Диференціальні підсилювачі-ресурси TINA та TINACloud

Диференціальні підсилювачі

Більшість операційних підсилювачів складаються з ряду транзисторів, резисторів і конденсаторів, що утворюють повну систему на одному чіпі. Наявні сьогодні підсилювачі є надійними, малими за розмірами і споживають дуже мало енергії.

Вхідний етап більшості оп-ампер є Differential Amplifier як показано в найпростішій формі на малюнку 1.

Диференціальні підсилювачі, Практичний операційний підсилювач, моделювання схеми, симулятор схеми, схемотехніка,

Малюнок 1 - Диференціальний підсилювач

Диференціальний підсилювач складається з двох емітерно-зв'язаних спільних емітерів dc підсилювачі. Він має два входи, v₁ та v₂і три виходи, v_o1, v_o2 та v_з. Третій вихід, v_з, це різниця між v_o1 та v_o2.

Характеристики передачі постійного струму 1.1

Диференціальний підсилювач не працює лінійно з великими вхідними сигналами. Для спрощення аналізу ми припускаємо, що RE велика, що базовий опір кожного транзистора незначний і що вихідний опір кожного транзистора є великим. Зауважимо, що ми використовуємо REE, а не RE в диференціальному підсилювачі, оскільки використовуваний тут резистор великий і може бути еквівалентним опором джерела струму. Велике значення РЗЕ зберігає падіння напруги емітерного резистора майже постійним.
Тепер вирішимо цю схему для вихідної напруги. Почнемо з написання рівняння КВЛ навколо петлі базового переходу для схеми з малюнка 1.

(1)

(2)

Нам потрібно знайти вирази для струмів колектора, i_C1 та i_C2. Напруги базового емітера задаються рівнянням,

У рівнянні (2) I_o1 та I_o2 є зворотним струмом насичення для Q₁ та Q₂ відповідно. Передбачається, що транзистори ідентичні. Поєднує рівняння (1) і (2)

(3)

Розв'язуючи рівняння (3) для поточного співвідношення, ми знаходимо,

(4)

Можна припустити i_C1 приблизно дорівнює i_E1 та i_C2 приблизно дорівнює i_E2. Тому

(5)

Об'єднання рівнянь (4) і (5), ми маємо

(6)

Зверніть увагу, що

(7)

Важливе спостереження може бути зроблено шляхом перегляду рівняння (6). Якщо v₁- v₂ стає більше декількох сотень міллівольт, струм колектора в транзисторі 2 стає малим і транзистор по суті обрізається. Струм колектора в транзисторі 1 приблизно дорівнює i_EE, і цей транзистор насичений. Струми колектора, а отже вихідна напруга v_з, стають незалежними від різниці між двома вхідними напругами.

Лінійне посилення відбувається тільки для відмінностей вхідної напруги менше, ніж приблизно 100 мВ. Для збільшення лінійного діапазону вхідної напруги можуть бути додані малі резистори емітера.

1.2 загальнодоступний та диференційний режим

Диференціальний підсилювач призначений для реагування тільки на різницю між двома вхідними напругами, v₁ та v₂. Однак у практичному операційному підсилювачі вихід залежить певною мірою від суми цих входів. Наприклад, якщо обидва входи однакові, вихідна напруга в ідеалі повинна бути нульовою, але в практичному підсилювачі її немає. Ми позначаємо випадок, коли схема відповідає різниці як диференціальний режим. Якщо два входи робляться рівними, ми говоримо, що схема знаходиться в її загальний режим. В ідеалі ми очікуємо, що схема буде виробляти вихід тільки в диференціальному режимі.

Будь-які два вхідних напруги, v₁ та v₂, можуть бути вирішені в загальну і диференційну частину. Визначимо два нових вхідних напруги:

(8)

Напруга, v_di, це вхідна напруга диференціального режиму і це просто різниця між двома вхідними напругами. Напруга, v_ci, є вхідним напругою спільного режиму, і це середнє значення двох вхідних напруг. Вихідні вхідні напруги можуть бути виражені в термінах цих нових величин наступним чином:

(9)

Якщо встановити два вхідних напруги рівними, то маємо

(10)

Оскільки два входи однакові, напруги сполучення емітер-база рівні (якщо транзистори ідентичні). Таким чином, струми колектора також повинні бути ідентичними.

