Диференциален усилвател: принципът на работа

Диференциалният усилвател (DA) се използва за усилване на разликата между два входни сигнали. Тя може да се разглежда като аналогова схема, състояща се от два входа и един изход.

Усилвателите, използвани в различни електрически и електронни схеми за генериране на сигнали и извършване на математически операции, се наричат ​​операционни усилватели (op amps). Те са ключовите компоненти на електронния аналогов компютър. Техното изобретение в началото на 40-те години доведе до замяната на механичните преброителни устройства с тиха и бърза електроника. Много аналогови компютри разчитаха на вакуумни тръби, достъпни от Джордж Филбрик през 1952 г.

През 1963 г. Боб Видлар от Fairchild Semiconductor направи оперативния усилвател на една интегрална схема A702 - първият монолитен операционен усилвател IC.

Транзисторен усилвател

Диференциалният операционен усилвател може да бъде монтиран съгласно схемата, както е показано на фигурата по-долу, състояща се от два транзистора Т1 и Т2.

Дистанционното управление има два входа I1 и I2 и два изхода V1out и V2out. Входът I1 се захранва към базовия терминал на транзистора Т1, входът I2 се прилага към базовия терминал на транзистора Т2. Емитерните изходи на транзистор Т1 и транзистор Т2 са свързани към общ емитер резистор. По този начин двата входни сигнали I1 и I2 ще повлияят на изходите V1out и V2out. Веригата се състои от две захранващи напрежения Vcc и Vee, но няма земна клема. Дори при едно захранващо напрежение, веригата може да работи нормално (подобно при използване на две захранващи напрежения). Следователно, противоположните точки на положителното напрежение и отрицателното захранващо напрежение са свързани към земята.

Схематично описание на работата на DT

Работата на диференциалния усилвател е показана на диаграмата на фигурата по-долу.

Ако входния сигнал (I1) се подава към основата на Т1 транзистор, чрез резистор свързан към транзистора Т1 транзистор, положителен напрежението изглежда по-малък. Ако входния сигнал (I1) не се подава към основата на Т1 транзистор, чрез резистор свързан към транзистора Т1 транзистор, положителен напрежението изглежда е голям.

Може да се каже, че инвертиращият изходен изход през колекторния терминал на транзистора Т1 се основава на входния сигнал I1, доставен към базовия терминал Т1. Ако Т1 е включен, прилагайки положителна стойност на I1, токът, преминаващ през съпротивлението на емитер, се увеличава, когато токът на излъчвателя и токът на колектора са почти равни. Ако спадът на напрежението в съпротивлението на емитер се увеличи, тогава емитер на двата транзистора отива в положителна посока. Ако емитерът на транзистора Т2 е положителен, тогава базата Т2 ще бъде отрицателна, и в това състояние токът ще бъде по-малък. И ще има по-малко напрежение в резистора, свързан към колекторния терминал на транзистора Т2.

Ето защо, за този положителен вход колектор, T2 ще отиде в положителна посока. Може да се каже, че неинвертиращ изход срещащи се в колекторния извод на транзистор Т2, на базата на входния сигнал се подава към основата на Т1. Диференциалният усилвател получава изходния сигнал между колекторните клеми на транзисторите Т1 и Т2. От горното понятие се приема, че всички характеристики на Т1 транзистори и Т2 са идентични, и ако базовата напрежение, равно ВБ 1 VB2 (база напрежение на Т1 транзистор е равна на база напрежение на Т2 транзистор), емитерните течения на двете транзистори ще бъдат равни на (Iem1 = Iem2).

Така общият излъчващ ток ще бъде равен на сумата от емитерните токове Т1 (Iem1) и Т2 (Iem2). Изчисляване на разликата усилвател. Iem1 = Iem2 Ie = Iem1 + Iem2VeV = Vb-Vb em I em = (Vb-Vb em) / Rem. По този начин, излъчвателният ток остава непроменен независимо от стойността на hfe на транзисторите Т1 и Т2. Ако резисторите, свързани към колекторните клеми T1 и T2 са еднакви, тогава колекторите им са равни.

