Differensial forsterker: prinsippet om drift

En differensialforsterker (DU) brukes til å forsterke forskjellen mellom to inngangssignaler. Det kan tenkes på som en analog krets med to innganger og en utgang.

Forsterkere som brukes i forskjellige elektriskeog elektroniske kretser for å generere signaler og utføre matematiske operasjoner kalles operasjonelle forsterkere (OA). De er viktige komponenter i en elektronisk analog datamaskin. Oppfinnelsen deres på begynnelsen av 1940-tallet førte til utskifting av mekaniske kalkulatorer med stille og rask elektronikk. Mange analoge datamaskiner stolte på vakuumrør som var kommersielt tilgjengelig fra George Philbrick Company i 1952.

I 1963 laget Bob Widlar hos Fairchild Semiconductor A702 en-krets op-amp, den aller første monolitiske operasjonsforsterker IC.

Transistorforsterkerkrets

En differensiell operasjonsforsterker kan settes sammen i en krets som vist i figuren nedenfor, som består av to transistorer T1 og T2.

Fjernkontrollen har to innganger I1 og I2 og to utgangerV1out og V2out. Inngang Il blir matet til basisterminalen til transistoren T1, inngang I2 blir matet til basisterminalen til transistoren T2. Emitterutgangene til transistoren T1 og transistoren T2 er koblet til en felles emittermotstand. Dermed vil de to inngangene I1 og I2 påvirke utgangene V1out og V2out. Kretsen har to forsyningsspenninger Vcc og Vee, men det er ingen jordpinne. Selv med en forsyningsspenning kan kretsen fungere normalt (på samme måte når du bruker to forsyningsspenninger). Derfor er motsatte punkter av positiv spenning og negativ forsyningsspenning koblet til jord.

Skjematisk diagram over drift av diesel

Driften av en differensialforsterker er vist i diagrammet i figuren nedenfor.

Hvis inngangssignalet (I1) påføres basentransistor T1, så vises et positivt spenningsfall gjennom motstanden som er koblet til transistortransistoren T1, som vil være mindre. Hvis inngangssignalet (I1) ikke påføres basen til transistoren T1, vises et positivt spenningsfall gjennom motstanden som er koblet til transistortransistoren T1, som vil være stor.

Det kan sies at den inverterende produksjonen går utgjennom kollektorterminalen til transistoren T1, basert på inngangssignalet 11 tilført basisterminalen T1. Hvis T1 er slått på ved å bruke en positiv verdi på I1, øker strømmen gjennom emittermotstanden når emitterstrømmen og kollektorstrømmen er nesten like. Hvis spenningsfallet over emittermotstanden øker, går emitteren til begge transistorer i positiv retning. Hvis emitteren til transistoren T2 er positiv, vil basen til T2 være negativ, og i denne tilstanden vil strømmen være mindre. Og det vil være mindre spenningsfall over motstanden koblet til samlertappen til transistoren T2.

Derfor, for dette positivesamlerinngang T2 vil gå i positiv retning. Det kan sies at den ikke-inverterende utgangen som vises ved kollektorterminalen til transistoren T2 er basert på inngangssignalet påført basen til T1. Differensialforsterkeren mottar et utgangssignal mellom kollektorterminalene til transistorer T1 og T2. Fra det skjematiske diagrammet ovenfor antas det at alle karakteristikkene til transistorer T1 og T2 er identiske, og hvis basespenningene Vb1 er lik Vb2 (transistorens T1 basisspenning er lik basisspenningen til transistoren T2), da vil emitterstrømmene til begge transistorer være like (Iem1 = Iem2).

Dermed vil den totale emitterstrømmen være liksummen av emitterstrømmene T1 (Iem1) og T2 (Iem2). Beregning av differensialforsterkeren. Iem1 = Iem2 Ie = Iem1 + Iem2 Vev = Vb-Vb em I em = (Vb-Vb em) / Rem. Dermed forblir emitterstrømmen den samme uavhengig av hfe-verdien til transistorer T1 og T2. Hvis motstandene som er koblet til T1- og T2-kollektorterminalene er like, er kollektorspenningene også like.

