KVL equation sa paligid ng base junction loop para sa circuit ng Figure 1.
(1)
(2)
Kailangan naming makahanap ng mga expression para sa mga kolektor na alon, iC1 at iC2. Ang base-emitter voltages ay ibinibigay ng equation,
Sa Equation (2) Io1 at Io2 ay ang reverse saturation currents para sa Q1 at Q2 ayon sa pagkakabanggit. Ang mga transistors ay ipinapalagay na magkapareho. Ang pagsasama ng Equation (1) at (2) ay magbubunga
(3)
Paglutas ng Equation (3) para sa kasalukuyang ratio, nakita namin,
(4)
Maaari nating ipagpalagay iC1 ay katumbas ng katumbas ng iE1 at iC2 ay katumbas ng katumbas ng iE2. Samakatuwid
(5)
Pinagsasama ang Equation (4) at (5), mayroon kami
(6)
Tandaan na ang
(7)
Ang isang mahalagang pagmamasid ay maaaring gawin sa pamamagitan ng pagtingin sa Equation (6). Kung v1 - v2 ay nagiging mas malaki kaysa sa ilang daang millivolts, ang kolektor kasalukuyang sa transistor 2 nagiging maliit at ang transistor ay mahalagang maputol. Ang kasalukuyang kolektor sa transistor 1 ay halos katumbas ng iEE, at ang transistor na ito ay puspos. Ang kolektor na alon, at samakatuwid ay ang output boltahe vPalabas, maging independyente sa pagkakaiba sa pagitan ng dalawang voltages input.
Ang paglaki ng lahi ay nangyayari lamang para sa mga pagkakaiba sa input ng boltahe na mas mababa sa tinatayang 100 mV. Upang madagdagan ang linear na hanay ng boltahe ng input, maaaring idagdag ang mga maliliit na emitter resistors.
1.2 Karaniwang-Mode at Mga Pagkamit ng Moda-Differential
Ang kaugalian amplifier ay inilaan upang tumugon lamang sa mga pagkakaiba sa pagitan ng dalawang input voltages, v1 at v2. Gayunpaman, sa isang praktikal na op-amp ang output ay nakasalalay sa ilang antas sa kabuuan ng mga input na ito. Halimbawa, kung ang parehong mga input ay pantay, ang boltahe ng output ay dapat na perpekto sa zero, ngunit sa isang praktikal na amplifier ito ay hindi. Naka-label namin ang kaso kapag ang circuit ay tumugon sa pagkakaiba bilang kaugalian mode. Kung ang dalawang inputs ay ginawa pantay, sinasabi namin ang circuit ay nasa nito karaniwang mode. Sa isip na inaasahan namin ang circuit upang makabuo ng isang output lamang sa kaugalian mode.
Anumang dalawang input voltages, v1 at v2, ay maaaring malutas sa isang pangkaraniwan at isang kaugalian na bahagi. Tinutukoy namin ang dalawang bagong boltahe ng input tulad ng sumusunod:
(8)
Ang boltahe, vdi, ay ang kaugalian-mode input boltahe at ito ay lamang ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang input voltages. Ang boltahe, vci, ay karaniwang boltahe ng input ng mode, at ito ang average ng dalawang input voltages. Ang orihinal na input voltages ay maaaring ipahayag sa mga tuntunin ng mga bagong dami tulad ng sumusunod:
(9)
Kung itinakda namin ang dalawang input voltages pantay, mayroon kami
(10)
Dahil ang dalawang input ay katumbas, ang boltahe ng junction emitter-base ay pantay (kung ang mga transistors ay magkatulad). Kaya, ang mga kolektor ng mga alon ay dapat ding magkapareho.
