Differensialforsterker - Differential amplifier

Operativ forsterker -symbol. De inverterende og ikke-inverterende inngangene utmerker seg med "-" og "+" plassert i forsterkerens trekant. V _s+ og V _s− er strømforsyningsspenningene; de er ofte utelatt fra diagrammet for enkelhets skyld, men må være til stede i den faktiske kretsen.

En differensialforsterker er en type av elektronisk forsterker som forsterker forskjellen mellom de to inngangsspenninger , men undertrykker enhver spenning som er felles for de to inngangene. Det er en analog krets med to innganger og og en utgang , der utgangen er ideelt proporsjonal med forskjellen mellom de to spenningene: ${\ displaystyle V _ {\ text {in}}^{-}}$${\ displaystyle V _ {\ text {in}}^{+}}$${\ displaystyle V _ {\ text {out}}}$

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

hvor er forsterkningen til forsterkeren. ${\ displaystyle A}$

Enkelt forsterkere blir vanligvis gjennomført ved enten å tilsette de passende tilbakekoblingsmotstander til en standard op-amp , eller med en dedikert integrert krets som inneholder interne tilbakekoplingsmotstander. Det er også en vanlig delkomponent i større integrerte kretser som håndterer analoge signaler.

Teori

Utgangen til en ideell differensialforsterker er gitt av

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

hvor og er inngangsspenningene, og er differensialforsterkningen. ${\ displaystyle V _ {\ text {in}}^{+}}$${\ displaystyle V _ {\ text {in}}^{-}}$${\ displaystyle A _ {\ text {d}}}$

I praksis er imidlertid forsterkningen ikke helt lik for de to inngangene. Dette betyr for eksempel at hvis og er like, vil utgangen ikke være null, slik den ville være i det ideelle tilfellet. Et mer realistisk uttrykk for utgangen til en differensialforsterker inkluderer således et annet begrep: ${\ displaystyle V _ {\ text {in}}^{+}}$${\ displaystyle V _ {\ text {in}}^{-}}$

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

hvor kalles forsterkerens common-mode forsterkning. ${\ displaystyle A _ {\ tekst {c}}}$

Ettersom differensialforsterkere ofte brukes til å oppheve støy eller forspenning som vises på begge inngangene, er vanligvis en lav fellesmodusforsterkning ønsket.

Den common-mode avvisning ratio (CMRR), vanligvis definert som forholdet mellom differensialmodus-gain og felles-modus forsterkning, indikerer evnen til forsterkeren for nøyaktig å avbryte spenninger som er felles for begge inngangene. Forkastelsesforholdet for vanlig modus er definert som

${\ displaystyle {\ text {CMRR}} = 10 \ log _ {10} \ left ({\ frac {A _ {\ text {d}}} {A _ {\ text {c}}}} \ høyre)^{ 2} = 20 \ log _ {10} {\ frac {A _ {\ text {d}}} {| A _ {\ text {c}} |}}.}$

I en perfekt symmetrisk differensialforsterker er null, og CMRR er uendelig. Vær oppmerksom på at en differensialforsterker er en mer generell forsterkerform enn en med en enkelt inngang; ved å jorde en inngang på en differensialforsterker, resulterer en endet forsterker. ${\ displaystyle A _ {\ tekst {c}}}$

Langhalet par

Historisk bakgrunn

Moderne differensialforsterkere implementeres vanligvis med en grunnleggende to-transistorkrets som kalles et "langhalet" par eller differensialpar . Denne kretsen ble opprinnelig implementert ved hjelp av et par vakuumrør . Kretsen fungerer på samme måte for alle tre-terminalenheter med strømforsterkning. Skjevhetene for "langhale" motstandskrets bestemmes i stor grad av Ohms lov og mindre av aktive komponentegenskaper.

