Diferenciální zesilovač - Differential amplifier

Symbol operačního zesilovače

Invertující a neinvertující vstupy se odlišují symboly „-“ a „+“ umístěnými v trojúhelníku zesilovače. PROTI_{s +} a V_s− jsou napájecí napětí; často jsou z diagramu pro jednoduchost vynechány, ale musí být přítomny ve skutečném obvodu.

A diferenciální zesilovač je typ elektronický zesilovač který zesiluje rozdíl mezi dvěma vstupy napětí ale potlačuje jakékoli napětí společné pro dva vstupy.^[1] Je to analogový obvod se dvěma vstupy ${ displaystyle scriptstyle V _ { text {in}} ^ {-}}$ a ${ displaystyle scriptstyle V _ { text {in}} ^ {+}}$ a jeden výstup ${ displaystyle scriptstyle V _ { text {out}}}$ ve kterém je výstup ideálně úměrný rozdílu mezi dvěma napětími

${ displaystyle V _ { text {out}} = A (V _ { text {in}} ^ {+} - V _ { text {in}} ^ {-})}$

kde ${ displaystyle scriptstyle A}$ je zisk zesilovače.

Jednotlivé zesilovače jsou obvykle implementovány buď přidáním příslušných zpětnovazebních rezistorů ke standardnímu operačnímu zesilovači, nebo vyhrazeným IC obsahující interní zpětnovazební odpory. Je to také běžná dílčí součást většího integrované obvody zpracování analogových signálů.

Teorie

Výstup ideálního diferenciálního zesilovače je dán vztahem:

${ displaystyle V _ { text {out}} = A _ { text {d}} (V _ { text {in}} ^ {+} - V _ { text {in}} ^ {-})}$

Kde ${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {+}}$ a ${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {-}}$ jsou vstupní napětí a ${ displaystyle A _ { text {d}}}$ je diferenciální zisk.
V praxi však není zisk pro oba vstupy zcela stejný. To například znamená, že pokud ${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {+}}$ a ${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {-}}$ jsou stejné, výstup nebude nulový, jako by to bylo v ideálním případě. Realističtější výraz pro výstup diferenciálního zesilovače tedy zahrnuje druhý člen.

${ displaystyle V _ { text {out}} = A _ { text {d}} (V _ { text {in}} ^ {+} - V _ { text {in}} ^ {-}) + A_ { text {c}} left ({ frac {V _ { text {in}} ^ {+} + V _ { text {in}} ^ {-}} {2}} right)}$

${ displaystyle A _ { text {c}}}$ se nazývá zesílení zesilovače v běžném režimu.
Jelikož se diferenciální zesilovače často používají k vynulování šumu nebo zkreslení napětí, které se objevují na obou vstupech, je obvykle žádoucí nízký zisk v běžném režimu.

The poměr odmítnutí v běžném režimu (CMRR), obvykle definovaný jako poměr mezi ziskem v diferenciálním režimu a ziskem v běžném režimu, indikuje schopnost zesilovače přesně zrušit napětí, která jsou společná pro oba vstupy. Poměr odmítnutí v běžném režimu je definován jako:

${ displaystyle mathrm {CMRR} = 10 log _ {10} left ({ frac {A _ { mathrm {d}}} {A _ { mathrm {c}}}} right) ^ {2} = 20 log _ {10} left ({ frac {A _ { mathrm {d}}} {| A _ { mathrm {c}} |}} right)}$

V dokonale symetrickém diferenciálním zesilovači ${ displaystyle A _ { text {c}}}$ je nula a CMRR je nekonečný. Všimněte si, že diferenciální zesilovač je obecnější forma zesilovače než jeden s jediným vstupem; uzemněním jednoho vstupu diferenciálního zesilovače vznikne zesilovač s jedním koncem.

Dlouho sledovaný pár

Historické pozadí

Moderní diferenciální zesilovače jsou obvykle implementovány se základním dvoutranzistorovým obvodem zvaným a „Dlouhosrstý“ pár nebo diferenciální pár. Tento obvod byl původně implementován pomocí dvojice vakuové trubky. Obvod funguje stejným způsobem pro všechna tři koncová zařízení se ziskem proudu. Body zkreslení obvodu odporu „dlouhého ocasu“ jsou do značné míry určeny Ohmovým zákonem a méně charakteristikami aktivní složky.