Figure 2 (a) kaugalian-mode amplifier katumbas circuit
Tinitingnan namin ngayon ang katumbas na circuit para sa kaugalian-mode na input boltahe tulad ng ipinapakita sa Figure 2 (a). Tandaan na ang kasalukuyang nasa Q1 Ang mga pagtaas ng circuit, ang kasalukuyang nasa Q2 Ang mga circuit ay bumababa sa parehong rate at amplitude. Ito ay totoo dahil ang input sa Q2 ay pantay-pantay sa na ng Q1 ngunit 180o sa labas ng bahagi. Kaya ang pagbabago ng boltahe sa kabuuan REE ay zero. Dahil ang ac signal boltahe sa kabuuan REE ay zero, maaari itong mapalitan ng isang maikling circuit sa ac katumbas na circuit. Tandaan na ang paglalagay ng mga voltages sa bawat transistor base na pantay sa malawak ngunit 180o sa labas ng bahagi ay katumbas ng paglalagay ng isang boltahe sa pagitan ng dalawang base ng transistor ng dalawang beses ang amplitude. Ang mga voltages sa vo1 at vo2 ay pantay na amplitude ngunit kabaligtaran yugto at ang kaugalian-mode na nakuha ay
(11)
Ang pagkakaiba sa kaugalian na ito ay tinukoy sa isang single-ended output dahil ito ay kinuha sa pagitan ng isang kolektor at lupa. Kung ang output ay kinuha sa pagitan vo1 at vo2, ang pagkakaiba sa kaugalian na mode ay tinatawag na a double-ended output at binigyan ng
(12)
Ang isang katulad na pag-aaral ay maaaring mailapat sa common-mode na katumbas na circuit sa Figure 2 (b).
Figure 2 (b) Karaniwang-mode na katumbas na circuit ng amplifier
Kung hatiin natin ang risistor REE sa dalawang parallel resistors bawat isa ay may dobleng ang orihinal na pagtutol, maaari naming mahanap ang output sa pamamagitan ng pag-aaral lamang ng kalahati ng circuit. Dahil ang mga transistors ay magkapareho at ang common-mode na mga voltages input ay pantay at in-phase, ang mga voltages sa 2REE Ang mga resistors ay pareho. Kaya, ang kasalukuyang sa pagitan ng dalawang parallel resistors na ipinapakita ay zero at kailangan lamang nating tingnan ang isang bahagi ng circuit. Ang pangkaraniwang mod-mode na boltahe ay pagkatapos
(13)
Ipinapalagay ng equation (13) REE ay malaki at re<<REE.
Natagpuan namin ang double-ended output voltage sa mga tuntunin ng common-mode at kaugalian-mode makakuha ng mga sumusunod:
(14)
Ito ay kanais-nais para sa mga kaugalian-mode na makakuha ng mas malaki kaysa sa karaniwang-pakinabang ng mode upang ang amplifier reacts lalo na sa mga pagkakaiba sa pagitan ng mga voltages input. Ang karaniwang-mode rejection ratio, CMRR, ay tinukoy bilang ang ratio ng kaugalian-mode na nakuha sa karaniwang-pakinabang na mode. Ito ay karaniwang ipinahayag sa DB.
(15)
Namin ngayon matukoy ang input pagtutol ng amplifier sa parehong kaugalian mode at ang karaniwang mode. Para sa kaugalian mode, tumingin kami sa amplifier sa base ng parehong transistors. Nagreresulta ito sa isang kumpletong circuit sa pamamagitan ng emitter ng parehong transistors, at ang input pagtutol ay
(16)
Ngayon para sa karaniwang-mode na input, tinitingnan namin ang amplifier sa Figure 2 (b). Kaya, ang input resistance ay
(17)
Ipinapahiwatig ng mga resultang ito na ang input resistance ng karaniwang mode ay mas mataas kaysa sa kaugalian ng mode.
Ang aming kaugalian na pagtatasa ng amplifier ay batay sa BJTs bilang mga bloke ng transistor na gusali. Ang FETs ay maaari ring gamitin sa mga kaugalian amplifiers na may resultang pakinabang ng pinababang input bias kasalukuyang at halos walang katapusan na input impedance. Ang pagtatasa ng kaugalian amplifier gamit ang FETs ay natapos sa parehong paraan tulad ng BJT analysis.
Ang mga kaugalian amplifiers ay kailangang tumugma sa mga transistors upang matiyak na ang circuit ay nagpapatakbo ng tama. Kung ang kaugalian amplifier ay nasa isang nakapaloob na circuit, ang karagdagang mga kinakailangan ay mas mababa ng isang problema dahil ang dalawang transistors ay gawa-gawa sa parehong oras gamit ang parehong materyal.