Кратко описание на работата на операционния усилвател

Този усилвател (оп-усилвател, английски Edition) може да бъде идеален с безкрайна печалба и трафик за използване в режим на отворен контур с типичен DC печалба от повече от 100 000 или 100 децибела. Диференциалният токов усилвател на усилвателя има два входа, единият от които е обърнат. Усилената разлика на тези входове се извежда на изхода под формата на напрежение. Идеалният оперативен усилвател има безкрайно висока печалба. Това трябва да изразява символа на безкрайността с новия символ. Оперативният усилвател работи в или двойна положителен (+ V), или със съответния отрицателен (-V) мощност, или може да работи на захранване DC напрежение.

Двата основни закона, свързани с ОУ

Те се състоят във факта, че такъв усилвател има безкраен импеданс на входа (Z = infin-), което води до отсъствието на ток, който тече в един от двата си входа и нулево входно напрежение V1 = V2. Операционният усилвател също има нулев изходен импеданс (Z = 0). Оптичните усилватели определят разликата между напрегнатите сигнали, приложени към техните два входни терминала, и след това ги умножават по предварително определена печалба (А). Тази печалба (А) често се нарича фактор за отворена верига. Оп усилвателите могат да бъдат свързани в две основни конфигурации - инвертиране и неинвертиране.

За отрицателна обратна връзка, ако напрежението на обратна връзка е в антифазата на входа, общата печалба е намалена. За положителна обратна връзка, когато обратна връзка напрежение съхраняват в "фаза", сигнални увеличава входните усилвател. Чрез свързване на изхода обратно към отрицателния входен извод, постигнато 100% обратна връзка, при което напрежението последовател верига (буфер) се получава с постоянна печалба 1 (единство). Със замяната на резистор с фиксирана обратна връзка (Rƒ) за потенциометъра, веригата ще има регулируемо печалба.

Технически спецификации

Легенда:

1. Входният ток на нулевата последователност (входен ток на приноса) в покой, различни токове могат да протичат при два входа. Това на практика означава, че напрежението е изкривено при източници с високо вътрешно съпротивление, тъй като източниците са подложени на различни нива на напрежение.
2. Съпротивлението на входа може да се измерва спрямо земята на входовете, при условие, че другият вход е заземен. Недостатъкът тук е източниците с високо вътрешно съпротивление, които са частично натоварени с входното съпротивление.
3. Входен капацитет - кондензатори, успоредни на входните резистори. Те имат смущаващ ефект, особено при високи честоти, тъй като кондензаторите създават допълнителни паралелни входни импеданси, които зависят от честотата. В диференциалния усилвател принципът на работа зависи от този индикатор.
4. Ниска печалба (увеличение на сигнала) показва печалбата, която се получава без обратна връзка. Определя се със съпротивление на натоварване от 2 kΩ и колебание на изходното напрежение от ± 10 V. На практика тази стойност от 200 000 никога не е постигната и обикновено е по-малка с коефициент 10.
5. Отклонение на напрежението на захранването. Когато напрежението от един волта се промени, отклонението се променя с 0,3 μV. Въпреки това, при фактор на усилване 300 пъти, грешката се увеличава с 0,1 mV.
6. Изместване на изходното напрежение. ОП-усилвателят никога не може да генерира пълно входно напрежение при изхода. Във всеки случай максималното изходно напрежение при входното напрежение от ± 15 V ще бъде значително по-високо от ± 10 V. При нормални натоварвания от около ± 13 V и идеални - само 1 V под захранващото напрежение.
7. Изходното съпротивление е ефективното съпротивление на променливия ток на изхода, само за изходните сигнали с нисък и отклонен изход. Практически приложимо само в гранични случаи.
8. Ток на късо съединение на изхода.
9. Захранващ ток с помощта на ненатоварен операционен усилвател с тип 1.7 mA.
10. Изпълнение - загубата на мощност, разбира се, при ненатоварен усилвател е причинена от захранващия ток и зависи от работното напрежение. диференциал транзисторен усилвател изисква известно време за реакция и разгражда входния сигнал с хоп. Това се отнася до товар от 2 kOhm || 100 pF и укрепването на "единството" (единична печалба).
11. Скорост на нарастване, за да се предотврати неконтролираното люлеене. Ако изходното напрежение се промени с 10 V, оперативният усилвател изисква време от обикновено 5 μs. Той става критичен при високи честоти, тъй като неговият изходен сигнал е силно отслабен.

