Diferenciální zesilovač: princip činnosti

Diferenční zesilovač (DA) se používá k zesílení rozdílu mezi dvěma vstupními signály. Může být považován za analogový obvod, který se skládá ze dvou vstupů a jednoho výstupu.

Zesilovače používané v různých elektrických a elektronických obvodech pro generování signálů a provádění matematických operací se nazývají operační zesilovače (op ampéry). Jsou to klíčové součásti elektronického analogového počítače. Jejich vynález na počátku čtyřicátých let vedl k nahrazení mechanických počítacích zařízení tichou a rychlou elektronikou. Mnoho analogových počítačů se spoléhalo na vakuové trubky, které byly k dispozici od George Philbrick v roce 1952.

V roce 1963 realizoval Bob Vidlar ve společnosti Fairchild Semiconductor operační zesilovač na jediném integrovaném obvodu A702 - prvním monolitním operačním zesilovači IC.

Zesilovač tranzistorového obvodu

Diferenční operační zesilovač může být sestaven podle schématu, jak je znázorněno na následujícím obrázku, který se skládá ze dvou tranzistorů T1 a T2.

Obvod dálkového ovládání má dva vstupy I1 a I2 a dva výstupy V1out a V2out. Vstup I1 je přiveden do základní svorky tranzistoru T1, vstup I2 je aplikován na základní svorku tranzistoru T2. Výstupy emitorů tranzistoru T1 a tranzistoru T2 jsou propojeny se společným emitorovým odporem. Takže dva vstupní signály I1 a I2 ovlivní výstupy V1out a V2out. Obvod se skládá ze dvou napájecích napětí Vcc a Vee, ale neexistuje žádná zemnící svorka. I při jediném napájecím napětí může obvod pracovat normálně (podobně při použití dvou napájecích napětí). Následně jsou napojeny protilehlé body kladného napětí a záporného napájecího napětí na zem.

Schematický diagram práce DT

Funkce diferenciálního zesilovače je znázorněna na obrázku na obrázku níže.

Pokud se vstupní signál (I1) aplikuje na základnu tranzistoru T1, objeví se kladný pokles napětí, který je menší přes odpor připojený k tranzistorovému tranzistoru T1. Pokud vstupní signál (I1) není aplikován na základnu tranzistoru T1, objeví se kladný pokles napětí přes odpor připojený k tranzistorovému tranzistoru T1, který bude velký.

Lze říci, že invertující výstup výstupní prostřednictvím kolektorové svorky tranzistoru T1 je založen na vstupním signálu I1 dodávaném do základnové svorky T1. Pokud je zapnuta funkce T1, při použití kladné hodnoty I1, proud procházející odporem emitoru se zvyšuje, když je proud emitoru a proud kolektoru téměř stejný. Pokud dojde k poklesu napětí napříč odporem emitoru, emitor obou tranzistorů jde v pozitivním směru. Je-li emitor tranzistoru T2 kladný, potom bude základna T2 záporná a v tomto stavu bude proud menší. A bude mít menší pokles napětí přes odpor připojený ke svorce kolektoru tranzistoru T2.

Proto pro tento pozitivní kolektor vstupů bude T2 v pozitivním směru. Dá se říci, že neinvertující výstup vyskytující se na terminálu kolektoru tranzistoru T2, na základě vstupního signálu, přiváděného do spodní části T1. Diferenciální zesilovač přijímá výstup mezi kolektorem terminály tranzistorů T1 a T2. Z výše uvedeného konceptu se předpokládá, že všechny charakteristiky tranzistorů T1 a T2 jsou stejné, a v případě, že základní napětí rovno VB1 Vb2 (napětí báze tranzistoru T1 se rovná napětí báze tranzistoru T2), budou emitoru proudy obou tranzistorů se rovná (Iem1 = Iem2).

Celkový proud emitoru se tedy rovná součtu emitorových proudů T1 (Iem1) a T2 (Iem2). Výpočet diferenciálu zesilovač. Iem1 = Iem2 Ie = Iem1 + Iem2 Vev = Vb-Vb em I em = (Vb-Vb em) / Rem. Proto proud emitoru zůstává nezměněn bez ohledu na hodnotu hfe tranzistorů T1 a T2. Pokud jsou odpory připojené ke svorkám kolektorů T1 a T2 stejné, pak jejich kolektorové napětí je stejné.