Dvojice dlouhého ocasu byla vyvinuta z dřívějších znalostí technik push-pull obvodu a měřicích můstků.^[2] Časný okruh, který se velmi podobá páru s dlouhým ocasem, publikoval britský neurolog Bryan Matthews v roce 1934,^[3] a zdá se pravděpodobné, že to mělo být skutečným párem s dlouhým ocasem, ale bylo publikováno s chybou kreslení. Nejdříve určitý dlouhý párový okruh se objeví v patentu předloženém Alan Blumlein v roce 1936.^[4] Na konci 30. let byla topologie dobře zavedená a byla popsána různými autory, včetně Frank Offner (1937),^[5] Otto Schmitt (1937)^[6] a Jan Friedrich Toennies (1938) ^[7] a byl používán zejména pro detekci a měření fyziologických impulsů.^[8]

Dvojice s dlouhým ocasem byla velmi úspěšně používána v počátcích britských počítačů, zejména v Pilot ACE model a potomci,^{[poznámka 1]} Maurice Wilkes EDSAC a pravděpodobně další, které navrhli lidé, kteří pracovali s Blumleinem nebo jeho vrstevníky. Dvojice s dlouhým ocasem má mnoho příznivých vlastností, pokud je použita jako přepínač: do značné míry imunní vůči variaci trubice (tranzistoru) (má velký význam, když stroje obsahovaly 1 000 trubek nebo více), vysoký zisk, stabilita zisku, vysoká vstupní impedance, střední / nízký výkon impedance, dobrý strojek (s ne příliš dlouhým ocasem), neinvertující (EDSAC neobsahoval žádné střídače!) a velké výkyvy výstupního napětí. Jednou nevýhodou je, že výkyv výstupního napětí (obvykle ± 10–20 V) byl uložen na vysoké stejnosměrné napětí (přibližně 200 V), což vyžaduje opatrnost při vazbě signálu, obvykle nějaká forma širokopásmového vazby DC. Mnoho počítačů této doby se pokusilo tomuto problému vyhnout pomocí pouze pulzní logiky spojené se střídavým proudem, což je způsobilo, že byly velmi velké a příliš složité (ENIAC: 18 000 zkumavek pro 20místnou kalkulačku) nebo nespolehlivé. Stejnosměrné obvody se staly normou po první generaci elektronek.

Konfigurace

Diferenciál (s dlouhým ocasem,^{[pozn. 2]} párový zesilovač) se skládá ze dvou zesilovacích stupňů se společnými (emitor, zdroj nebo katoda ) degenerace.

Diferenciální výstup

Obrázek 2: Klasický pár s dlouhým ocasem

Se dvěma vstupy a dvěma výstupy tvoří stupeň diferenciálního zesilovače (obrázek 2). Dvě základny (nebo mřížky nebo brány) jsou vstupy, které jsou rozdílně zesíleny (odečteny a vynásobeny) dvojicí tranzistorů; mohou být napájeny diferenciálním (vyváženým) vstupním signálem, nebo může být jeden vstup uzemněn, aby vytvořil a fázový rozdělovač obvod. Zesilovač s diferenciálním výstupem může řídit plovoucí zátěž nebo jiný stupeň s diferenciálním vstupem.

Jednostranný výstup

Pokud není požadován diferenciální výstup, lze použít pouze jeden výstup (odebraný pouze z jednoho z kolektorů (nebo anod nebo odtoků), bez ohledu na druhý výstup; tato konfigurace se označuje jako jednostranný výstup. Zisk je poloviční oproti stupni s diferenciálním výstupem. Aby se zabránilo obětování zisku, lze použít převodník diferenciálu na jeden konec. Toto je často implementováno jako aktuální zrcadlo (Obrázek 3 níže ).