Гранични условия на употреба

Легенда:

1. Захранващото напрежение е максимум ± 18V. Повечето вериги работят на ± 15 V, така че на безопасна страна.
2. Максималната загуба на мощност (разсейване на мощността) зависи от версията на корпуса и максималната допустима температура. Един прост 8-пинов пластмасов корпус може да се справя с 310 mW, 14-пинов двуредов корпус може да работи около два пъти повече.
3. Входните напрежения и разлики могат да бъдат в обхвата -15 ... + 15 V. Поялник. При запояване (запояване) терминалите се оставят да загреят до 300 ° C в продължение на една минута. Запояването към терминалите се извършва не едновременно, но един по един и само след като целият компонент е напълно охладен.
4. Късо съединение на изходната страна. Според производителя изходното късо съединение може да продължи безкрайно, ако са изпълнени всички гранични условия.
5. Ограничения: Температурата на корпуса не трябва да надвишава 125 ° C, така че температурата на околната среда да не надвишава 75 ° C

Диференциален усилвател, използващ BJT

Принципът на функционирането му е показан на диаграмата по-долу.

Той е конструиран с два съвпадащи транзистора в обща конфигурация на емитер, чиито излъчватели са свързани помежду си. Проста схема, способна да усилва малки сигнали, подадени между два входа, като в същото време потиска шумовите сигнали, общи за двата входа.

Диференциалният усилвател на биполярни транзистори (BJT) има уникална топология: два входа и два изхода. Въпреки че можете да използвате само сигнала от един изход, разликата между двата изхода осигурява два пъти повече печалби! И това подобрява отхвърлянето на общия режим (CMR), когато сигналът за общ режим е източник на шум или DC пристрастия от предишния етап.

Конфигуриране на транзисторния калкулатор

Въз основа на методите за вход и изход, диференциалните усилватели могат да имат четири различни конфигурации, както е показано по-долу.

1. Еднофазен небалансиран изход.
2. Балансиран изход с един вход.
3. Небалансиран изход с двоен вход.
4. Двоен балансиран вход.

Схематична схема на усилвател на постоянен ток

При проектирането на аналогови блокове (различни видове предусилватели, филтри и др.) Е важно заедно с разработването на съвременни решения за дълбоки субмикронни технологии да се обърне внимание на новите структурни решения на традиционните усилващи устройства.

Диференциален усилвател на постоянен ток (DUPT), изходното му напрежение е пропорционално на разликата между двете входни напрежения. Това може да бъде представено под формата на уравнение, както следва: V out = A * ((Vin +) - (Vin-)), където A = коефициент на усилване.

Практическо приложение

В практическите схеми се използва дистанционно управление за усилване: импулси по дълги проводници, звук, радио честоти, управление на двигатели и сервомотори, електрокардиограми, информация за магнитни устройства за съхранение.

недостатъци

Диференциалният усилвател има редица недостатъци, които до известна степен ограничават употребата му в електрониката:

1. Ниска стойност на входното съпротивление, в зависимост от резистора, например със слаб сигнал от термодвойка - DM ще даде грешен резултат от измерването.
2. Едно трудно регулиращо усилване, което изисква промяна в стойността на двата резистора, което практически е невъзможно да се осъществи, и въвеждането на допълнителни елементи (потенциометри или мултиплексори) в схемата ще усложни ненужно веригата.