Diferencijalni pojačavač

Diferencijalno pojačalo je vrsta elektronskog pojačala koji pojačava razliku između dva napona, ali ne pojačava posebne napone.^[1]

Teorija

Mnogi elektronski uređaji koriste diferencijalna pojačala interno.

Izlaz idealnog diferencijalnog pojačavača data je:

V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-})

Gde $V_{\text{in}}^{+}$ i $V_{\text{in}}^{-}$ su ulazni naponi i $A_{\text{d}}$ je diferencijalni dobitak.

U praksi, međutim, dobitak nije sasvim jednak za dva ulaza. To znači, na primer, da ako $V_{\text{in}}^{+}$ i $V_{\text{in}}^{-}$ jednaki, izlaz neće biti nula, kao bilo bi u idealnom slučaju. Realnija izraz za izlaz diferencijalnom pojačala tako uključuje drugi mandat.

V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-})+A_{\text{c}}\left({\frac {V_{\text{in}}^{+}+V_{\text{in}}^{-}}{2}}\right)

$A_{\text{c}}$ zove zajednički režim dobitak od pojačala.

Kao diferencijalna pojačala se često koriste za nultu buke ili pristrasnosti-napone koji se pojavljuju na oba ulaza, nisko-zajednički režim dobitak je obično željeni. Zajednički režim odbacivanje odnos (CMRR), obično definiše kao odnos između diferencijal-mode dobit i zajednički-mod pojačanja, ukazuje na sposobnost pojačala za precizno otkaže napone koji su zajednički za oba ulaza. Zajednički režim odbijanje odnos je definisan kao:

\mathrm {CMRR} =10\log _{10}\left({\frac {A_{\mathrm {d} }}{A_{\mathrm {c} }}}\right)^{2}=20\log _{10}\left({\frac {A_{\mathrm {d} }}{|A_{\mathrm {c} }|}}\right)

U savršeno simetričnog diferencijalnog pojačala, $A_{\text{c}}$ je nula i CMRR je beskonačna. Imajte na umu da je diferencijal pojačalo opštiji oblik pojačala nego jedan sa jednim ulazom; uzemljivanjem jedan ulaz diferencijalnog pojačala, a single-ended pojačala rezultate.

Dugo-repni par

Istorijska pozadina

Diferencijalna pojačala se obično sprovodi sa osnovnom kolom zove dugo repom par. Ovo kolo je prvobitno realizovan pomoću par vakuum cevi s. Kolo funkcioniše na isti način za sve tri-terminalnih uređaja sa tekućeg dobitka. Na dugi rep otpornik sklop pristrasnosti tačke su u velikoj meri određuje Omov zakon i manje od aktivnih komponenti karakteristikama.

Dugo repni par je razvijen od ranijeg poznavanja tehnika poguraj-povuci kola i mernih mostova.^[2]^[3] A izgleda da je to trebalo da bude pravi dugo repom par već je objavljen sa greškom crtanje. Najraniji definitivno dugo repom par kola pojavljuje u patenta podnosi Alan Blumlein u 1936 Do kraja 1930-ih topologija je dobro uspostavljena i da su opisani od strane različitih autora, uključujući Offner (1937), Šmit. (1937) i Toennies (1938) i to je posebno koristi za detekciju i merenje fizioloških impulsa. Dugo repomi par se veoma uspešno koristi u ranom britanskom računarstvu, pre svega Pilota ACE model i potomci, Vilks 'EDSAC, a verovatno drugi dizajniran od strane ljudi koji su radio sa Blumlein ili svojih vršnjaka. Dugo repom par ima mnogo atributa kao prekidač: uglavnom imuni na cev (tranzistor) varijacija (od velikog značaja kada mašine sadržane 1.000 ili više cevi), visok dobitak, dobije stabilnost, visoka ulazna impedansa, srednji / nizak izlaz impedanse, dobri Clipper (sa ne-previše-dugog repa), ne-invertujući (EDSAC sadržao nikakve invertora!) i velike oscilacije izlaznog napona. Jedina mana je da izlazni napon ljuljaška (tipično ± 10-20 V) je nametnut visok DC napon (200 V ili tako), zahteva negu u spojnicom signala, obično neki oblik širokog opsega DC spojnicom. Mnogi računari ovom trenutku pokušao da izbegne ovaj problem koristeći samo AC-spojeno puls logiku, koji su ih veoma veliki i složen previše (ENIAC: 18.000 cevi za 20 cifra) ili nepouzdan. DC spojen kola postala norma posle prve generacije vakuum cevi računara.

