Дифференциальный усилитель принцип работы: принцип работы, схемы и т.д.

принцип работы, схемы и т.д.

Дифференциальный усилитель — операционный усилитель, являющийся сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Дифференциальные усилители могут определить и усиливать разницу между входными сигналами. Поскольку многие дифференциальные усилители способны определять очень маленькую по величине разницу, они очень часто используются в контрольно-измерительных устройствах.

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Дифференциальный усилитель состоит из одного операционного усилителя и нескольких резисторов. Отличие дифференциального усилителя от других усилителей состоит в том, что обычно напряжение подается на оба его входа. Именно это позволяет легко отличить дифференциальный усилитель на принципиальной схеме.

К недостатка дифференциальных усилителей можно отнести входное сопротивление усилителя, которое слишком низкое для его широкого использования. Также затруднительно регулировать коэффициент усиления усилителя так, чтобы это не влияло на его входное сопротивление, поскольку входному резистору и резистору цепи обратной связи должны соответствовать уравновешивающие их резисторы.

Принцип действия дифференциального усилителя

В схемах других операционных усилителей напряжение на опорном соединении всегда было равно входному напряжению, но с дифференциальным усилителем дело обстоит иначе. В дифференциальном усилителе напряжение на опорном соединении всегда будет отличаться от напряжения на неинвертирующем входе; фактически, оно всегда будет ниже напряжения на неинвертирующем входе.

Инвертирующий вход дифференциального усилителя имеет те же характеристики, что и инвертирующего усилителя.

В дифференциальном усилителе выходное напряжение, образующееся при подаче напряжения на инвертирующий вход, если его рассматривать отдельно, и выходное напряжение, образующееся при подаче напряжения на неинвертирующий вход, если его также рассматривать отдельно, равны указанным входным напряжениям, умноженным на коэффициент усиления усилителя. Кроме того, коэффициент усиления усилителя равен отношению сопротивления резистора цепи обратной связи к входному резистору, Rfb/Rin.

Некоторые дифференциальные усилители имеют встроенные защитные схемы, предохраняющие от чрезмерного входного напряжения. Другие усилители не имеют внутренних компенсирующих элементов и поэтому должны использовать внешние элементы. Для этих целей обычно используются диоды, называемые фиксирующими диодами. Вместо обычных диодов могут быть использованы стабилитроны. Если превышено предельно допустимое дифференциальное входное напряжение, стабилитроны переходят в проводящее состояние, отводя чрезмерное входное напряжение в обход входных зажимов усилителя. И наконец, дифференциальные усилители могут иметь элементы частотной коррекции.

Дифференциальные усилители | HomeElectronics

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о генераторах пилообразного напряжения с использованием отрицательной обратной связи. Сегодняшняя статья посвящена такому классу электронных схем, как дифференциальные усилители.

Электрический мост – основа дифференциального усилителя

Одним из условий развития современной промышленности производства является широкое внедрение и использования средств автоматики и контроля. Для этого разработано большое количество различных датчиков, которые позволяют контролировать большинство параметров технологических процессов и характеристик выходного продукта.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

При современных требованиях к параметрам, выходной сигнала датчиков находится в пределах 0…20 мА, при этом колебания выходного сигнала соизмеримы с колебаниями источников питания устройств контроля (десятки мкА), а частота колебаний может составлять доли Герца. Поэтому применение обычных аналоговых усилителей весьма проблематично, вследствие того, что между каскадами усилителя обычно ставятся разделительные конденсаторы, не пропускающие постоянной составляющей сигнала. Кроме того конденсаторы вносят искажение в выходной сигнал.

Выходом из сложившейся ситуации является использование усилителей выполненных по так называемым балансным (балансно-разностным) схемам. Работа данных схем основана на электрическом мосту с симметричными плечами

Электрический мост с симметричными плечами.

Работа моста описывается следующим выражением

Таким образом, если выполняется данное условие, то при изменении напряжения питания ток в нагрузке остается равным нулю.

Схема дифференциального усилителя

Усилитель, выполненный по схеме электрического моста, называется дифференциальным усилителем и предназначен усиления разности между двумя входными сигналами. Простейшая схема дифференциального каскада усиления представлена ниже

Схема дифференциального каскада усиления.