Vstup s jedním koncem

Diferenciální pár lze použít jako zesilovač se vstupem s jedním koncem, pokud je jeden ze vstupů uzemněn nebo připevněn k referenčnímu napětí (obvykle se druhý kolektor používá jako výstup s jedním koncem). Toto uspořádání lze považovat za kaskádované stupně společného kolektoru a stupně společné základny nebo jako stupeň vyrovnávací paměti společné základny.^{[pozn. 3]}

Zesilovač spojený s emitorem je kompenzován teplotními odchylkami, V_BÝT je zrušen a Millerův efekt a saturace tranzistoru jsou vyloučeny. Proto se používá k vytváření zesilovačů spřažených s emitorem (vyhýbá se Millerovu efektu), fázový rozdělovač obvody (získání dvou inverzních napětí), hradla a spínače ECL (vyhýbání se saturaci tranzistoru) atd.

Úkon

Abychom vysvětlili provoz obvodu, níže jsou izolovány čtyři konkrétní režimy, i když v praxi fungují některé z nich současně a jejich účinky jsou superponovány.

Předpětí

Na rozdíl od klasických zesilovacích stupňů, které jsou předpjatý ze strany základny (a jsou tedy vysoce závislé na β), diferenciální pár je přímo předpjatý ze strany emitorů potopením / vstřikováním celkového klidového proudu. Sériová negativní zpětná vazba (degenerace emitoru) způsobuje, že tranzistory fungují jako stabilizátory napětí; to je nutí upravit své V_BÝT napětí (základní proudy) k průchodu klidového proudu jejich spoji kolektor-emitor.^{[pozn. 4]} Kvůli negativní zpětné vazbě tedy klidový proud závisí jen mírně na β tranzistoru.

Předpínací základní proudy potřebné k vyvolání klidového kolektorového proudu obvykle pocházejí ze země, procházejí vstupními zdroji a vstupují do základen. Zdroje tedy musí být galvanické (DC), aby zajistily cesty pro předpínací proud a dostatečně nízké odporové, aby na nich nevytvářely významné poklesy napětí. Jinak by měly být mezi základny a zem (nebo kladný napájecí zdroj) připojeny další stejnosměrné prvky.

Společný režim

V běžném režimu (dvě vstupní napětí se mění ve stejných směrech) spolupracují dva sledovače napětí (emitoru) navzájem a pracují společně na společné zátěži vysokého odporu emitoru („dlouhý ocas“). Všichni společně zvyšují nebo snižují napětí společného bodu emitoru (obrazně řečeno, společně jej „vytáhnou“ nebo „vytáhnou“ tak, aby se pohyboval). Dynamická zátěž jim navíc „pomáhá“ změnou okamžitého ohmického odporu ve stejném směru jako vstupní napětí (zvyšuje se při zvýšení napětí a naopak), čímž udržuje konstantní celkový odpor mezi dvěma napájecími kolejnicemi. Existuje úplná (100%) negativní zpětná vazba; dvě vstupní napětí základny a napětí emitoru se mění současně, zatímco kolektorové proudy a celkový proud se nemění. Výsledkem je, že se také nemění výstupní napětí kolektoru.

Diferenciální režim

Normální. V diferenciálním režimu (dvě vstupní napětí se mění v opačných směrech) se oba sledovatelé napětí (emitoru) staví proti sobě - ​​zatímco jeden z nich se pokouší zvýšit napětí bodu společného emitoru, druhý se ho snaží snížit (obrazně řečeno, jeden z nich „vytáhne“ společný bod, zatímco druhý jej „vytáhne“ tak, aby zůstal nepohyblivý) a naopak. Společný bod tedy nemění své napětí; chová se jako virtuální země s velikostí určenou vstupním napětím v běžném režimu. Prvek emitoru s vysokým odporem nehraje žádnou roli - je posunut jiným sledovačem emitoru s nízkým odporem. Neexistuje žádná negativní zpětná vazba, protože napětí emitoru se při změně vstupního napětí základny vůbec nezmění. Společný klidový proud energicky směruje mezi dvěma tranzistory a napětí výstupního kolektoru se energicky mění. Oba tranzistory vzájemně uzemňovaly své vysílače; ano, i když jsou společný sběratel ve skutečnosti fungují jako obyčejný emitor etapy s maximálním ziskem. Stabilitu zkreslení a nezávislost na změnách parametrů zařízení lze zlepšit negativní zpětnou vazbou zavedenou pomocí katodových / emitorových rezistorů s relativně malými odpory.

