Amplificator diferențial: principiul funcționării

Amplificatorul diferențial (DA) este folosit pentru a amplifica diferența dintre două semnale de intrare. Acesta poate fi considerat un circuit analogic, format din două intrări și o ieșire.

Amplificatoarele utilizate în diverse circuite electrice și electronice pentru generarea de semnale și pentru efectuarea operațiilor matematice se numesc amplificatoare operaționale (op amperi). Acestea sunt componentele cheie ale unui computer analogic electronic. Invenția lor la începutul anilor 1940 a dus la înlocuirea dispozitivelor de numărare mecanică cu electronica liniștită și rapidă. Multe calculatoare analogice se bazau pe tuburi vidate, disponibile de la George Philbrick în 1952.

În 1963, Bob Vidlar de la Fairchild Semiconductor a realizat un amplificator op cu un singur circuit integrat A702 - primul amplificator operațional monolitic IC.

Transistor Amplifier Circuit

Amplificatorul operațional diferențial poate fi asamblat conform schemei, așa cum se arată în figura de mai jos, care constă din două tranzistoare T1 și T2.

Circuitul de telecomandă are două intrări I1 și I2 și două ieșiri V1out și V2out. Intrarea I1 este furnizată terminalului de bază al tranzistorului T1, intrarea I2 este aplicată terminalului de bază al tranzistorului T2. Ieșirile emițătorului tranzistorului T1 și ale tranzistorului T2 sunt conectate la un rezistor emițător comun. Astfel, cele două semnale de intrare I1 și I2 vor afecta ieșirile V1out și V2out. Circuitul constă din două tensiuni de alimentare Vcc și Vee, dar nu există nici un terminal de masă. Chiar și cu o singură tensiune de alimentare, circuitul poate funcționa normal (similar atunci când se utilizează două tensiuni de alimentare). În consecință, punctele opuse de tensiune pozitivă și tensiune de alimentare negativă sunt conectate la masă.

Diagrama schematică a activității DT

Funcționarea amplificatorului diferențial este prezentată în diagrama din figura de mai jos.

Dacă semnalul de intrare (I1) este furnizat la baza tranzistorului T1, prin rezistor conectat la tranzistor, tranzistorul T1, o cădere de tensiune pozitivă pare să fie mai mică. Dacă semnalul de intrare (I1) nu este furnizat la baza tranzistorului T1, prin rezistor conectat la tranzistor, tranzistorul T1, o cădere de tensiune pozitivă pare a fi mare.

Se poate spune că ieșirea inversoare care iese prin terminalul colector al tranzistorului T1 se bazează pe semnalul de intrare I1 furnizat terminalului de bază T1. Dacă T1 este activat, aplicând o valoare pozitivă a lui I1, curentul care trece prin rezistența emitorului crește atunci când curentul emițătorului și curentul colectorului sunt aproape egale. Dacă scăderea tensiunii pe rezistența emitorului crește, atunci emițătorul ambelor tranzistoare merge în direcția pozitivă. Dacă emițătorul tranzistorului T2 este pozitiv, atunci baza T2 va fi negativă, iar în această stare curentul va fi mai mic. Și va exista o scădere mai mică a tensiunii peste rezistorul conectat la terminalul colector al tranzistorului T2.

Prin urmare, pentru acest colector de intrare pozitiv, T2 va merge în direcția pozitivă. Putem spune că ieșirea non-răsturnare care apare la terminalul colector al tranzistorului T2, bazată pe semnalul de intrare alimentat la baza T1. Amplificatorul diferențial primește semnalul de ieșire dintre bornele colectoare ale tranzistorilor T1 și T2. Din conceptul de mai sus, se presupune că toate caracteristicile tranzistoarelor T1 și T2 sunt identice, iar dacă tensiunea de bază egală VB1 VB2 (tensiunea de bază a tranzistorului T1 este egală cu tensiunea de bază a tranzistorului T2), curenții emițător de ambele tranzistori va fi egală cu (Iem1 = Iem2).

Astfel, curentul total al emițătorului va fi egal cu suma curenților emise T1 (Iem1) și T2 (Iem2). Calculul diferențialului amplificator. Iem1 = Iem2 Ie = Iem1 + Iem2 VeV = Vb-Vb em I em = (Vb-Vb em) / Rem. Astfel, curentul emițătorului rămâne neschimbat indiferent de valoarea hfe a tranzistorilor T1 și T2. Dacă rezistoarele conectate la bornele colectoare T1 și T2 sunt egale, atunci tensiunile colectorului lor sunt de asemenea egale.