Det langhalede paret ble utviklet fra tidligere kunnskap om push-pull krets teknikker og målebroer. En tidlig krets som ligner et langhalet par ble utgitt av den britiske nevrologen Bryan Matthews i 1934, og det virker sannsynlig at dette var ment å være et ekte langhalet par, men ble publisert med en tegnefeil. Den tidligste bestemte langhalede parkretsen vises i et patent levert av Alan Blumlein i 1936. På slutten av 1930-tallet var topologien godt etablert og hadde blitt beskrevet av forskjellige forfattere, inkludert Frank Offner (1937), Otto Schmitt (1937) og Jan Friedrich Toennies (1938), og den ble spesielt brukt for påvisning og måling av fysiologiske impulser.

Det langhalede paret ble svært vellykket brukt i tidlig britisk databehandling, særlig Pilot ACE- modellen og etterkommere, Maurice Wilkes ' EDSAC , og sannsynligvis andre designet av folk som jobbet med Blumlein eller hans jevnaldrende. Det langhalede paret har mange gunstige egenskaper hvis det brukes som bryter: stort sett immun mot rør (transistor) variasjoner (av stor betydning når maskiner inneholdt 1000 rør eller mer), høy forsterkning, forsterkningsstabilitet, høy inngangsimpedans, middels/lav utgang impedans, god klippemaskin (med en ikke altfor lang hale), ikke-inverterende ( EDSAC inneholdt ingen omformere! ) og store utgangsspenningssvingninger. En ulempe er at utgangsspenningssvingningen (typisk ± 10–20 V) ble pålagt en høy likspenning (200 V eller så), noe som krever forsiktighet ved signalkobling, vanligvis en form for bredbånds DC-kopling. Mange datamaskiner på denne tiden prøvde å unngå dette problemet ved å bruke bare AC-koblet pulslogikk, noe som gjorde dem veldig store og altfor komplekse ( ENIAC : 18 000 rør for en 20-sifret kalkulator) eller upålitelige. DC-koblede kretser ble normen etter den første generasjonen vakuumrørsmaskiner.

Konfigurasjoner

En differensial (langhalet, emitterkoblet) parforsterker består av to forsterkningstrinn med vanlig ( emitter , kilde eller katode ) degenerasjon.

Differensial utgang

Figur 2: Et klassisk langhalet par

Med to innganger og to utganger danner dette et differensialforsterkerstadium (figur 2). De to basene (eller rutenettet eller portene) er innganger som er differensielt forsterket (subtrahert og multiplisert) av transistorparet; de kan mates med et differensialt (balansert) inngangssignal, eller en inngang kan jordes for å danne en fasesplitterkrets . En forsterker med differensialutgang kan drive en flytende last eller et annet trinn med differensialinngang.

Enkelt utgang

Hvis differensialutgangen ikke er ønsket, kan bare en utgang brukes (hentet fra bare en av kollektorene (eller anodene eller avløpene), uten å se bort fra den andre utgangen; denne konfigurasjonen kalles en-endet utgang . Gevinsten er halv for trinnet med differensialutgang. For å unngå å ofre gevinst, kan en differensial til en-ende-omformer brukes. Dette implementeres ofte som et nåværende speil ( figur 3, nedenfor ).

Enkelt inngang

Differensialparet kan brukes som en forsterker med en inngang med én ende hvis en av inngangene er jordet eller festet til en referansespenning (vanligvis brukes den andre kollektoren som en utgang med en ende) Dette arrangementet kan tenkes som kaskade felles-samler og felles-basetrinn eller som et bufret felles-basetrinn.

Den emitterkoblede forsterkeren kompenseres for temperatursvingninger, V _BE avbrytes, og Miller-effekten og transistormetningen unngås. Det er derfor det er brukt til å danne emitter-koblede forsterkere (unngår Miller-effekt) fasedeleren kretser (skaffe to inverse spenningene), ECL-porter og brytere (å unngå transistor metning), etc.

Operasjon

For å forklare kretsoperasjonen er fire bestemte moduser isolert nedenfor, selv om noen av dem i praksis virker samtidig og effektene deres er lagt over hverandre.

