Helt differensiell forsterker - Fully differential amplifier

En fullt differensialforsterker ( FDA ) er et like - koblet med høy forsterkning elektronisk spennings forsterker med differensialinnganger og utganger differensial. I sin ordinære bruk styres FDA-utgangen av to tilbakemeldingsveier som på grunn av forsterkerens høye forsterkning nesten bestemmer utgangsspenningen for en gitt inngang.

I en helt differensiell forsterker avvises støy i vanlig modus som forstyrrelser i strømforsyningen; dette gjør FDA-er spesielt nyttige som en del av en integrert krets med integrert signal .

En FDA brukes ofte for å konvertere et analogt signal til en form som er mer egnet for kjøring til en analog-til-digital omformer ; mange moderne ADC-er med høy presisjon har forskjellige innganger.

Den ideelle FDA

For alle inngangsspenninger har den ideelle FDA uendelig åpen sløyfeforsterkning , uendelig båndbredde , uendelig inngangsimpedanser som resulterer i null inngangsstrømmer, uendelig drepehastighet , null utgangsimpedans og null støy .

I den ideelle FDA er forskjellen på utgangsspenningene lik forskjellen mellom inngangsspenningene multiplisert med forsterkningen. Den vanlige spenningen i utgangsspenningene er ikke avhengig av inngangsspenningen. I mange tilfeller kan den vanlige modusspenningen settes direkte av en tredje spenningsinngang.

  • Inngangsspenning:
  • Utgangsspenning:
  • Utgangsspenning i vanlig modus:

Et ekte FDA kan bare tilnærme seg dette idealet, og de faktiske parametrene er utsatt for drift over tid og med endringer i temperatur, inngangsforhold, etc. Moderne integrerte FET- eller MOSFET FDA-er tilnærmer seg nærmere disse idealene enn bipolare IC-er der store signaler må være håndteres ved romtemperatur over en begrenset båndbredde; Inngangsimpedansen er spesielt mye høyere, selv om den bipolare FDA vanligvis utviser overlegen (dvs. lavere) inngangsforskyvningsdrift og støyegenskaper.

Der begrensningene for virkelige enheter kan ignoreres, kan en FDA sees på som en Black Box med gevinst. kretsfunksjon og parametere bestemmes av tilbakemelding , vanligvis negative. En FDA som implementert i praksis er moderat kompleks integrert krets .

Begrensninger av ekte FDA-er

DC ujevnheter

  • Endelig forsterkning - effekten blir mest uttalt når den generelle utformingen prøver å oppnå gevinst nær den iboende gevinsten til FDA.
  • Endelig inngangsmotstand - dette setter en øvre grense for motstandene i tilbakemeldingskretsen.
  • Ikke-utgående motstand - viktig for belastninger med lav motstand. Bortsett fra veldig liten spenningsutgang, kommer strømhensyn vanligvis inn i spillet først. (Utgangsimpedansen er omvendt proporsjonal med tomgangsstrømmen i utgangstrinnet - veldig lav tomgangsstrøm resulterer i veldig høy utgangsimpedans.)
  • Inngangs skjevhet strøm - en liten mengde strøm (typisk ~ 10 nA for bipolare FDAs, eller picoamperes for CMOS motiver) strømmer inn i inngangene. Denne strømmen er lite samsvarende mellom inverterende og ikke-inverterende innganger (det er en inngangsforskyvningsstrøm). Denne effekten er vanligvis viktig bare for kretser med svært lav effekt.
  • Inngangsoffsetspenning - FDA vil frembringe et utgangssignal selv når inngangsbein er på nøyaktig samme spenning. For kretsløp som krever nøyaktig likestrømdrift, må denne effekten kompenseres.
  • Common mode gain - En perfekt driftsforsterker forsterker bare spenningsforskjellen mellom de to inngangene, og avviser fullstendig alle spenninger som er felles for begge. Imidlertid er differensialinngangstrinnet til en FDA aldri perfekt, noe som fører til forsterkning av disse identiske spenningene til en viss grad. Standardmålet på denne feilen kalles vanlig avvisningsforhold (betegnet CMRR). Minimering av forsterkning av vanlig modus er vanligvis viktig i ikke-inverterende forsterkere (beskrevet nedenfor) som fungerer ved høy forsterkning.
  • Temperatureffekter - alle parametere endres med temperaturen. Temperaturdrift av inngangsforskyvningsspenningen er spesielt viktig.