Konfiguracije

Diferencijalni (dugo belorepni, emiter-zajedno) par pojačala se sastoji od dve fazne dopune sa zajedničkim ( emiterom, izvorom ili katodama) degeneracija.

Diferencijalna izlaz

Slika 2: Klasični dugo repni par

Sa dva ulaza i dva izlaza, ova formira diferencijal pojačala fazu (slika 2). Dve baze (ili mreže ili kapije) su inputi koji se različito Pojačani (oduzeti i umnožava) po paru, oni mogu da se hrani sa diferencijalom (balansirani) ulaznog signala, ili jedan ulaz može biti osnovana da formiraju fazni splitter kola. Pojačavač sa diferencijalnim izlazom može voziti plutajući opterećenje ili drugu fazu sa diferencijalnim ulazom.

Jedno-krajni izlaz

Ako diferencijal izlaz nije poželjna, onda samo jedan izlaz može da se koristi (uzeti iz samo jedne od kolektora (ili anoda ili kanalizaciju), bez obzira na ostale izlaz bez kolektora induktor, ovo konfiguracija se naziva single-ended izlaz. dobitak je upola manji nego u fazi sa diferencijalnom izlazu. Da biste izbegli žrtvujući dobitak, diferencijal za single-ended konvertorom mogu iskoristiti. Ovo se često sprovodi kao ogledalo trenutnog (slika 3).

Operacija

Da objasni operaciju kola, četiri posebna režimi su izolovana dole mada, u praksi, neki od njih deluju istovremeno i njihovi efekti su nametnuti.

Polarizacija

Za razliku od klasičnim amplifikaciju fazama koje su pristrasni sa strane osnove (i tako da su visoko β-zavisni), diferencijalni par direktno pristrasan sa strane na emitera potapanju / ubrizgavanjem ukupnu mirnoj struju. Serija negativna povratna (emiter degeneracija) čini tranzistori se ponašaju kao stabilizatora napona, ona ih primorava da prilagode svoje V_BE naponi (base struje) da polože mirovanja struje kroz kolektor-emitera saobraćajnica. Dakle, zbog negativne povratne, mirana struja zavisi malo od β tranzistora ekipe.

U polarizaciji bazne struje potrebne da evociraju mirovanja sbornika obično dolaze iz zemlje, prolaze kroz izvora ulaznih i unesite baze. Dakle, izvori moraju da budu galvanski (DC) da obezbede putanje za biasing struja i niske otporni dovoljno da ne stvori značajan napona preko njih. Inače, dodatni elementi DC treba da bude povezan između baza i terenu (ili pozitivnog napajanja).

Normalni mod

Na zajedničkom modu (dve ulazne napone promeniti u istim pravcima), dva napona (emitera) sledbenika sarađuju jedni sa drugima, rade zajedno na zajedničkom visoko-otpornom emiteru opterećenja ("dugi rep"). Svi oni zajedno povećavaju ili smanjuju napon zajedničke tačke emitera (figurativno govoreći, oni su zajedno „povući“ ili „sruši“ to tako da se kreće). Pored toga, dinamičko opterećenje „pomaže“ da tako menja svoju instant Omsko otpor u istom pravcu kao ulazni napon (što se povećava kada napon povećava i obrnuto). Tako držeći se konstantnog ukupnog otpora između dve šine snabdevanja. Postoji puna (100%) negativna povratna; dve ulazne baze napona i promena emitera napona istovremeno dok se kolektor struje i ukupna struja se ne menjaju. Kao rezultat toga, izlazni kolektor napona se ne menja.