Skjevhet

I motsetning til klassiske forsterkningstrinn som er forspent fra siden av basen (og så de er sterkt β-avhengige), er differensialparet direkte forspent fra siden av emitterne ved å synke/injisere den totale hvilestrømmen. Seriens negative tilbakemelding (emitterdegenerasjonen) får transistorene til å fungere som spenningsstabilisatorer; det tvinger dem til å justere sine V _BE- spenninger (grunnstrømmer) for å passere hvilestrømmen gjennom kollektor-emitterkryssene. Så på grunn av den negative tilbakemeldingen avhenger den hvilende strømmen bare litt av transistorens β.

De forspenende basestrømmene som trengs for å fremkalle de hvilende samlerstrømmene kommer vanligvis fra bakken, passerer gjennom inngangskildene og går inn i basene. Så kildene må være galvaniske (DC) for å sikre veier for forspenningsstrømmen og lave resistive nok til ikke å skape betydelige spenningsfall over dem. Ellers bør flere DC -elementer kobles mellom basene og bakken (eller den positive strømforsyningen).

Felles modus

I vanlig modus (de to inngangsspenningene endres i de samme retningene), samarbeider de to spennings (emitter) tilhengere med hverandre og jobber sammen om den vanlige høyresistive emitterbelastningen ("den lange halen"). De øker eller reduserer alle sammen spenningen til det felles utsenderpunktet (figurativt sett "trekker de opp" eller "trekker ned" det slik at det beveger seg). I tillegg "hjelper" den dynamiske belastningen dem ved å endre den umiddelbare ohmiske motstanden i samme retning som inngangsspenningene (den øker når spenningen øker og omvendt.) Og holder dermed konstant total motstand mellom de to forsyningsskinnene. Det er en full (100%) negativ tilbakemelding; de to inngangsspenningene og emitterspenningen endres samtidig mens kollektorstrømmene og den totale strømmen ikke endres. Som et resultat endres ikke utgangssamler -spenningene like godt.

Differensialmodus

Vanlig. I differensialmodus (de to inngangsspenningene endres i motsatte retninger), motsetter de to spennings (emitter) tilhengere hverandre - mens en av dem prøver å øke spenningen til det vanlige emitterpunktet, prøver den andre å redusere det (billedlig sett, en av dem "trekker opp" det felles punktet mens den andre "trekker ned" det slik at det forblir urørlig) og omvendt. Så det vanlige punktet endrer ikke spenningen; den oppfører seg som en virtuell grunn med en størrelse bestemt av inngangsspenningene i vanlig modus. Det høyresistente emitterelementet spiller ingen rolle-det blir shuntet av den andre føleren med lav motstand. Det er ingen negativ tilbakemelding, siden emitterspenningen ikke endres i det hele tatt når inngangsspenningene endres. Den vanlige hvilestrømmen styrer kraftig mellom de to transistorene og utgangssamlerspenningene endres kraftig. De to transistorene jordet sine avgivere gjensidig; så selv om de er vanlige samler- stadier, fungerer de faktisk som felles-emitter- stadier med maksimal gevinst. Skjevhetstabilitet og uavhengighet fra variasjoner i enhetsparametere kan forbedres ved negativ tilbakemelding innført via katode-/emittermotstander med relativt små motstander.

Overdrevet. Hvis inngangsdifferensialspenningen endres vesentlig (mer enn omtrent hundre millivolt), slås transistoren drevet av den lavere inngangsspenningen av og kollektorspenningen når den positive forsyningsskinnen. Ved høy overdrive blir basis-emitter-krysset reversert. Den andre transistoren (drevet av den høyere inngangsspenningen) driver all strøm. Hvis motstanden ved kollektoren er relativt stor, vil transistoren mette. Med relativt liten kollektormotstand og moderat overdrive kan emitteren fortsatt følge inngangssignalet uten metning. Denne modusen brukes i differensialbrytere og ECL -porter.