Диференціальні підсилювачі, схемотехнічне моделювання, симулятор схеми, схемотехніка, практичні оп-підсилювачі

Рисунок 2 (a) Диференціальний режим підсилювача еквівалентної схеми

Тепер розглянемо еквівалентну схему для вхідної напруги диференціального режиму, як показано на малюнку 2 (a). Зверніть увагу, що як струм в Q₁ схема збільшується, струм в Q₂ Схема зменшується з однаковою швидкістю і амплітудою. Це справедливо з часу введення в Q₂ дорівнює одиниці Q₁ але 180^o поза фазою. При цьому напруга змінюється поперек R_EE дорівнює нулю. З тих пір ac напруга сигналу поперек R_EE дорівнює нулю, його можна замінити коротким замиканням в ac еквівалентна схема. Зауважимо, що розміщення напруг на кожній базі транзистора, які рівні за амплітудою, але 180^o поза фазою еквівалентно розміщенню напруги між двома транзисторними основами в два рази більше амплітуди. Напруга на v_o1 та v_o2 мають однакову амплітуду, але протилежну фазу і коефіцієнт посилення диференціального режиму

(11)

При цьому коефіцієнт посилення диференціального режиму визначається при a односторонній вихід оскільки вона береться між одним колектором і землею. Якщо вихід приймається між v_o1 та v_o2, коефіцієнт посилення диференціального режиму називається a двосторонній вихід і дається

(12)

Аналогічний аналіз може бути застосований до еквівалентної схеми загального режиму на малюнку 2 (b).

Рисунок 2 (b) Еквівалентна схема підсилювача спільного режиму

Якщо розділити резистор R_EE на два паралельних резистора, кожен з яких має подвійний вихідний опір, ми можемо знайти вихід, аналізуючи лише половину схеми. Оскільки транзистори ідентичні, а вхідні напруги загального режиму рівні, а синфазні, напруги через 2R_EE резистори однакові. Таким чином, струм між двома паралельними резисторами, показаними для, дорівнює нулю, і ми повинні тільки дивитися на одну сторону схеми. Потім підсилюється напруга в режимі спільного режиму

(13)

Рівняння (13) припускає R_EE великий і r_e<<R_EE.

Знайдемо двовимірну вихідну напругу в умовах спільного режиму та коефіцієнта посилення диференціального режиму наступним чином:

(14)

Бажано, щоб коефіцієнт посилення диференціального режиму був набагато більшим, ніж коефіцієнт підсилення загального режиму, так що підсилювач реагує в першу чергу на різницю між вхідними напругами. The коефіцієнт відхилення загального режиму, CMRR, визначається як відношення коефіцієнта підсилення диференціального режиму до коефіцієнта підсилення загального режиму. Зазвичай це виражається в дБ.

(15)

Тепер визначимо вхідний опір підсилювача як в диференціальному режимі, так і в загальному режимі. Для диференціального режиму ми розглянемо підсилювач на базі обох транзисторів. Це призводить до повної схеми через емітер обох транзисторів, а вхідний опір -

(16)

Тепер для спільного режиму введення ми розглянемо підсилювач на малюнку 2 (b). Таким чином, вхідний опір становить

(17)

Ці результати показують, що вхідний опір загального режиму набагато вище, ніж у диференціального режиму.

Наш аналіз диференційного підсилювача базується на BJT як транзисторних будівельних блоках. Польові транзистори можуть також використовуватися в диференціальних підсилювачах, що призводить до зниження струму вхідного зміщення і майже нескінченного вхідного опору. Аналіз диференціального підсилювача з використанням FETs здійснюється так само, як і BJT-аналіз.

Диференціальні підсилювачі потребують відповідних транзисторів, щоб гарантувати, що схема працює правильно. Якщо диференціальний підсилювач знаходиться на інтегральній схемі, ця додаткова вимога є меншою проблемою, оскільки два транзистори виготовляються одночасно з використанням одного і того ж матеріалу.

Диференціальний підсилювач 1.3 з постійним джерелом струму

Бажано зробити R_EE якомога більше для зменшення виходу спільного режиму. Рівняння показує, що для того, щоб зробити CMRR великим, ми повинні зробити R_EE великі. Оскільки великі опори важко виготовити на мікросхемах IC, ми шукаємо альтернативний підхід. Це здійснюється шляхом заміни R_EE з dc джерело струму. Ідеальний джерело струму має нескінченний опір, тому ми досліджуємо можливість заміни R_EE з таким джерелом струму. Малюнок 9.3 ілюструє диференціальний підсилювач, де резистор, R_EE, замінюється джерелом постійного струму.