Diferencijalni režim

Normalno. U diferencijalnom modu (dve ulazne napone promeniti u suprotnim pravcima), dva naponska (emitera) sledbenika se suprotstavljaju jedni drugom - dok jedan od njih pokušava da poveća napon zajedničke emiterske tačke, drugi pokušava da ga smanji (figurativno govoreći, jedna od njih „vuče gore“ zajedničku tačku, a drugi „vuče dole“ to tako da ona ostaje nepokretna). Dakle, zajednička tačka ne menja napon, on se ponaša kao [ [virtuelni teren]] sa magnitudom određen od strane istofaznih ulaznih napona. Emiter elementa visoko-otpornih ne igra nikakvu ulogu, jer se manevriše po drugom niskom-otpornom emiteru sledbenika. Ne postoji negativna povratna od emitera napona, ne menja se uopšte kada su ulazni naponi baza promenjeni. Zajednički miran struja snažno usmerava između dva tranzistora i izlazni naponi kolektor energično promeniti. Dva tranzistori međusobno mleveni svoje emitere, tako, iako su zajednički kolektor- faze, oni zapravo deluju kao zajednički emiter- faze sa maksimalnim dobitkom. Predrasuda stabilnost i nezavisnost od varijacija u parametara uređaja može se poboljšati negativne povratne uveden preko katoda / emitera otpornika sa relativno malim otporima. Potrošen. Ako ulazni napon menja diferencijal značajno (više od oko stotinu millivolts), baza-emiter spoj tranzistora vozio donjeg ulaznog napona postaje unazad pristrasan i njegov kolekcionarni napon dostiže pozitivna šina napajanja . Drugi tranzistor (vođen višim ulaznog napona) prožima i njen napon kolektor počinje nakon unosa jedan. Ovaj režim se koristi u diferencijalnih sklopki i ECL kapije. Slomljen. Ako ulazni napon nastavlja povećava i prelazi bazu-emiter probojnog napona, baza-emiter spoj tranzistora vozio donjeg ulaznog napona pokvari. Ako su ulazni izvori su niske rezistivni, neograničen struja će teći direktno preko „mosta“ između diode dva ulaza izvora i da će ih oštetiti. Na zajedničkom modu, emiter napon prati varijacije ulaznog napona, postoji puno negativne povratne sprege i dobitak je minimalan. U diferencijalnoj modu, emiter napon je fiksni (jednak ovom zajedničkom ulaznog napona); nema negativne povratne sprege i dobitak je maksimalan.

Jedno-krajni ulaz

Diferencijalni par se može koristiti kao pojačavač sa jednim-završene ulaz ukoliko jedan od ulaza osnovana ili fiksiran za referentnog napona (obično, drugi kolektor se koristi kao jedan-ended izlaz) Ovo može biti misli od . kaskadna zajednički kolektor-baza i zajednički-faze ili kao zajednički puferovanim-bazne fazi Emiter-zajedno pojačalo kompenzuje temperaturne nanosima, V_BE je otkazan, a Miler efekat i tranzistor zasićenje se izbeći. Zato se koristi za formiranje Emitter-zajedno pojačala (izbegavajući Miller efekat), faza spliter kola (dobijanje dva inverzni napon), ECL kapije i prekidači (izbegavajući tranzistor zasićenje), itd

Poboljšanja

Odašiljač stalanog izvora struje

Figura 3: Poboljšani dugo repni par sa strujnim-ogledalom opterećenja i konstantne struje polarizacije