Sammenbrudd. Hvis inngangsspenningen fortsetter å øke og overskrider basis-emitter- nedbrytningsspenningen , brytes basis-emitterforbindelsen til transistoren drevet av den lavere inngangsspenningen. Hvis inngangskildene er lave resistive, vil en ubegrenset strøm strømme direkte gjennom "diodebroen" mellom de to inngangskildene og vil skade dem.

I vanlig modus følger emitterspenningen variasjonene i inngangsspenningen; det er en fullstendig negativ tilbakemelding og gevinsten er minimum. I differensialmodus er emitterspenningen fast (lik øyeblikkelig felles inngangsspenning); det er ingen negativ tilbakemelding og gevinsten er maksimal.

Differensialforsterkerforbedringer

Sender konstant strømkilde

Figur 3: Et forbedret langhalet par med strømspeilbelastning og konstant strømspenning

Hvilestrømmen må være konstant for å sikre konstant kollektorspenning i vanlig modus. Dette kravet er ikke så viktig i tilfelle av differensialutgang siden de to kollektorspenningene vil variere samtidig, men forskjellen (utgangsspenningen) ikke vil variere. Men når det gjelder en utgang med én ende, er det ekstremt viktig å holde en konstant strøm siden utgangssamlerens spenning vil variere. Så jo høyere motstanden til den nåværende kilden er , jo lavere (bedre) er gevinsten i vanlig modus . Den konstante strømmen som trengs kan produseres ved å koble et element (motstand) med veldig høy motstand mellom den delte emitternoden og forsyningsskinnen (negativ for NPN og positiv for PNP -transistorer), men dette vil kreve høy forsyningsspenning. Det er derfor, i mer sofistikerte design, blir et element med høy differensial (dynamisk) motstand som tilnærmet en konstant strømkilde/vask erstattet med den "lange halen" (figur 3). Det implementeres vanligvis av et nåværende speil på grunn av dens høye samsvarsspenning (lite spenningsfall over utgangstransistoren). ${\ displaystyle R _ {\ text {e}}}$${\ displaystyle A _ {\ tekst {c}}}$

Collector gjeldende speil

Kollektormotstandene kan erstattes av et nåværende speil, hvis utgangsdel fungerer som en aktiv belastning (fig. 3). Dermed konverteres differensialkollektorstrømssignalet til et spenningssignal med en ende uten de inneboende 50% -tapene, og forsterkningen økes sterkt. Dette oppnås ved å kopiere inngangssamlerstrømmen fra venstre til høyre side, hvor størrelsen på de to inngangssignalene legger til. For dette formålet er inngangen til det nåværende speilet koblet til venstre utgang, og utgangen til det nåværende speilet er koblet til den høyre utgangen til differensialforsterkeren.

Figur 4: Overføringskarakteristikk

Strømspeilet kopierer den venstre kollektorstrømmen og fører den gjennom den høyre transistoren som produserer den riktige kollektorstrømmen. Ved denne høyre utgangen til differensialforsterkeren trekkes de to signalstrømmene (pos. Og negative strømendringer). I dette tilfellet (differensialinngangssignal) er de like og motsatte. Dermed er forskjellen to ganger de individuelle signalstrømmene (Δ I  -(−Δ I ) = 2Δ I ), og differansen til en-endet konvertering fullføres uten gevinsttap . Fig. 4 viser overføringskarakteristikken til denne kretsen.

Grensesnitthensyn

Flytende inngangskilde

Det er mulig å koble en flytende kilde mellom de to basene, men det er nødvendig å sikre baner for forspenningsbasestrømmene. Når det gjelder galvanisk kilde, trenger du bare å koble en motstand mellom en av basene og bakken. Forspenningsstrømmen kommer direkte inn i denne basen og indirekte (gjennom inngangskilden) den andre. Hvis kilden er kapasitiv, må to motstander kobles mellom de to basene og bakken for å sikre forskjellige baner for grunnstrømmene.

