1. Diferansiyel Yükselteçler

Diferansiyel Yükselteçler

İşlemsel yükselteçlerin çoğu, tek bir yonga üzerinde komple bir sistem oluşturan bir dizi transistör, direnç ve kondansatörden oluşur. Günümüzde mevcut amplifikatörler güvenilir, küçük boyutlu ve çok az güç tüketiyor.

Çoğu op-amp'in giriş aşaması bir D'dir.farklılaştırılmış yükselteç Şekil 1'teki en basit haliyle gösterildiği gibi.

Diferansiyel Yükselteçler, Pratik işlemsel yükselteç, devre simülasyonu, devre simülatörü, devre tasarımı,

Şekil 1 - Diferansiyel yükselteç

Diferansiyel amplifikatör, iki verici-bağlı ortak-yayıcıdan oluşur. dc yükselteçler. İki girişi vardır, v1 ve v2ve üç çıktı, vo1, vo2 ve vdışarı. Üçüncü çıktı vdışarıarasındaki fark vo1 ve vo2.

1.1 dc Transfer Karakteristikleri

Diferansiyel yükselteç, büyük sinyal girişleriyle doğrusal olarak çalışmaz. Analizi basitleştirmek için RE'nin büyük olduğunu, her transistörün taban direncinin önemsiz olduğunu ve her transistörün çıkış direncinin büyük olduğunu varsayıyoruz. Burada kullanılan direnç büyük olduğundan ve bir akım kaynağının eşdeğer direnci olabileceğinden, diferansiyel yükselticide RE yerine REE kullandığımızı unutmayın. Yüksek REE değeri, yayıcı direnç voltajının düşmesini neredeyse sabit tutar.
Şimdi bu devreyi çıkış gerilimi için çözüyoruz. Şekil 1'in devresi için temel bağlantı halkası etrafına bir KVL denklemi yazarak başlıyoruz.

(1)

(2)

Kollektör akımları için ifadeler bulmamız gerekiyor. iC1 ve iC2. Baz yayıcı gerilimler denklem tarafından verilir,

Denklem İçinde (2) Io1 ve Io2 ters doygunluk akımları Q1 ve Q2 sırasıyla. Transistörlerin aynı olduğu varsayılmaktadır. Denklemlerin (1) ve (2) verimlerinin birleştirilmesi

(3)

Mevcut oran için Denklem Çözümü (3),

(4)

Varsayabiliriz iC1 yaklaşık olarak eşittir iE1 ve iC2 yaklaşık olarak eşittir iE2. bu nedenle

(5)

Denklemler (4) ve (5) birleştirildiğinde,

(6)

Bunu not et

(7)

Denklem (6) görüntülenerek önemli bir gözlem yapılabilir. Eğer v1 - v2 birkaç yüz mili volttan daha büyük hale gelir, 2 transistöründeki kollektör akımı küçülür ve transistör esasen kesilir. 1 transistöründeki kollektör akımı yaklaşık olarak iEEve bu transistör doymuş. Kolektör akımları ve dolayısıyla çıkış voltajı vdışarı, iki giriş gerilimi arasındaki farktan bağımsız hale gelir.

Doğrusal amplifikasyon sadece yaklaşık 100 mV'den düşük giriş voltajı farkları için oluşur. Giriş voltajının doğrusal aralığını artırmak için, küçük yayıcı dirençler eklenebilir.

1.2 Ortak Mod ve Diferansiyel Mod Kazançları

Diferansiyel kuvvetlendirici sadece iki giriş gerilimi arasındaki farka cevap vermek içindir, v1 ve v2. Bununla birlikte, pratik bir op-amp'te çıkış, bu girişlerin toplamına bir dereceye kadar bağlıdır. Örneğin, her iki giriş de eşitse, çıkış voltajı ideal olarak sıfır olmalıdır, ancak pratik bir amplifikatörde değildir. Devre farkı olarak yanıt verdiğinde, durumu etiketleriz. diferansiyel mod. İki giriş eşit yapılırsa, devrenin kendi içinde olduğunu söyleriz. ortak mod. İdeal olarak, devrenin yalnızca diferansiyel modda bir çıkış üretmesini bekleriz.