Miran struja mora da bude konstantna da obezbedi konstantne napone kolektora na zajedničkom modu. Ovaj uslov nije toliko važno u slučaju diferencijalni izlaz, jer su dva kolektora naponi će istovremeno varirati, ali njihova razlika (izlazni napon) neće varirati, samo izlaz opseg će se smanjiti. Ali, u slučaju single-ended izlaza, to je izuzetno važno da se zadrži konstantan struju jer izlazni napon kolektor će se razlikovati. Tako veća otpornost na strujni izvor $R_{\text{e}}$ , donji $A_{\text{c}}$ je, a bolje CMRR. Konstantna struja potrebna može se proizvesti povezivanjem element (otpornik) sa veoma visokom otpornošću između deljene emiter čvora i pruge snabdevanja (negativna za NPN i PNP tranzistora pozitivan za), ali to će zahtevati visok napon napajanja. Zato je, u više sofisticiranim dizajnom, element sa visoke diferencijal (dinamički) otpor približavanju a Constant Current Izvor / hladnjaka je zamenjen za dugi rep (slika 3). Obično se sprovodi od strane tekućeg ogledalu zbog visokog napona usaglašenosti (mali pad napona preko izlaznog tranzistora).

Isti aranžman je u širokoj upotrebi u cascode kola kao dobro. Može se generalizovati od strane ekvivalentnog kolo se sastoji od konstantne struje izvor utovara po dva povezan u paralelnim izvora napona sa jednakim naponima. Sadašnji izvor određuje zajedničku struju koja teče kroz izvora napona, dok su izvori napona popraviti napon preko tekućeg izvora. Emiter izvor struje se obično sprovodi kao zajednički emiter tranzistora-fazi sa konstantnim napon baza vožnje sa aktuelnim dva zajednička baza tranzistora faze. Dakle, ovaj aranžman može se smatrati kao cascode sastoji od kaskadnih zajednički-emitera i zajednički-baznih fazama.

Kolektor strujnog ogledalo

Kolektor otpornici mogu biti zamenjen trenutnom ogledalo, čija je proizvodnja deo deluje kao aktivnog opterećenja (slika 3). Tako diferencijalni kolektor strujni signal se konvertuje jedan ended napona signal bez unutrašnjih 50% gubitaka i dobitak je izuzetno povećava. To se postiže kopiranjem ulazni kolektor struje sa desne na levu stranu, gde se veličine dve ulaznih signala dodati. Za ovu svrhu, ulaz tekuće ogledala je povezan sa desne izlaz i izlaz trenutnog ogledala je povezan sa leve izlaz diferencijalnog pojačavača.

Sadašnji ogledalo invertuje desni kolektor struje i pokušava da ga prođe kroz levu tranzistora koji proizvodi struju kolektora levi. U srednjem tački između dve leve tranzistora, struje dva signala (tekuće promene) su oduzeti. U ovom slučaju (diferencijal ulaznog signala), oni su jednaka i suprotna. Dakle, razlika je duplo pojedinačni signal struje (ΔI - (-ΔI) = 2ΔI) i diferencijal za single ended konverzije je završena bez gubitaka gain.

Povezivanje razmatranja

Putujući ulazni izvor

To je moguće povezati plutajući izvor između dve baze, ali je neophodno da se obezbedi putanje za biasing osnovnih struja. U slučaju galvanske izvora, samo jedan otpornik mora da bude povezan između jedne od baza i terenu. Biasing struja će direktno ući ovu bazu i indirektno (preko ulaznog izvora) onu drugu. Ako izvor je kapacitivni, dva otpornici moraju biti povezani između dve baze i zemlju da obezbedi različite putanje za bazne struje.

Ulazna / izlazna impedansa

Ulazna impedansa diferencijalnog para veoma zavisi od režima za unos. Na zajedničkom modu, dva dela se ponašaju kao zajednički kolektor-faze sa visokim emitera opterećenja, tako, ulazni impedanse su izuzetno visoki. U diferencijalnoj režimu, oni se ponašaju kao zajednički-Emitter faze sa osnovanih emitera, tako, ulazni impedanse su niske.

Izlazna impedansa diferencijalne para je visoka (posebno za poboljšanu diferencijalnog para sa Fig. 3.).

Ulaz / izlaz opseg

Ulazni napon zajednički režim može da varira između dve šine za snabdevanje, ali ne mogu da postignu da ih pažljivo jer neke napona (minimum 1 Volt) moraju da ostanu preko izlaznih tranzistora dva sadašnjih ogledala.