Inngang/utgangsimpedans

Inngangsimpedansen til differensialparet avhenger sterkt av inngangsmodusen. I vanlig modus oppfører de to delene seg som vanlige kollektortrinn med høye emitterbelastninger; så er inngangsimpedansene ekstremt høye. I differensialmodus oppfører de seg som vanlige emitter-stadier med jordede avgivere; så er inngangsimpedansene lave.

Utgangsimpedansen til differensialparet er høy (spesielt for det forbedrede differensialparet med et nåværende speil som vist i figur 3 ).

Inngang/utgangsområde

Inngangsspenningen i vanlig modus kan variere mellom de to tilførselsskinnene, men kan ikke nå dem tett siden noen spenningsfall (minimum 1 volt) må forbli på tvers av utgangstransistorene til de to gjeldende speilene.

Driftsforsterker som differensialforsterker

Figur 5: Op-amp differensialforsterker

En operasjonsforsterker , eller op-amp, er en differensialforsterker med veldig høy differensialmodusforsterkning, veldig høy inngangsimpedans og lav utgangsimpedans. En op-amp differensialforsterker kan bygges med forutsigbar og stabil forsterkning ved å bruke negativ tilbakemelding (figur 5). Noen typer differensialforsterker inneholder vanligvis flere enklere differensialforsterkere. For eksempel er en full differensialforsterker , en instrumenteringsforsterker eller en isolasjonsforsterker ofte bygget fra en kombinasjon av flere op-forsterkere.

applikasjoner

Differensialforsterkere finnes i mange kretser som bruker seriens negative tilbakemeldinger (op-amp-følger, ikke-inverterende forsterker, etc.), hvor den ene inngangen brukes for inngangssignalet, den andre for tilbakemeldingssignalet (vanligvis implementert av operasjonsforsterkere ) . Til sammenligning kunne den gammeldagse inverterende en-endede op-forsterkeren fra begynnelsen av 1940-årene bare realisere parallell negativ tilbakemelding ved å koble til flere motstandsnettverk (en op-amp inverterende forsterker er det mest populære eksemplet). En vanlig applikasjon er for styring av motorer eller servoer , så vel som for signalforsterkningsapplikasjoner. I diskret elektronikk er et vanlig arrangement for implementering av en differensialforsterker det langhalede paret , som også vanligvis finnes som differensialelementet i de fleste op-amp integrerte kretser . Et langhalet par kan brukes som en analog multiplikator med differensialspenningen som en inngang og forspenningsstrømmen som en annen.

En differensialforsterker brukes som inngangstrinns emitterkoblede logiske porter og som bryter. Når den brukes som en bryter, brukes den "venstre" basen/rutenettet som signalinngang og den "høyre" basen/rutenettet er jordet; utgang hentes fra høyre oppsamler/plate. Når inngangen er null eller negativ, er utgangen nær null (men kan ikke være mettet); når inngangen er positiv, er utgangen mest positiv, dynamisk drift er den samme som forsterkerbruken beskrevet ovenfor.

Symmetrisk tilbakemeldingsnettverk eliminerer common-mode gain og common-mode bias

Figur 6: Differensialforsterker med ikke-ideell op-amp: inngangsspenningsstrøm og differensiell inngangsimpedans

Hvis operasjonsforsterkerens (ikke-ideelle) inngangsspenningsstrøm eller differensialinngangsimpedans er en betydelig effekt, kan man velge et tilbakemeldingsnettverk som forbedrer effekten av felles modus inngangssignal og forspenning. I figur 6 modellerer strømgeneratorer inngangsspenningsstrømmen ved hver terminal; I ⁺ _b og I ^- _b representerer inngangs forspenningsstrømmen ved terminaler V ⁺ og V ^- hhv.