İki giriş gerilimi, v1 ve v2, ortak ve diferansiyel bir parça olarak çözülebilir. İki yeni giriş voltajını şu şekilde tanımlarız:

(8)

Voltaj, vdi, diferansiyel mod giriş gerilimidir ve sadece iki giriş gerilimi arasındaki farktır. Voltaj, vci, ortak mod giriş voltajıdır ve iki giriş voltajının ortalamasıdır. Orijinal girdi voltajları, bu yeni miktarlarla aşağıdaki gibi ifade edilebilir:

(9)

İki giriş voltajını eşit olarak ayarlarsak,

(10)

İki giriş eşit olduğundan, verici-temel bağlantı voltajları aynıdır (eğer transistörler aynıysa). Bu nedenle, toplayıcı akımları da aynı olmalıdır.

Diferansiyel Yükselteçler, devre simülasyonu, devre simülatörü, devre tasarımı, pratik op-amper

Şekil 2 (a) Diferansiyel mod yükseltici eşdeğer devresi

Şimdi, Şekil 2 (a) 'da gösterildiği gibi diferansiyel mod giriş voltajı için eşdeğer devreyi görüyoruz. İçindeki akım olarak Q1 devre artar, akım Q2 devre aynı oranda ve genlikte azalır. Bu girişten bu yana doğrudur. Q2 buna eşit Q1 ama 180o faz dışı. Böylece voltaj arasında değişim REE sıfır. Beri ac sinyal voltajı REE sıfır olduğunda, kısa devre ile değiştirilebilir. ac eşdeğer devre. Her transistör tabanına, amplitüdle eşit fakat 180'e eşit voltaj yerleştirmenino faz dışı, genliğin iki katı olan iki transistör tabanı arasına voltaj yerleştirmeye eşdeğerdir. Voltajları vo1 ve vo2 eşit genlikli fakat zıt fazda ve diferansiyel mod kazancı

(11)

Bu diferansiyel mod kazancı, bir tek uçlu çıktı bir toplayıcı ile zemin arasında alındığından. Çıktı alınsa vo1 ve vo2, diferansiyel mod kazancı bir çift ​​uçlu çıkış ve tarafından verilir

(12)

Benzer bir analiz, Şekil 2 (b) 'deki ortak mod eşdeğer devresine uygulanabilir.

Diferansiyel Yükselteçler, devre simülasyonu, devre simülatörü, devre tasarımı, pratik op-amper

Şekil 2 (b) Ortak mod amplifikatör eşdeğer devresi

Direnci bölersek REE her biri orijinal direncin iki katı olan iki paralel dirençte, devrenin sadece yarısını analiz ederek çıktıyı bulabiliriz. Transistörler aynı olduğundan ve ortak mod giriş voltajları eşit ve faz içi olduğundan, 2 üzerindeki voltajlarREE dirençler aynıdır. Bu nedenle, gösterilen iki paralel direnç arasındaki akım sıfırdır ve devrenin sadece bir tarafına bakmamız gerekir. Ortak mod voltaj kazancı o zaman

(13)

Denklem (13) varsayılır REE büyük ve re<<REE.

Çift uçlu çıkış voltajını, ortak mod ve diferansiyel mod kazancı cinsinden aşağıdaki gibi buluyoruz:

(14)

Diferansiyel mod kazancının genel mod kazanımdan çok daha büyük olması arzu edilir, böylece amplifikatör öncelikle giriş gerilimleri arasındaki farka tepki gösterir. ortak mod reddetme oranı, CMRR, diferansiyel mod kazancının genel mod kazancı oranına oranı olarak tanımlanır. Genellikle dB olarak ifade edilir.

(15)

Şimdi amplifikatörün giriş direncini hem diferansiyel modda hem de ortak modda belirliyoruz. Diferansiyel mod için, her iki transistörün tabanında amplifikatöre bakarız. Bu, her iki transistörün vericisi üzerinden tam bir devre ile sonuçlanır ve giriş direnci,

(16)

Şimdi ortak mod girişi için, Şekil 2 (b) 'deki amplifikatöre bakıyoruz. Böylece, giriş direnci

(17)

Bu sonuçlar ortak modun giriş direncinin diferansiyel moddan çok daha yüksek olduğunu göstermektedir.