Ostala diferencijalna pojačala

Slika 4: OP-AMP diferencijalo pojačalo

Operacioni pojačavač, ili op-amp, je diferencijalni pojačavač sa veoma visokim diferencijal-mode dobitka, veoma visokih ulaznih impedansi, i niskom izlaznom impedansom. Primenom negativne povratne, op-amp diferencijalni pojačavač (slika 4) sa predvidljivim i stabilan dobitak može da se gradi. Neke vrste diferencijalne pojačala obično obuhvataju nekoliko jednostavnije diferencijalnih pojačala. Na primer, instrumentacija pojačalo, potpuno diferencijal pojačalo, instrument pojačalo, ili izolacija pojačalo se često grade od nekoliko op-ampera.

Primena

Diferencijalni pojačala se nalaze u mnogim krugovima koji koriste niz negativne povratne (op-amp sledbenik, ne-invertujući pojačavač, itd), gde je jedan ulaz se koristi za ulazni signal, drugi za komentare signala (obično sprovodi od operacioni pojačavač s). Za poređenje, staromodne INVERTING nesimetričnih op-amper iz ranih 1940-ih moglo shvatiti samo paralelno negativne povratne informacije od strane povezivanje dodatnih otpornika mreža (op-amp inverting pojačalo je najpopularniji primer). Zajednička primena za kontrolu točkovima a ili servo s, kao i za signala amplifikacije aplikacije. U diskretna elektronika, zajednički aranžman za sprovođenje diferencijalni pojačavač je dugorepnim parom, koji se takođe obično nalazi kao diferencijalne element u većini op-amp integrisanih kola. Dugo repom par se može koristiti kao analogni multiplikatora sa diferencijalnom naponom kao jednim ulazom i biasing struje kao drugi.

Diferencijalni pojačavač se koristi kao ulazni fazi emiter spojen logika kapije i kao prekidač. Kada se koristi kao prekidač, „levo“ baza / rešetka se koristi kao ulazni signal i „desno“ baza / rešetka je osnovana; izlaz se uzima sa desne kolektora / ploče. Kada je ulaz nula ili negativan, izlaz je blizu nule (ali ne mogu da se zasićeni), kada je ulaz pozitivan, izlaz je najviše-pozitivan, dinamičan rad je isti kao pojačala korišćenje gore opisanog.

Vidi još

Reference

^ Laplante, Philip A. (2005). Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering, 2nd Ed. CRC Press. str. 190. ISBN 1420037803.
^ Eglin, J. M. (1. 5. 1929). „A Direct-Current Amplifier for Measuring Small Currents”. Journal of the Optical Society of America. 18 (5): 393—402. doi:10.1364/JOSA.18.000393.
^ Matthews, Bryan H. C. (1. 12. 1934). „PROCEEDINGS OF THE PHYSIOLOGICAL SOCIETY”. The Journal of Physiology. 81 (suppl): 28—29. doi:10.1113/jphysiol.1934.sp003151. Pristupljeno 15. 2. 2016.

Spoljašnje veze

BJT Differential Amplifier — Circuit and explanation
A testbench for differential circuits
A discrete OpAmp with complimentary differential amplifier (in German)
Application Note: Terminating a Differential Amplifier in Single-Ended Input Applications [1] Arhivirano na sajtu Wayback Machine (20. mart 2012)

[Laplante-1] Laplante, Philip A. (2005). Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering, 2nd Ed. CRC Press. str. 190. ISBN 1420037803.

[2] Eglin, J. M. (1. 5. 1929). „A Direct-Current Amplifier for Measuring Small Currents”. Journal of the Optical Society of America. 18 (5): 393—402. doi:10.1364/JOSA.18.000393.

[3] Matthews, Bryan H. C. (1. 12. 1934). „PROCEEDINGS OF THE PHYSIOLOGICAL SOCIETY”. The Journal of Physiology. 81 (suppl): 28—29. doi:10.1113/jphysiol.1934.sp003151. Pristupljeno 15. 2. 2016.

[1]

[2]

[3]