1.3 Differential Amplifier na may Constant Current Source
Ito ay kanais-nais na gawin REE mas malaki hangga't maaari upang mabawasan ang karaniwang output na mode. Ipinapakita ng equation na upang gawing malaki ang CMRR na dapat naming gawin REE malaki. Dahil ang malalaking resistensya ay mahirap gawin sa IC chips, humihiling kami ng alternatibong diskarte. Ito ay nagawa sa pamamagitan ng pagpapalit REE na may isang dc kasalukuyang pinagmulan. Ang isang ideal na kasalukuyang pinagkukunan ay may walang katapusang impedance, kaya sinisiyasat namin ang posibilidad ng pagpapalit REE na may tulad na isang kasalukuyang pinagmulan. Figure 9.3 naglalarawan ng isang kaugalian amplifier kung saan ang risistor, REE, ay pinalitan ng isang pare-parehong pinagmulan.
(18)
Ang mas malapit na pinagmumulan ay sa perpektong pare-pareho ang kasalukuyang pinagmulan, mas mataas ang karaniwang-mode na ratio ng pagtanggi. Inilalarawan namin ang kasalukuyang pinagkukunan ng nabagong diode-diode. Ang kompensasyon ay gumagawa ng operasyon ng circuit na mas nakadepende sa mga pagkakaiba-iba ng temperatura. Diode D1 at transistor Q3 ay napili upang magkaroon sila ng magkaparehong katangian sa ibabaw ng hanay ng mga operating temperatura.
Upang pag-aralan ang circuit ng Figure 3 (a) at hanapin ang CMRR, kailangan namin upang matukoy ang katumbas na pagtutol, RTH (ang katumbas ng Thevenin ng pare-parehong kasalukuyang source circuit). Ang katumbas na pagtutol ay ibinibigay sa [tingnan ang Figure 3 (b)]
Nagsusulat ng KCL equation sa node 1, mayroon kami
(19)
saan ro ay ang panloob na pagtutol ng transistor sa tinukoy na operating point. Ito ay ibinigay ng
(20)
Figure 3 - Differential amplifier na may constant-current source
Ang KCL equation sa node 2 ay magbubunga
(21)
saan
(22)
Substituting v1 at v2 sa equation sa node 2, mayroon kami
(23)
Sa wakas, ang paglaban ng Thevenin ay ibinibigay sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga Equation (22) at (23) sa Equation (18).
(24)
Gumagawa na kami ngayon ng isang serye ng mga pagpapalagay upang lubos na gawing simple ang pagpapahayag na ito. Upang mapanatili ang katatagan ng bias, ginagamit namin ang patnubay na iyon
(25)
Ibinaba ang halaga na ito RB sa Equation (24) at naghahati sa pamamagitan ng β, meron kami
(26)
Maaari naming gawing simple ang expression na ito sa pamamagitan ng noting
(27)
Namin ay mayroon na
(28)
Dahil ang ikalawang termino sa equation na ito ay higit na malaki kaysa sa una, upang maaari naming huwag pansinin RE upang makakuha infor-
(29)
Ang equation na ito ay maaaring maging mas pinasimple kung umiiral ang sumusunod na kundisyon:
(30)
Sa kasong iyon, mayroon kaming simpleng resulta
(31)
Samakatuwid, kung ang lahat ng mga approximations ay may-bisa, RTH ay malayang ng β at ang halaga nito ay masyadong malaki.
1.4 Differential Amplifier na may Single-Ended Input and Output
Ang Figure 4 ay nagpapakita ng isang kaugalian amplifier kung saan ang ikalawang input, v2, ay nakatakda katumbas ng zero at ang output ay kinuha bilang vo1.
Gumagamit kami ng isang pare-pareho ang kasalukuyang pinagkukunan sa lugar ng REE, tulad ng tinalakay sa nakaraang seksyon. Ito ay kilala bilang isang single-ended input at output amplifier na may phase reversal. Ang amplifier ay sinusuri sa pamamagitan ng pagtatakda v2 = 0 sa mga naunang equation. Ang pagkakaiba ng input ay pagkatapos lamang
(32)
kaya ang output ay
(33)
Figure 4 - Single-ended input na may phase reversal
Ang minus sign ay nagpapahiwatig na ang amplifier na ito ay nagpapakita ng isang 180o phase shift sa pagitan ng output at input. Ang isang karaniwang sinusoidal na input at output ay isinalarawan sa Figure 5.