En kort beskrivelse av driften av operasjonsforsterkeren

Denne forsterkeren (Op-amp, engelsk versjon) kanvære ideell med uendelig forsterkning og båndbredde når den brukes i åpen loop-modus med en typisk DC-forsterkning større enn 100.000 eller 100 dB. Op-amp differensialstrømforsterkeren har to innganger, hvorav den ene er invertert. Den forsterkede forskjellen mellom disse inngangene sendes ut som en spenning. Den ideelle operasjonsforsterkeren har uendelig høy forsterkning. Dette skal uttrykke uendeligens symbol med et nytt symbol. Op-forsterkeren opererer med enten dobbel positive (+ V) eller matchende negative (-V) forsyninger, eller kan operere med en enkelt konstant forsyningsspenning.

To grunnleggende lover knyttet til OU

De består i det faktum at en slik forsterker haruendelig inngangsimpedans (Z = ∞), noe som resulterer i at ingen strøm strømmer inn i en av de to inngangene og null inngangsspenningsspenning V1 = V2. Op-amp har også null utgangsimpedans (Z = 0). Optiske forsterkere oppdager forskjellen mellom spenningssignaler som blir brukt på de to inngangsterminalene, og multipliserer dem deretter med noen forhåndsbestemt forsterkning (A). Denne gevinsten (A) blir ofte referert til som Open Loop Gain. Op-forsterkere kan kobles til i to grunnleggende konfigurasjoner - inverterende og ikke-inverterende.

For negativ tilbakemelding, hvis spenningentilbakemelding er i antifase ved inngangen, den totale forsterkningen avtar. For positiv tilbakemelding, når tilbakemeldingsspenningen er i "fase", økes inngangen til forsterkeren. Å koble utgangen tilbake til den negative inngangskontakten oppnår 100% tilbakemelding, noe som resulterer i en spenningsfølgerkrets (buffer) med en konstant forsterkning på 1 (Enhet). Ved å erstatte den faste tilbakemeldingsmotstanden (Rƒ) for potensiometeret, vil kretsen ha en justerbar forsterkning.

Tekniske spesifikasjoner

Grunnleggende:

1. Null sekvens inngangsstrøm (inngangforspenningsstrøm) i hvile, kan forskjellige strømmer strømme ved de to inngangene. Dette betyr i praksis at spenningen er forvrengt når det gjelder signalkilder med høy intern motstand, siden kildene er utsatt for forskjellige spenningsnivåer.
2. Inngangsimpedans kan måles motinnganger bakken, forutsatt at den andre inngangen er jordet. Ulempen her er kildene med høy intern motstand, som delvis belastes av inngangsmotstanden.
3. Inngangskapasitans - kondensatorer paralleltinngangsmotstander. De er forstyrrende, spesielt ved høye frekvenser, da kapasitanser skaper ytterligere parallelle inngangsimpedanser som er frekvensavhengige. I en differensialforsterker avhenger driftsprinsippet av denne indikatoren.
4. Lav forsterkning (øke signalforsterkningen)indikerer gevinsten som oppnås uten tilbakemelding. Det er definert med en lastmotstand på 2 kΩ og en utgangsspenningssvingning på ± 10 V. I praksis har den angitte verdien på 200 000 aldri blitt nådd og er vanligvis 10 ganger lavere.
5. Forsyningsspenningavvikskoeffisient. Når du endrer forsyningsspenningen på en volt, endres forskyvningen med 0,3 μV. Imidlertid, med en forsterkning på 300 ganger, øker feilen med 0,1 mV.
6. Utgangsspenningssvingning.En op-amp kan aldri generere full inngangsspenning ved utgangen. I alle fall vil den maksimale utgangsspenningen med en inngangsspenning på ± 15 V være betydelig høyere enn ± 10 V. Ved normale belastninger, ca ± 13 V og ideell - bare 1 V under forsyningsspenningen.
7. Utgangsimpedans - effektiv AC-impedans ved utgangen, kun for lave og forutinnlagte utganger. Kan praktisk talt bare brukes i grensesaker.
8. Utgang kortslutningsstrøm.
9. Forsyningsstrøm ved hjelp av en ulastet operasjonsforsterker, med 1,7 mA-type.
10. Ytelse - strømtap, selvfølgeligi en ulastet operasjonsforsterker er forårsaket av forsyningsstrømmen og avhenger av driftsspenningen. En differensialforsterker med transistorer krever en viss responstid og nedbryter inngangssignalet med et hopp. Dette gjelder en belastning på 2 kΩ || 100 pF og enhetsgevinst (enhetsgevinst).
11. Slew rate for å forhindreukontrollerbart omfang. Hvis utgangsspenningen endres med 10 V, tar op-amp en tid på typisk 5 μs. Det blir kritisk ved høye frekvenser da utgangssignalet dempes kraftig.