Scurtă descriere a funcționării amplificatorului operațional

Acest amplificator (Op-amp, Ediție) poate fi ideal cu câștig infinit și lățime de bandă pentru utilizarea în modul în buclă deschisă, cu un câștig tipic de curent continuu de mai mult de 100.000, sau 100 dB. Amplificatorul de curent diferențial al amplificatorului op are două intrări, dintre care unul este inversat. Diferența amplificată a acestor intrări este ieșită la ieșire sub forma unei tensiuni. Un amplificator operațional ideal are un câștig infinit de mare. Aceasta ar trebui să exprime simbolul infinitului cu noul simbol. Amplificatorul operațional funcționează fie pozitiv dublu (+ V) sau cu un negativ corespunzător (-V) de putere, sau poate funcționa cu o tensiune de alimentare de curent continuu.

Cele două legi principale referitoare la OU

Ele constau în faptul că un astfel de amplificator are o impedanță de intrare infinită (Z = infin-), ceea ce duce la absența unui curent care curge în una din cele două intrări și la o tensiune de polarizare de intrare zero V1 = V2. Amplificatorul operațional are și o impedanță de ieșire zero (Z = 0). Amplificatoarele optice determină diferența dintre semnalele de tensiune aplicate celor două terminale de intrare și apoi înmulțesc-le cu un câștig predeterminat (A). Acest câștig (A) este adesea denumit Factorul de buclă deschisă. Amperile op sunt conectate în două configurații de bază - inversoare și non-inversoare.

Pentru feedback-ul negativ, dacă tensiunea de reacție este în antifază la intrare, câștigul total este redus. Pentru feedback-ul pozitiv, atunci când tensiunea de răspuns este în "fază", semnalul de intrare al amplificatorului este mărit. Prin conectarea ieșirii înapoi la terminalul de intrare negativ, a atins un feedback de 100%, prin care un circuit de tensiune adept (tampon) se obține cu un câștig constant 1 (Unitate). Prin înlocuirea unui rezistor cu un răspuns fix (Rƒ) pentru un potențiometru, circuitul va avea un câștig reglabil.

Specificații tehnice

cheie:

1. Curentul de intrare al secvenței zero (curentul de bias de intrare) în poziția de repaus, diferiți curenți pot circula la două intrări. Acest lucru înseamnă în practică faptul că tensiunea este distorsionată în cazul surselor cu rezistență internă ridicată, deoarece sursele sunt supuse la niveluri diferite de tensiune.
2. Rezistența la intrare poate fi măsurată față de sol la intrări, cu condiția ca cealaltă intrare să fie legată la pământ. Dezavantajul este sursele cu rezistență internă ridicată, care sunt parțial încărcate cu rezistența la intrare.
3. Capacitate de intrare - condensatori paralele cu rezistențele de intrare. Ele au un efect deranjant, în special la frecvențe înalte, deoarece condensatoarele creează impedanțe suplimentare de intrare paralele care depind de frecvență. În amplificatorul diferențial, principiul de funcționare depinde de acest indicator.
4. Câștigul scăzut (creșterea câștigului de semnal) indică câștigul obținut fără feedback. Se determină cu o rezistență de sarcină de 2 kΩ și o fluctuație a tensiunii de ieșire de ± 10 V. În practică, această valoare de 200.000 nu a fost realizată niciodată și este de obicei mai mică cu un factor de 10.
5. Deviația tensiunii sursei de alimentare. Când tensiunea de un volt se modifică, diferența se modifică cu 0,3 μV. Cu toate acestea, cu un factor de amplificare de 300 de ori, eroarea crește cu 0,1 mV.
6. Levierul tensiunii de ieșire. Op-amp nu poate genera niciodată o tensiune de intrare completă la ieșire. În orice caz, tensiunea maximă de ieșire atunci când tensiunea de intrare de ± 15 V este semnificativ peste ± 10 V. Sub sarcină normală de aproximativ ± 13 V și o mare - doar 1 V mai mică decât tensiunea de alimentare.
7. Rezistența la ieșire este rezistența efectivă a curentului alternativ la ieșire, numai pentru semnalele de ieșire cu ieșire scăzută și cu ieșire offset. Practic se aplică numai în cazuri limită.
8. Circuitul de scurtcircuit la ieșire.
9. Alimentarea curentului cu ajutorul unui amplificator operațional descărcat, cu un tip de 1,7 mA.
10. Performanța - pierderea de putere, desigur, pentru un op-amp amânat este cauzată de curentul de alimentare și depinde de tensiunea de funcționare. diferențială amplificator tranzistor necesită un anumit timp de reacție și degradează semnalul de intrare cu o hamei. Aceasta se referă la o sarcină de 2 kOhm || 100 pF și consolidarea "unității" (câștig unic).
11. Rata de creștere pentru a preveni oscilația necontrolată. Dacă tensiunea de ieșire se modifică cu 10 V, amplificatorul operațional necesită un timp de obicei de 5 μs. Ea devine critică la frecvențe înalte, deoarece semnalul de ieșire este puternic atenuat.