Stručný popis funkce operačního zesilovače

Tento zesilovač (op-amp, anglicky Edition) může být ideální s nekonečnou zesílení a šířku pásma pro použití v režimu otevřené smyčky s typickým DC zisk o více než 100.000, nebo 100 dB. Diferenciální zesilovač operačního zesilovače proudu má dva vstupy, z nichž jeden je invertován. Zesílený rozdíl těchto vstupů je výstup na výstupu ve formě napětí. Ideální operační zesilovač má nekonečně vysoký zisk. To by mělo znamenat symbol nekonečna s novým symbolem. Operační zesilovač pracuje buď v dvojitě pozitivních (+ V), nebo s odpovídajícím negativní (-V) výkonu, nebo může pracovat na napájecím napětím DC.

Dva hlavní zákony týkající se OU

Spočívají v tom, že takový zesilovač má nekonečnou vstupní impedanci (Z = infin-), což vede k nepřítomnosti proudu, který proudí do jednoho ze dvou vstupů a nulového vstupního zkreslení napětí V1 = V2. Operační zesilovač má také nulovou výstupní impedanci (Z = 0). Optické zesilovače určují rozdíl mezi napěťovými signály aplikovanými na jejich dvě vstupní svorky a poté je vynásobí některým předem určeným zesílením (A). Tento zisk (A) je často označován jako faktor otevřené smyčky. Operační zesilovače lze připojit ve dvou základních konfiguracích - invertující a neinvertující.

Pro zápornou zpětnou vazbu, je-li napětí zpětné vazby v vstupním proudu, sníží se celkový zisk. Pro kladnou zpětnou vazbu, když je zpětnovazebné napětí v "fázi", zesiluje se vstupní signál zesilovače. Připojením výstupu zpět k zápornému vstupnímu konektoru je dosaženo 100% zpětné vazby, což má za následek napěťový sledovač (vyrovnávací paměť) s konstantním ziskem 1 (jednota). Výměním odporu s pevnou zpětnou vazbou (Rƒ) pro potenciometr bude mít obvod nastavitelný zisk.

Technické specifikace

Základní:

1. Vstupní proud nulové sekvence (vstupní předpětí) v klidové pozici, různé proudy mohou proudit na dvou vstupech. To v praxi znamená, že napětí je zkresleno v případě zdrojů s vysokým vnitřním odporem, protože zdroje jsou vystaveny různým úrovním napětí.
2. Vstupní odpor lze měřit na zemi na vstupu, pokud je druhý vstup uzemněn. Nevýhodou jsou zdroje s vysokým vnitřním odporem, které jsou částečně zatíženy vstupním odporem.
3. Vstupní kapacita - kondenzátory paralelní se vstupními rezistory. Mají rušivý účinek, zejména při vysokých frekvencích, protože kondenzátory vytvářejí další paralelní vstupní impedance, které závisí na frekvenci. V diferenciálním zesilovači závisí tento princip na tomto indikátoru.
4. Nízký zisk (zvýšení zesílení signálu) označuje zisk získaný bez zpětné vazby. To je určeno odporu zátěže 2 ohmy a výstupní napětí houpačky ± 10 V. V praxi je uvedená hodnota 200000 nikdy dosaženo, a obvykle nižší než 10 krát.
5. Odchylka napájecího napětí. Když se napětí jednoho voltu změní, zkreslení se změní o 0,3 μV. Při faktoru zesílení 300 krát se však chyba zvyšuje o 0,1 mV.
6. Otáčení výstupního napětí. Op-amp nikdy nemůže generovat plné vstupní napětí na jeho výstupu. V každém případě bude maximální výstupní napětí na vstupním napětí ± 15 V výrazně vyšší než ± 10 V. Při normálních zátěžích o ± 13 V a ideálních hodnotách pouze 1 V pod napájecím napětím.
7. Výstupní odpor je účinný odpor střídavého proudu na výstupu, pouze pro výstupní signály s nízkým a posunutým výstupem. Prakticky platí pouze v hraničních případech.
8. Zkratový proud na výstupu.
9. Napájecí proud pomocí nezatíženého operačního zesilovače s typem 1,7 mA.
10. Výkon - ztráta napájení, samozřejmě, pro nevybitý op-amp je způsobena napájecím proudem a závisí na provozním napětí. Diferenciál tranzistorový zesilovač vyžaduje určitý čas reakce a degraduje vstupní signál pomocí chmele. To se týká zatížení 2 kOhm || 100 pF a posílení "jednoty" (jediný zisk).
11. Rychlost vzestupu, aby se zabránilo nekontrolovanému otáčení. Pokud se výstupní napětí mění o 10 V, operační zesilovač vyžaduje čas obvykle 5 μs. Stává se kritickým u vysokých frekvencí, protože jeho výstupní signál je silně oslabený.