Søknadsgrensevilkår

Grunnleggende:

1. Forsyningsspenning maksimalt ± 18V. De fleste kretser fungerer på ± 15V, så på den sikre siden.
2. Maksimalt strømtap (forsvunnetstrøm) avhenger av husversjonen og den maksimalt tillatte temperaturen. En enkel 8-pinners plastpakke kan takle 310mW, en 14-pinners dobbel-radspakke kan håndtere omtrent dobbelt så lang.
3. Inngangsspenninger og forskjeller kan være irekkevidde -15 ... + 15 V. Lodde. La loddene varme opp til 300 ° C i ett minutt under lodding (lodding). Lodding til terminalene utføres ikke samtidig, men etter hverandre og først etter at hele komponenten er helt avkjølt.
4. Kortslutning på utgangssiden. Ifølge produsenten kan utgangskortslutningen vare på ubestemt tid hvis alle grensevilkårene er oppfylt.
5. Begrensning: Tilfelletemperaturen må ikke overstige 125 ° C, derfor må omgivelsestemperaturen ikke overstige 75 ° C

Differensialforsterker ved bruk av BJT

Driftsprinsippet er vist i diagrammet nedenfor.

Den er bygget ved hjelp av to matchendetransistorer i en vanlig emitterkonfigurasjon, hvis emittere er koblet til hverandre. En enkel krets som er i stand til å forsterke små signaler påført mellom to innganger mens de fremdeles undertrykker støysignaler som er felles for begge inngangene.

Differensialforsterker på bipolartransistorer (BJT) har en unik topologi: to innganger og to utganger. Selv om bare en utgang kan brukes, dobler forskjellen mellom begge utgangene utbyttet! Og det forbedrer CMR (Common Mode Refection) når Common Mode-signalet er en støykilde eller DC-forskyvning fra et forrige trinn.

Transistor kalkulator konfigurasjon

Basert på inngangs- og utdatadatametoden, kan differensialforsterkere ha fire forskjellige konfigurasjoner, som vist nedenfor.

1. Enfaset ubalansert utgang.
2. Enkelt inngang balansert utgang.
3. Ubalansert utgang med dobbel inngang.
4. Dobbelt inngang balansert utgang.

Skjematisk likestrømsforsterker

Ved utforming av analoge byggesteiner(forskjellige typer forforsterkere, filtre osv.), er det viktig, sammen med utviklingen av moderne løsninger for dype submikronteknologier, å ta hensyn til nye strukturelle løsninger for tradisjonelle forsterkningsenheter.

DC differensialforsterker(DUPT), er utgangsspenningen proporsjonal med forskjellen mellom de to inngangsspenningene. Dette kan vises i form av en ligning som følger: V ut = A * ((Vin +) - (Vin-)), hvor A = forsterkning.

Praktisk anvendelse

I praktiske kretsløp brukes DU til å forsterke: pulser gjennom lange ledninger, lyd, radiofrekvenser, kontroll av motorer og servomotorer, elektrokardiogrammer, informasjon om magnetiske lagringsenheter.

mangler

Differensialforsterkeren har en rekke ulemper, noe som begrenser bruken i elektronikk noe:

1. En lav verdi av inngangsmotstanden, avhengig av motstanden, for eksempel med et svakt signal fra termoelementet - fjernkontrollen vil gi et feilaktig måleresultat.
2. Vanskelig å justere gevinsten, hvilkenvil kreve å endre verdien på to motstander, noe som er praktisk vanskelig å implementere, og innføring av tilleggselementer (potensiometre eller multiplexere) i kretsen vil komplisere kretsen unødvendig.