(18)

Чим ближче джерело до ідеального джерела постійного струму, тим вище коефіцієнт відхилення спільного режиму. Ми ілюструємо джерело струму з фіксованим зміщенням з компенсацією діода. Компенсація робить роботу схеми менш залежною від температурних змін. Діод D₁ і транзистор Q₃ вибираються таким чином, щоб вони мали майже ідентичні характеристики в діапазоні робочих температур.
Для того, щоб проаналізувати схему на малюнку 3 (a) і знайти CMRR, нам необхідно визначити еквівалентне опір, R_TH (Thevenin еквівалент схеми джерела постійного струму). Еквівалентне опір визначається [див. Малюнок 3 (b)]

Написавши рівняння KCL на вузол 1, у нас є

(19)

де r_o - внутрішній опір транзистора в заданій робочій точці. Це дається

(20)

Диференціальні підсилювачі, схемотехнічне моделювання, симулятор схеми, схемотехніка, практичні оп-підсилювачі

Малюнок 3 - Диференціальний підсилювач з джерелом постійного струму

Рівняння KCL на виході вузла 2

(21)

де

(22)

Підставляючи v₁ та v₂ У рівняння на вузлі 2 ми маємо

(23)

Нарешті, опір Тевеніну дається підстановкою рівнянь (22) та (23) у рівняння (18).

(24)

Тепер ми зробимо ряд припущень, щоб значно спростити цей вираз. Щоб зберегти стабільність ухилу, ми використовуємо це керівництво

(25)

Підставляючи це значення R_B у Рівнянні (24) і поділом на β, ми маємо

(26)

Ми можемо спростити цей вираз, зазначивши

(27)

Ми тоді маємо

(28)

Оскільки другий член в цьому рівнянні набагато більше першого, то можна ігнорувати R_E для отримання

(29)

Це рівняння може бути додатково спрощено, якщо існує наступна умова:

(30)

У цьому випадку ми маємо простий результат

(31)

Отже, якщо всі наближення є дійсними, R_TH не залежить від β і його величина досить велика.

Диференціальний підсилювач 1.4 з одностороннім входом і виходом

На малюнку 4 показано диференціальний підсилювач, де другий вхід, v₂, встановлюється рівним нулю і виводиться як v_o1.

Ми використовуємо джерело постійного струму замість R_EE, про що йшлося у попередньому розділі. Це відомо як a одноконтурний вхідний і вихідний підсилювач з реверсом фази. Підсилювач аналізується за допомогою налаштування v₂= 0 в попередніх рівняннях. Диференціальний вхід тоді просто

(32)

тому вихідний

(33)

Малюнок 4 - Однокомпонентний вхід з реверсом фази

Знак мінуса вказує, що цей підсилювач має 180^o Фазовий зсув між виходом і входом. Типовий синусоїдальний вхід і вихід показані на малюнку 5.

Малюнок 5 - Синусоїдальний вхід і вихід

Якщо вихідний сигнал має посилатися на землю, але розворот фази не потрібний, вихід може бути взято з транзистора Q₂.

Приклад 1 - Диференціальний підсилювач (аналіз)

Знайти коефіцієнт підсилення диференціального напруги, коефіцієнт підсилення загального режиму і CMRR для схеми, показаної на малюнку 1. Припустимо, що R_i = 0, R_C = 5 kΩ, V_EE= 15 V, V_BE= 0.7 V, V_T= 26 мВ, і R_EE = 25 kΩ. Дозволяє v₂ = 0 і виведіть вихід v_o2.

Рішення: Струм через R_EE знаходиться в стані спокою. З бази Q₂ заземлений, напруга емітера V_BE = 0.7 V, і

Ток спокою в кожному транзисторі становить половину цієї суми.

диференціальне посилення напруги в кожному транзисторі

Посилення напруги в спільному режимі

Потім визначається коефіцієнт відхилення загального режиму

ЗАСТОСУВАННЯ

Крім того, ви можете виконати ці розрахунки за допомогою симуляторів схеми TINA або TINACloud, використовуючи їх інтерпретатор, натиснувши на посилання нижче.

Симуляція схеми 1-диференційного підсилювача

Приклад 2

Для диференціального підсилювача, описаного в прикладі 1, сконструюйте джерело струму з фіксованим зміщенням з фіксованим зміщенням (рис. 3) для заміни R_EE і визначають новий CMRR для диференціального підсилювача, с r_o = 105 kΩ, V_BE = 0.7 V, і β = 100. Припустимо R₁ = R₂.

Рішення: Розміщуємо робочу точку транзистора в середині dc навантажувальної лінії.

Потім, посилаючись на поточний джерело малюнка 3 (a),

Для стабільності ухилу

Потім

З 0.1R_E>>r_e (тобто 1.25 кОм >> 26 / 0.57 Ом), то з рівняння (31) маємо

CMRR дається

ЗАСТОСУВАННЯ

Симуляція схеми 2-диференційного підсилювача

Приклад 3

Сконструюйте схему для досягнення умов, визначених на рисунку 6, для максимального коливання вихідної напруги. П'ять транзисторів, Q₁ до Q₅, кожен має β = 100 while Q₆ має β з 200. V_BE 0.6 V для всіх транзисторів, V_T= 26 мВ, і V_A= 80 V. Припустимо, що всі транзистори однакові.