Hraniční podmínky použití

Základní:

1. Napájecí napětí je maximálně ± 18V. Většina obvodů pracuje na ± 15 V, takže na bezpečné straně.
2. Maximální ztráta výkonu (ztráta výkonu) závisí na verzi skříně a na maximální přípustné teplotě. Jednoduché 8kolíkové plastové pouzdro může pracovat 310 mW, 14kolíkové dvouřadé pouzdro může pracovat asi dvakrát tolik.
3. Vstupní napětí a rozdíly mohou být v rozmezí -15 ... + 15 V. Pájka. Během pájení (pájení) se svorky nechávají ohřát až na 300 ° C po dobu jedné minuty. Pájecí svorky se provádí ne současně, ale po jednom a až po úplném ochlazení celé součásti.
4. Zkrat na výstupní straně. Podle výrobce může výstupní zkrat trvat neomezeně, pokud jsou splněny všechny hraniční podmínky.
5. Omezení: Teplota skříně nesmí překročit 125 ° C, takže okolní teplota nesmí překročit 75 ° C

Diferenciální zesilovač s použitím BJT

Princip činnosti je znázorněn na následujícím obrázku.

Je zkonstruován pomocí dvou shodných tranzistorů v konfiguraci společného emitoru, jejichž výbojky jsou navzájem propojeny. Jednoduchý obvod schopný zesilovat malé signály dodávané mezi dvěma vstupy, ale současně potlačovat signály hluku společné pro oba vstupy.

Diferenční zesilovač na bipolárních tranzistorech (BJT) má jedinečnou topologii: dva vstupy a dva výstupy. Ačkoli můžete použít signál pouze z jednoho výstupu, rozdíl mezi oběma výstupy poskytuje dvakrát více výher! A toto zlepšuje odmítnutí v běžném režimu (CMR), když je signál společného režimu zdrojem šumu nebo stejnosměrného zkreslení z předchozí fáze.

Konfigurace kalkulačky tranzistoru

Na základě vstupních a výstupních vstupních metod mohou mít diferenční zesilovače čtyři různé konfigurace, jak je uvedeno níže.

1. Jednostupňový nevyvážený výstup.
2. Jednosměrný vyvážený výstup.
3. Nevýdělečný výstup s dvojitým vstupem.
4. Dvojitý vyvážený vstup.

Schéma zapojení zesilovače stejnosměrného proudu

Při vývoji analogových stavebních bloků (různé typy předzesilovačů, filtry atd. D.) Je důležité, aby spolu s rozvojem moderních řešení pro hluboké submikronových technologiích, dávat pozor na nové konstrukční řešení běžných zařízeních zesilujících.

Diferenciální zesilovač stejnosměrného proudu (DUPT), jehož výstupní napětí je úměrné rozdílu mezi dvěma vstupními napětími. To může být reprezentováno ve formě rovnice: V out = A * ((Vin +) - (Vin-)), kde A = faktor zisku.

Praktická aplikace

V praktických obvodech používaných pro řízení zisku: impulsů dlouhého drátu, zvuku, radiové frekvence a ovládání servo motoru, elektrokardiogram, informace o magnetických úložných zařízení.

Nevýhody

Diferenciální zesilovač má řadu nevýhod, které omezují jeho použití v elektronice:

1. Nízká hodnota vstupního odporu, například v závislosti na rezistoru, například se slabým signálem z termočlánku - DM, poskytne chybný výsledek měření.
2. Trudnoreguliruemy zisk, který by vyžadoval změnou hodnoty dvou odporů, která je prakticky obtížné realizovat, a podávány další obvodových prvků (potenciometrů nebo multiplexery) neúměrně složité obvodu.