Overdriven. Pokud se vstupní rozdílové napětí výrazně změní (více než asi sto milivoltů), tranzistor poháněný nižším vstupním napětím se vypne a jeho kolektorové napětí dosáhne kladné napájecí lišty. Při vysokém přeběhu se křižovatka spojení základna-emitor obrátí. Druhý tranzistor (poháněný vyšším vstupním napětím) pohání veškerý proud. Pokud je odpor na kolektoru relativně velký, tranzistor se nasytí. S relativně malým kolektorovým odporem a mírným přeběhem může emitor stále sledovat vstupní signál bez sytosti. Tento režim se používá u diferenciálních spínačů a ECL brány.

Zhroutit se. Pokud vstupní napětí stále roste a překračuje základní emitor průrazné napětí, se rozpadne spojení báze-emitor tranzistoru poháněného nižším vstupním napětím. Pokud mají vstupní zdroje nízký odpor, bude neomezený proud protékat přímo přes „diodový můstek“ mezi dvěma vstupními zdroji a poškodí je.

V běžném režimu napětí emitoru sleduje změny vstupního napětí; existuje plná negativní zpětná vazba a zisk je minimální. V diferenciálním režimu je napětí emitoru fixní (stejné jako okamžité společné vstupní napětí); neexistuje žádná negativní zpětná vazba a zisk je maximální.

Vylepšení diferenciálního zesilovače

Zdroj konstantního proudu vysílače

Obrázek 3: Vylepšený pár s dlouhým ocasem s proudové zrcadlo předpětí zátěže a konstantního proudu

Klidový proud musí být konstantní, aby bylo zajištěno konstantní napětí kolektoru v běžném režimu. Tento požadavek není v případě diferenciálního výstupu tak důležitý, protože obě napětí kolektoru se budou měnit současně, ale jejich rozdíl (výstupní napětí) se nebude měnit. Ale v případě výstupu s jedním zakončením je nesmírně důležité udržovat konstantní proud, protože výstupní napětí kolektoru se bude lišit. Čím vyšší je tedy odpor zdroje proudu ${ displaystyle R _ { text {e}}}$, tím nižší (lepší) je zisk v běžném režimu ${ displaystyle A _ { text {c}}}$. Potřebný konstantní proud lze vyrobit připojením prvku (rezistoru) s velmi vysokým odporem mezi uzel sdíleného emitoru a napájecí lištu (záporný pro NPN a kladný pro PNP tranzistory), ale to bude vyžadovat vysoké napájecí napětí. Proto je ve složitějších konstrukcích prvek s vysokým diferenciálním (dynamickým) odporem přibližujícím se a konstantní proud zdroj / jímka nahrazuje „dlouhý ocas“ (obrázek 3). Obvykle je implementován a aktuální zrcadlo kvůli vysokému poddajnému napětí (malý pokles napětí na výstupním tranzistoru).

Sběratelské aktuální zrcadlo

Kolektorové rezistory lze nahradit proudovým zrcadlem, jehož výstupní část funguje jako aktivní zatížení (Obr. 3). Signál proudu diferenciálního kolektoru se tak převede na jednosměrný napěťový signál bez vlastních 50% ztrát a zisk se výrazně zvýší. Toho je dosaženo kopírováním vstupního kolektorového proudu z levé na pravou stranu, kde se přidávají velikosti dvou vstupních signálů. Za tímto účelem je vstup aktuálního zrcadla připojen k levému výstupu a výstup aktuálního zrcadla je připojen k pravému výstupu diferenciálního zesilovače.

Obrázek 4: Přenosová charakteristika

Aktuální zrcadlo kopíruje levý kolektorový proud a prochází ho pravým tranzistorem, který vytváří pravý kolektorový proud. Na tomto pravém výstupu diferenciálního zesilovače jsou odečteny dva signální proudy (změny poz. A neg. Proudu). V tomto případě (diferenciální vstupní signál) jsou stejné a opačné. Rozdíl je tedy dvojnásobkem jednotlivých signálních proudů (ΔI - (-ΔI) = 2ΔI) a převod rozdílu na jeden konec je dokončen bez ztráty zisku. Obr. 4 ukazuje přenosovou charakteristiku tohoto obvodu.