AC-ufullkommenheter

  • Endelig båndbredde - alle forsterkere har en begrenset båndbredde. Dette er fordi FDAs bruke interne frekvensen kompensasjon for å øke fase margin .
  • Inngangs kapasitans - viktigst for høyfrekvent drift, fordi det reduserer det åpne sløyfebåndbredden av forsterkeren ytterligere.
  • Vanlig modusforsterkning - Se DC-ufullkommenheter ovenfor.
  • Støy - alle ekte elektroniske komponenter genererer støy.

Ikke-lineære ufullkommenheter

  • Metning - utgangsspenning er begrenset til en toppverdi, vanligvis litt mindre enn strømforsyningsspenningen . Metning oppstår når differensiell inngangsspenning er for høy for forsterkerens forsterkning, og fører utgangsnivået til den toppverdien.
  • Slewing - forsterkerens utgangsspenning når sin maksimale endringshastighet. Målt som slevehastigheten er det vanligvis spesifisert i volt per mikrosekund. Når det drepes, har ytterligere økninger i inngangssignalet ingen innvirkning på endringshastigheten til utgangen. Sleving er vanligvis forårsaket av interne kapasitanser i forsterkeren, spesielt de som brukes til å implementere dens frekvenskompensasjon , spesielt ved bruk av polsplitting .
  • Ikke- lineær overføringsfunksjon - Utgangsspenningen er kanskje ikke nøyaktig proporsjonal med forskjellen mellom inngangsspenningene. Det kalles ofte forvrengning når inngangssignalet er en bølgeform. Denne effekten vil være veldig liten i en praktisk krets hvis betydelig negativ tilbakemelding brukes.

Makthensyn

  • Begrenset utgangseffekt - dersom høy utgangseffekt er ønsket, må en op-amp er spesielt konstruert for dette formålet anvendes. De fleste op-ampere er designet for lite strømdrift og er vanligvis bare i stand til å drive utgangsmotstand ned til 2 kΩ.
  • Begrenset utgangsstrøm - utgangsstrømmen må åpenbart være begrenset. I praksis er de fleste op-ampere designet for å begrense utgangsstrømmen for ikke å overskride et spesifisert nivå og dermed beskytte FDA og tilhørende kretsløp mot skader.

DC oppførsel

Åpen sløyfeforsterkning er definert som forsterkningen fra inngang til utgang uten tilbakemelding . For de fleste praktiske beregninger antas open-loop-forsterkningen å være uendelig; i virkeligheten er det tydeligvis ikke. Typiske enheter viser åpen sløyfe-forsterkning fra 100 000 til over 1 million; dette er tilstrekkelig stort til at kretsforsterkning nesten helt kan bestemmes av mengden negativ tilbakemelding som er brukt. Op-ampere har ytelsesgrenser som designeren må huske på og noen ganger jobbe rundt. Spesielt er ustabilitet mulig i en DC-forsterker hvis AC-aspekter blir neglisjert.

AC oppførsel

FDA-gevinsten beregnet ved DC gjelder ikke ved høyere frekvenser. Til en første tilnærming er gevinsten av en typisk FDA omvendt proporsjonal med frekvensen. Dette betyr at en FDA er preget av produktets forsterkningsbåndbredde . For eksempel vil en FDA med et forsterkningsbåndbreddeprodukt på 1 MHz ha en forsterkning på 5 ved 200 kHz, og en forsterkning på 1 ved 1 MHz. Denne lavpass- karakteristikk er innført med hensikt, fordi det har en tendens til å stabilisere kretsen ved å innføre en dominerende pol. Dette er kjent som frekvenskompensering .

En typisk lavkostnads ​​generell FDA vil ha et gevinst-båndbreddeprodukt på noen få megahertz. Spesialitets- og høyhastighets-FDA-er kan oppnå båndbreddeprodukter på flere hundre megahertz. Noen FDA er til og med i stand til å oppnå båndbreddeprodukter større enn en gigahertz.

referanser

Se også

Eksterne linker