Den Thevenin-ekvivalent for nettverket å drive V ⁺ terminalen har en spenning V ⁺ 'og impedansen R ⁺ ':

${\ displaystyle {V^{+}} '= V _ {\ tekst {i}}^{+} R _ {\ parallell}^{+}/R _ {\ tekst {i}}^{+}-I _ {\ tekst {b}}^{+} R _ {\ parallel}^{+}; \ quad {R^{+}} '= R _ {\ parallell}^{+} = R _ {\ tekst {i}}^{ +} \ parallell R _ {\ tekst {f}}^{+},}$

mens for nettverket som driver V ^- terminalen:

${\ displaystyle {V^{-}} '= V _ {\ tekst {i}}^{-} R _ {\ parallell}^{-}/R _ {\ tekst {i}}^{-}+V _ {\ tekst {out}} R _ {\ parallell}^{-}/R _ {\ tekst {f}}^{-}-I _ {\ tekst {b}}^{-} R _ {\ parallell}^{-}; \ quad {R^{-}} '= R _ {\ parallell}^{-} = R _ {\ tekst {i}}^{-} \ parallell R _ {\ tekst {f}}^{-}.}$

Utgangen til op-amp er bare den åpne sløyfeforsterkningen A _ol ganger differensiell inngangsstrøm i ganger differensiell inngangsimpedans 2 R _d , derfor

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {ol}} \ cdot 2R _ {\ text {d}} {\ frac {{V^{+}} '-{V^{-}} '} {2R _ {\ parallel}+2R _ {\ text {d}}}} = ({V^{+}}'-{V^{-}} ') A _ {\ text {ol}} R _ {\ parallell}/(R _ {\ parallell} \ parallell R _ {\ tekst {d}}),}$

hvor R _|| er gjennomsnittet av R ⁺ _|| og R ^- _|| .

Disse ligningene gjennomgår en stor forenkling hvis

${\ displaystyle R _ {\ text {i}}^{+} = R _ {\ tekst {i}}^{-}, \ quad R _ {\ tekst {f}}^{+} = R _ {\ tekst {f }}^{-},}$

resulterer i forholdet

${\ displaystyle V _ {\ text {in}}^{+}-V _ {\ text {in}}^{-}-R _ {\ text {i}} I _ {\ text {b}}^{\ Delta} = V _ {\ tekst {ut}} \ venstre [{\ frac {R _ {\ tekst {i}}} {R _ {\ tekst {f}}}}+{\ frac {1} {A _ {\ tekst {ol }} {\ frac {R _ {\ tekst {i}}} {R _ {\ tekst {i}} \ parallell R _ {\ tekst {f}} \ parallell R _ {\ tekst {d}}}}}}} \ høyre ],}$

som innebærer at forsterkningen for lukket sløyfe for differensialsignalet er V ⁺ _in  -  V ^- _in , men common-mode forsterkningen er identisk null.

Det innebærer også at inngangsspenningsstrømmen i vanlig modus har kansellert, og bare inngangsforskyvningsstrømmen I ^Δ _b = I ⁺ _b  -  I ^- _{b er} fremdeles tilstede og med en koeffisient på R _i . Det er som om inngangsoffsetstrøm tilsvarer en inngangsoffsetspenning virker over en inngangsmotstand R- _i , som er kilden motstanden i tilbakekoblingsnettverk til inngangsklemmene.

Til slutt, så lenge spenningsforsterkningen A- _ol er mye større enn enhet, er spenningsforsterkningen med lukket sløyfe R _f / R _i , verdien man ville oppnå gjennom tommelfingerregelen, kjent som "virtuell grunn ".

Fotnoter

Se også

• Gilbert celle
• Instrumenteringsforsterker
• Op-amp differensialkonfigurasjon
• Emitterkoblet logikk

Referanser

Eksterne linker

• BJT differensialforsterker - krets og forklaring
• En testbenk for differensialkretser
• Søknadsnotat : Analoge enheter-AN-0990: Avslutte en differensialforsterker i applikasjoner med én ende