Diferansiyel amplifikatör analizimiz, transistör yapı taşları olarak BJT'lere dayanmaktadır. FET'ler ayrıca azaltılmış giriş yanlılığı akımı ve neredeyse sonsuz giriş empedansı ile ortaya çıkan avantajları olan diferansiyel yükselteçlerde de kullanılabilir. FET'ler kullanılarak diferansiyel yükselticinin analizi, BJT analiziyle aynı şekilde yapılır.

Diferansiyel yükselteçlerin, devrenin doğru çalışmasını sağlamak için uygun transistörlere ihtiyacı vardır. Diferansiyel kuvvetlendirici entegre bir devre üzerindeyse, bu ilave gereklilik daha az problem teşkil eder, çünkü iki transistör aynı malzemeyi kullanarak aynı anda üretilir.

Sabit Akım Kaynaklı 1.3 Diferansiyel Amplifikatör

Yapmak arzu edilir REE ortak mod çıkışını azaltmak için mümkün olduğunca büyük. Denklem, CMRR'yi büyütmek için yapmamız gerektiğini gösteriyor REE büyük. IC rezistanslarında büyük dirençlerin üretilmesi zor olduğu için alternatif bir yaklaşım arıyoruz. Bu değiştirerek gerçekleştirilir REE Birlikte dc akım kaynağı. İdeal bir akım kaynağının sonsuz empedansı vardır, bu nedenle değiştirme olasılığını araştırıyoruz REE böyle bir akım kaynağıyla. Şekil 9.3, direncin, REE, bir sabit akım kaynağıyla değiştirilir.

(18)

Kaynak ideal sabit akım kaynağına ne kadar yakınsa, ortak mod reddetme oranı o kadar yüksek olur. Diyotla dengelenmiş bir sabit önyargı akım kaynağı gösteriyoruz. Kompanzasyon, devrenin çalışmasını sıcaklık değişikliklerine daha az bağımlı hale getirir. Diyot D1 ve transistör Q3 çalışma sıcaklıkları aralığında neredeyse aynı özelliklere sahip olacak şekilde seçilirler.
Şekil 3 (a) 'nın devrelerini analiz etmek ve CMRR'yi bulmak için eşdeğer direnci belirlememiz gerekir, RTH (Sabit akım kaynak devresinin Thevenin eşdeğeri). Eşdeğer direnç [bakınız Şekil 3 (b)]

1 düğümünde bir KCL denklemi yazarken,

(19)

nerede ro Transistörün belirtilen çalışma noktasında dahili direncidir. Tarafından verilir

(20)

Diferansiyel Yükselteçler, devre simülasyonu, devre simülatörü, devre tasarımı, pratik op-amper

Şekil 3 - Sabit akım kaynağına sahip diferansiyel amplifikatör

2 düğümündeki bir KCL denklemi verir

(21)

nerede

(22)

ikame v1 ve v2 2 düğümündeki denklemde,

(23)

Son olarak, Thevenin direnci, Denklem (22) ve (23) Denklem (18) ile ikame edilerek verilir.

(24)

Şimdi bu ifadeyi büyük ölçüde basitleştirmek için bir dizi varsayımda bulunacağız. Önyargı kararlılığını korumak için, şu

(25)

Bu değeri değiştiriyor RB Denklem (24) içinde ve bölü β, sahibiz

(26)

Bu ifadeyi not alarak basitleştirebiliriz.

(27)

Biz sonra

(28)

Bu denklemdeki ikinci terim birinciden çok daha büyük olduğundan, görmezden gelin RE elde edilmesi için

(29)

Aşağıdaki koşul varsa, bu denklem daha da basitleştirilebilir:

(30)

Bu durumda, basit bir sonuç elde ettik.

(31)

Dolayısıyla, tüm yaklaşımlar geçerliyse, RTH bağımsız β ve değeri oldukça büyük.

Tek Uçlu Giriş ve Çıkışlı 1.4 Diferansiyel Amplifikatör

Şekil 4, ikinci girişin, v2, sıfıra eşit olarak ayarlanır ve çıkış vo1.

Yerine sabit bir akım kaynağı kullanıyoruz REEönceki bölümde tartışıldığı gibi. Bu bir Faz ters çevrimli tek uçlu giriş ve çıkış amplifikatörü. Amplifikatör ayarlayarak analiz edilir v2 = Önceki denklemlerde 0. Diferansiyel giriş daha sonra basit

(32)

yani çıktı

(33)

Diferansiyel Yükselteçler, devre simülasyonu, devre simülatörü, devre tasarımı, pratik op-amper

Şekil 4 - Faz ters çevrimli tek uçlu giriş

Eksi işareti, bu yükselticinin bir 180 gösterdiğini gösteriro çıkış ve giriş arasındaki faz kayması. Tipik bir sinüzoidal giriş ve çıkış, Şekil 5'te gösterilmektedir.