Úvahy o propojení

Plovoucí vstupní zdroj

Je možné připojit plovoucí zdroj mezi oběma základnami, ale je nutné zajistit cesty pro předpěťové proudy základny. V případě galvanického zdroje musí být mezi jednu základnu a zem připojen pouze jeden odpor. Předpínací proud vstupuje přímo do této základny a nepřímo (prostřednictvím vstupního zdroje) do druhé. Pokud je zdroj kapacitní, musí být mezi dvěma základnami a zemí propojeny dva odpory, aby se zajistily různé cesty pro základní proudy.

Vstupní / výstupní impedance

Vstupní impedance diferenciálního páru velmi závisí na vstupním režimu. V běžném režimu se obě části chovají jako společné kolektorové stupně s vysokou zátěží emitoru; vstupní impedance jsou tedy extrémně vysoké. V diferenciálním režimu se chovají jako stupně běžného emitoru s uzemněnými vysílači; vstupní impedance jsou tedy nízké.

Výstupní impedance diferenciálního páru je vysoká (zejména u vylepšeného diferenciálního páru se současným zrcadlem, jak je uvedeno v Obrázek 3 ).

Rozsah vstupu / výstupu

Vstupní napětí v běžném režimu se může mezi oběma napájecími lištami lišit, ale nemůže je těsně dosáhnout, protože některé poklesy napětí (minimálně 1 volt) musí zůstat přes výstupní tranzistory dvou proudových zrcadel.

Operační zesilovač jako diferenciální zesilovač

Obrázek 5: Diferenční zesilovač operačního zesilovače

An operační zesilovač, nebo operační zesilovač, je diferenciální zesilovač s velmi vysokým ziskem v diferenciálním režimu, velmi vysokou vstupní impedancí a nízkou výstupní impedancí. Diferenciální zesilovač op-amp může být vytvořen s předvídatelným a stabilním ziskem aplikací negativní zpětná vazba (obrázek 5).^{[pozn. 5]} Některé druhy diferenciálního zesilovače obvykle obsahují několik jednodušších diferenciálních zesilovačů. Například a plně diferenciální zesilovač, an přístrojový zesilovač, nebo izolační zesilovač jsou často sestaveny z kombinace několika operačních zesilovačů.

Aplikace

Diferenciální zesilovače se nacházejí v mnoha obvodech, které využívají série negativní zpětná vazba (sledovač op-zesilovače, neinvertující zesilovač atd.), kde jeden vstup se používá pro vstupní signál, druhý pro signál zpětné vazby (obvykle implementovaný operační zesilovače ). Pro srovnání, staromódní invertující jednostranné operační zesilovače z počátku 40. let mohly realizovat pouze paralelní negativní zpětnou vazbu připojením dalších rezistorových sítí (nejpopulárnějším příkladem je invertující zesilovač op-amp). Běžná aplikace je pro ovládání motory nebo serva, stejně jako pro aplikace zesílení signálu. Diskrétně elektronika, společné uspořádání pro implementaci diferenciálního zesilovače je dlouhoocasý pár, který se také obvykle nachází jako diferenciální prvek ve většině operačních zesilovačů integrované obvody. Dvojici s dlouhým ocasem lze použít jako analogový multiplikátor s diferenciálním napětím jako jedním vstupem a předpínacím proudem jako druhým.

Jako vstupní stupeň se používá diferenciální zesilovač logika spojená s emitorem brány a jako výhybka. Je-li použit jako přepínač, je jako vstup signálu použita „levá“ základna / mřížka a „pravá“ základna / mřížka je uzemněna; výstup je odebírán z pravého kolektoru / desky. Když je vstup nulový nebo záporný, výstup je blízký nule (ale nemůže být nasycen); když je vstup kladný, výstup je nejvíce kladný, dynamická operace je stejná jako výše popsané použití zesilovače.

Symetrická zpětnovazební síť eliminuje zisk v běžném režimu a zkreslení v běžném režimu

Obrázek 6: Diferenciální zesilovač s neideálním operačním zesilovačem: vstupní zkreslený proud a diferenciální vstupní impedance

V případě, že (neideální) vstupní zkreslení operačního zesilovače nebo diferenciální vstupní impedance jsou významným účinkem, lze zvolit síť zpětné vazby, která zlepšuje účinek vstupního signálu a zkreslení v běžném režimu. Na obrázku 6 generátory proudu modelují vstupní zkreslený proud na každém terminálu; Já⁺_b a Já⁻_b představují vstupní zkreslený proud na svorkách PROTI⁺ a PROTI⁻, resp.