Figure 5 - Sinusoidal input at output
Kung ang isang output signal ay na-reference sa lupa ngunit ang isang bahagi pagkabaligtad ay hindi ninanais, ang output ay maaaring kinuha mula sa transistor Q2.
Halimbawa 1 - Pagkakaiba ng Amplifier (Pagsusuri)
Hanapin ang kaugalian boltahe makakuha, ang karaniwang-mode boltahe makakuha, at ang CMRR para sa circuit na ipinapakita sa Figure 1. Ipagpalagay na Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT = 26 mV, at REE = 25 kΩ. Hayaan v2 = 0 at kunin ang output mula sa vo2.
solusyon: Ang kasalukuyang REE ay matatagpuan sa katahimikan kondisyon. Dahil ang batayan ng Q2 ay pinagbabatayan, ang boltahe ng emitter ay VBE = 0.7 V, at
Ang katahimikan kasalukuyang sa bawat transistor ay kalahati ng halagang ito.
Dahil sa
ang kaugalian boltahe makakuha sa bawat transistor ay
Ang pangkaraniwang mode na boltahe ay nakuha
Pagkatapos ay ibinigay ng ratio ng common-mode rejection
APLIKASYON
Gayundin, maaari mong isagawa ang mga kalkulasyon na ito gamit ang TINA o TINACloud circuit simulators, gamit ang kanilang Interpreter tool sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba.
1- Kaparehong Amplifier Circuit Simulation
Halimbawa 2
Para sa kaugalian amplifier na inilarawan sa Halimbawa 1, mag-disenyo ng isang temperatura-bayad na fixed-bias kasalukuyang pinagmulan (Figure 3) upang palitan REE at matukoy ang bagong CMRR para sa kaugalian amplifier, may ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V, at β = 100. Ipagpalagay R1 = R2.
solusyon: Inilalagay namin ang operating point ng transistor sa gitna ng dc load line.
Pagkatapos, tumutukoy sa kasalukuyang pinagmumulan ng Figure 3 (a),
Para sa matatag na katatagan,
pagkatapos
Dahil 0.1RE>>re (ibig sabihin, 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), pagkatapos ay mula sa Equation (31) mayroon kami
Ang CMRR ay ibinigay ng
APLIKASYON
Gayundin, maaari mong isagawa ang mga kalkulasyon na ito gamit ang TINA o TINACloud circuit simulators, gamit ang kanilang Interpreter tool sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba.
2- Kaparehong Amplifier Circuit Simulation
Halimbawa 3
Magdisenyo ng isang circuit upang makamit ang mga kondisyon tulad ng tinukoy sa Figure 6 para sa pinakamataas na swing boltahe ng output. Ang limang transistors, Q1 sa Q5, bawat isa ay may β = 100 habang Q6 May-A β ng 200. VBE ay 0.6 V para sa lahat ng transistors, VT = 26 mV, at VA = 80 V. Ipagpalagay na ang lahat ng mga transistors ay magkapareho.
Tukuyin,
(A) RC, R1, at CMRR.
(b) Karaniwang mode boltahe output.
(c) kaugalian-mode output boltahe.
(d) kaugalian-mode input boltahe vdi para sa maximum na output.
Figure 6 - Differential amplifier para sa Halimbawa 3
solusyon: Dapat nating ituring ang circuit sa tatlong seksyon:
- 1. Darlington amplifier.
- 2. Differential amplifier
- 3. Simple kasalukuyang pinagmulan
Ngayon para sa kabuuang sistema, mayroon kami
Ang kaugalian na input vdi kinakailangan upang makabuo ng maximum undistorted output boltahe indayog ay
APLIKASYON
Gayundin, maaari mong isagawa ang mga kalkulasyon na ito gamit ang TINA o TINACloud circuit simulators, gamit ang kanilang Interpreter tool sa pamamagitan ng pag-click sa link sa ibaba.
3- Kaparehong Amplifier Circuit Simulation