Şekil 5 - Sinüzoidal giriş ve çıkış

Bir çıkış sinyali toprağa referans verilecekse ancak faz tersine çevrilmesi istenmiyorsa, çıkış transistörden alınabilir Q2.

Örnek 1 - Diferansiyel Yükseltici (Analiz)

Şekil 1'te gösterilen devre için diferansiyel voltaj kazancını, ortak mod voltaj kazancını ve CMRR'yi bulun. Farz et Ri = 0, RC = 5 kΩ, VEE = 15 V, VBE = 0.7 V, VT = 26 mV ve REE = 25 kΩ. let v2 = 0 ve çıktıyı al vo2.

Çözüm: Üzerinden akım REE sakin durumda bulunur. Üssünden beri Q2 topraklanmıştır, yayıcı voltajı VBE = 0.7 V ve

Her transistördeki sakin akım bu miktarın yarısı kadardır.

Dan beri

her transistördeki diferansiyel voltaj kazancı

Ortak mod voltaj kazancı

Ortak mod reddetme oranı daha sonra

BAŞVURUSU

Ayrıca, bu hesaplamaları TINA veya TINACloud devre simülatörleri ile Tercüman aracını kullanarak aşağıdaki linke tıklayarak yapabilirsiniz.

1- Diferansiyel Amplifikatör Devresi Simülasyonu

Örnek 2

Örnek 1'te açıklanan diferansiyel amplifikatör için, değiştirilecek sıcaklığa karşı dengeli bir sabit taraflı akım kaynağı (Şekil 3) tasarlayın REE ve diferansiyel yükseltici için yeni CMRR'yi belirlemek, ro = 105 kΩ, VBE = 0.7 V ve β = 100. üstlenmek R1 = R2.

Çözüm: Transistörün çalışma noktasını ortasına yerleştiririz. dc yük hattı.

Ardından, Şekil 3 (a) 'nın mevcut kaynağına bakarak,

Önyargı kararlılığı için,

Sonra

0.1 yanaRE>>re (yani, 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω), sonra Denklem (31) 'den

CMRR tarafından verilir

BAŞVURUSU

Ayrıca, bu hesaplamaları TINA veya TINACloud devre simülatörleri ile Tercüman aracını kullanarak aşağıdaki linke tıklayarak yapabilirsiniz.

2- Diferansiyel Amplifikatör Devresi Simülasyonu

Örnek 3

Maksimum çıkış voltajı dönüşü için Şekil 6'te belirtilen koşullara ulaşmak için bir devre tasarlayın. Beş transistör, Q1 için Q5her biri var β = 100 Q6 Sahiptir-A β 200 evi. VBE Tüm transistörler için 0.6 V, VT = 26 mV ve VA = 80 V. Tüm transistörlerin aynı olduğunu varsayalım.

belirleyin,

(A) RC, R1ve CMRR.

(b) Ortak mod çıkış voltajı.

(c) Diferansiyel mod çıkış voltajı.

(d) Diferansiyel mod giriş Voltaj vdi maksimum çıkış için.

Diferansiyel yükselteç, pratik op-amp, devre simülasyonu, devre tasarımı

Şekil 6 - Örnek 3 için Diferansiyel yükselteç

Çözüm: Devreye üç bölümden bahsedeceğiz:

  • 1. Darlington yükselticisi.

Darlington yükselteç

  • 2. Diferansiyel amplifikatör

Diferansiyel amplifikatör

  • 3. Basit akım kaynağı

Şimdi toplam sistem için

Diferansiyel giriş vdi maksimum bozulmamış çıkış voltajı dönüşü üretmek için gerekli olan


BAŞVURUSU

Ayrıca, bu hesaplamaları TINA veya TINACloud devre simülatörleri ile Tercüman aracını kullanarak aşağıdaki linke tıklayarak yapabilirsiniz.

3- Diferansiyel Amplifikatör Devresi Simülasyonu