Condiții limită de utilizare

cheie:

1. Tensiunea de alimentare este maxim ± 18V. Cele mai multe circuite funcționează la ± 15 V, deci pe partea sigură.
2. Pierderea maximă a puterii (disiparea puterii) depinde de versiunea incintei și de temperatura maximă admisă. O carcasă simplă de 8 pini din plastic poate manipula 310 mW, un caz cu două pini de 14 pini poate funcționa cam de două ori mai mult.
3. Tensiunile și diferențele de intrare pot fi în intervalul -15 ... + 15 V. Solder. În timpul lipirii (lipire), terminalele sunt lăsate să se încălzească până la 300 ° C timp de un minut. Lipirea la terminale se face nu simultan, ci unul câte unul și numai după ce întregul component a fost răcit complet.
4. Scurtcircuit pe partea de ieșire. Potrivit producătorului, scurtcircuitul de ieșire poate dura pe termen nelimitat dacă sunt îndeplinite toate condițiile limită.
5. Limitare: Temperatura carcasei nu trebuie să depășească 125 ° C, astfel încât temperatura ambiantă să nu depășească 75 ° C

Diferențial amplificator folosind BJT

Principiul funcționării sale este prezentat în diagrama de mai jos.

Acesta este construit folosind două tranzistoare de potrivire într-o configurație comună a emițătorului, ale căror emițătoare sunt conectate una la cealaltă. Un circuit simplu capabil să amplifice semnalele mici furnizate între două intrări, dar în același timp să suprime semnalele de zgomot comune celor două intrări.

Amplificatorul diferențial pe tranzistoarele bipolare (BJT) are o topologie unică: două intrări și două ieșiri. Deși puteți folosi doar semnalul de la o ieșire, diferența dintre cele două ieșiri oferă câștiguri de două ori mai mult! Și acest lucru îmbunătățește respingerea în modul comun (CMR) atunci când semnalul de mod comun este sursa de zgomot sau părtinire DC din etapa anterioară.

Configurarea calculatorului tranzistor

Pe baza metodelor de intrare și ieșire, amplificatoarele diferențiale pot avea patru configurații diferite, după cum se arată mai jos.

1. Ieșire dezechilibrată monofazată.
2. Ieșire echilibrată la ieșire.
3. Intrare dezechilibrată de intrare dublă.
4. Intrare dublă echilibrată.

Schema schematică a unui amplificator de curent continuu

Când se proiectează blocuri de construcție analogice (diferite tipuri de preamplificatoare, filtre etc.), este important ca, odată cu dezvoltarea de soluții moderne pentru tehnologii submicronice profunde, să se acorde atenție noilor soluții structurale ale dispozitivelor tradiționale de amplificare.

Amplificator diferențial de curent continuu (DUPT), tensiunea sa de ieșire este proporțională cu diferența dintre cele două tensiuni de intrare. Aceasta poate fi reprezentată sub forma unei ecuații după cum urmează: V out = A * ((Vin +) - (Vin-)), unde A = factorul de câștig.

Aplicare practică

În schemele practice se utilizează controlul la distanță pentru a amplifica: impulsuri de lungă durată, sunete, frecvențe radio, controlul motoarelor și servomotoarelor, electrocardiograme, informații despre dispozitivele magnetice de stocare.

deficiențe

Amplificatorul diferențial are un număr de dezavantaje care limitează oarecum utilizarea sa în electronică:

1. O valoare mică a rezistenței de intrare, în funcție de rezistență, de exemplu, cu un semnal slab de la termocuplu - DM va da un rezultat eronat de măsurare.
2. Un câștig greu de reglat care necesită o schimbare a valorii celor două rezistoare, practic imposibil de implementat, și introducerea unor elemente suplimentare (potențiometre sau multiplexoare) în circuit vor complica în mod nejustificat circuitul.