The Théveninův ekvivalent pro síť pohánějící PROTI⁺ terminál má napětí PROTI^+' a impedance R^+':

${ displaystyle V ^ {+ prime} = V _ { text {in}} ^ {+} * R _ {/ ! ! /} ^ {+} / R _ { text {i}} ^ {+} -I _ { text {b}} ^ {+} * R _ {/ ! ! /} ^ {+}; Quad R ^ {+ prime} = R _ {/ ! ! /} ^ {+ } = R _ { text {i}} ^ {+} {/ ! ! /} R _ { text {f}} ^ {+}}$

zatímco pro síť, která řídí PROTI⁻ terminál,

${ displaystyle V ^ {- prime} = V _ { text {in}} ^ {-} * R _ {/ ! ! /} ^ {-} / R _ { text {i}} ^ {-} + V _ { text {out}} * R _ {/ ! ! /} ^ {-} / R _ { text {f}} ^ {-} - I _ { text {b}} ^ {-} * R _ {/ ! ! /} ^ {-}; quad R ^ {- prime} = R _ {/ ! ! /} ^ {-} = R _ { text {i}} ^ {-} {/ ! ! /} R _ { text {f}} ^ {-}.}$

Výstupem operačního zesilovače je pouze zisk otevřené smyčky A_ol násobek diferenciálního vstupního proudu i násobek diferenciální vstupní impedance 2R_d, proto

${ displaystyle V _ { text {out}} = A _ { text {ol}} * 2R _ { text {d}} { frac {V ^ {+ prime} -V ^ {- prime}} { 2R _ {/ ! ! /} + 2R _ { text {d}}}} = (V ^ {+ prime} -V ^ {- prime}) * A _ { text {ol}} R _ {/ ! ! /} / (R _ {/ ! ! /} / ! ! / R _ { text {d}})}$

kde R_// je průměr z R⁺_// a R⁻_//.

Tyto rovnice procházejí velkým zjednodušením, pokud

${ displaystyle R _ { text {i}} ^ {+} = R _ { text {i}} ^ {-} quad { text {a}} quad R _ { text {f}} ^ {+ } = R _ { text {f}} ^ {-}}$

výsledkem vztahu,

${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {+} - V _ { text {in}} ^ {-} - R _ { text {i}} * I _ { text {b}} ^ { Delta } = V _ { text {out}} left [{ frac {R _ { text {i}}} {R _ { text {f}}}} + { frac {1} {A _ { text { ol}} * { frac {R _ { text {i}}} {R _ { text {i}} / ! ! / R _ { text {f}} / ! ! / R _ { text {d}}}}}} vpravo]}$

což znamená, že zisk uzavřené smyčky pro diferenciální signál je PROTI⁺_v - PROTI⁻_v, ale zisk v běžném režimu je identicky nulový. To také znamená, že vstupní zkreslení proudu v běžném režimu bylo zrušeno a zůstal pouze vstupní offsetový proud Já^Δ_b = 'Já⁺_b - 'Já⁻_b stále přítomné as koeficientem R_i. Je to, jako by vstupní ofsetový proud odpovídal vstupnímu offsetovému napětí působícímu na vstupní odpor R_i, což je odpor zdroje zpětnovazební sítě do vstupních svorek. Nakonec, pokud napětí v otevřené smyčce vzroste A_ol je mnohem větší než jednota, zisk napětí v uzavřené smyčce je R_F / R_i, hodnotu, kterou by člověk získal pomocí analýzy pravidla, známé jako „virtuální země“.^{[pozn. 6]}

Poznámky pod čarou

Viz také

• Gilbertova buňka
• Přístrojový zesilovač
• Op-amp diferenciální konfigurace
• Logika spojená s emitorem

Reference

externí odkazy

• BJT diferenciální zesilovač - Okruh a vysvětlení
• Testovací stůl pro diferenciální obvody
• Poznámka k aplikaci: Analog Devices - AN-0990: Terminating a Differential Amplifier in Single-Ended Input Applications