Данная схема реализует электрический мост, плечи которого составляют резисторы R3 = R7 (коллекторные нагрузки транзисторов) и внутренне сопротивление транзисторов VT1 и VT2 совместно с резисторами R4’, R4’’ и R5. В одну из диагоналей моста подключен источник питания Ек, а в другую нагрузка, подключенная к выходным выводам (Вых.1 и Вых.2). Резисторы R1 = R7 и R2 = R8 служат для задания режимов работы транзисторов, а резисторы R4’, R4’’ и R5 для балансировки моста. Нормальная работа схемы обеспечивается симметрией электрического моста, в этом случае при отсутствии входного сигнала со стороны входа (Вх.1 и Вх.2) напряжение на выходе будет равно нулю в независимости от изменения напряжения питания.

Принцип работы дифференциального усилителя

Как говорилось выше, правильная работа дифференциального усилителя возможна при точной симметрии схемы. В этом случае ток покоя в обоих транзисторах и их изменение имеют одинаковое значение, так же как и напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2. Таким образом, при воздействии внешних факторов на транзисторы баланс моста не нарушается, а выходное напряжение не изменяется. В случае воздействия входного напряжения на один или оба входа схемы происходит изменение внутреннего сопротивления одного или обоих транзисторов и происходит разбалансировка моста и изменение выходного напряжения.

В реальных схемах достаточно трудно обеспечить абсолютную симметрию схемы, поэтому для регулировки токов покоя транзисторов используются резисторы R4’ и R4’’, которые иногда объединяют в общий переменный или подстроечный резистор, сопротивление которого составляет

Дифференциальные каскады усиления могут работать как с симметричными, так и с несимметричными входами и выходами. Несимметричным вход называется, в случае если входной сигнал поступает на один из входов (Вх.1 или Вх.2) и общим выводом, а симметричный вход – сигнал поступает между входными выводами. В случае с выходом происходит аналогичное именование: несимметричный выход – один из выходов (Вых.1 или Вых.2) и общий вывод, симметричный выход – между выходными выводами Вых.1 и Вых.2.

Несимметричные дифференциальные каскады обычно используются для перехода от несимметричных каскадов к симметричным каскадам и наоборот.

Основные параметры дифференциальных усилителей

Для дальнейшего повествования необходимо ввести такие понятия как дифференциальные и синфазные сигналы, которые действуют в дифференциальном усилителе.

Дифференциальные сигналы называют сигналы одинаковой амплитуды, но противоположные по фазе, присутствующие на входах дифференциального усилителя независимо от точки заземления усилителя.

Синфазные сигналы – это сигналы, имеющие одинаковую амплитуду и фазу одновременно присутствующие на обоих входах дифференциального усилителя.

Объяснить значение данных сигналов достаточно просто, как указывалось выше, дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности между сигналами на его входах. Таким образом, если одновременно на входы усилителя пришли сигналы с разным уровнем напряжения, то это дифференциальные сигналы, а если на входы пришли в один момент времени одинаковые по уровню напряжения сигналы то это синфазные сигналы. Дифференциальные сигналы приходят на вход усилителя, если использовать симметричный вход или несимметричные входа для разных сигналов в схемах сравнения. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.

Таким образом, сигналы на входах дифференциального усилителя поступают в виде суммы дифференциального и синфазного сигналов

Следовательно, входной уровень дифференциального сигнала будет равен

а коэффициент усиления дифференциального сигнала будет равен

Аналогично с синфазным сигналом. Входной уровень синфазного сигнала

а коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен

Одним из основных параметров характеризующих качество дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала

или же в логарифмической форме

У хороших дифференциальных усилителей К_ОССФ = 10⁴ …10⁶, что составляет 80…120 дБ.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Улучшение параметров дифференциального усилителя, прежде всего, связано с увеличением коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС). Наиболее простой способ это увеличение сопротивления эмиттерного резистора (R5 на схеме). Но это не всегда возможно, так как для поддержания заданного режима работы транзисторов необходимо увеличивать напряжение питания, и поэтому сопротивление данного резистора редко удается увеличить выше 3…6 кОм. Существует более качественный способ увеличения КОСС – применение источников тока. Одна из возможных схем дифференциального усилителя с транзисторным источником тока представлена ниже

Дифференциальный усилитель со стабилизатором тока в цепи эмиттера.

Улучшение работы дифференциального каскада со стабилизатором тока объясняется следующим образом. Стабилизатор тока в цепи эмиттера дифференциального каскада не даёт изменить суммарный ток транзисторов VT1 и VT2, поэтому входные сигналы, изменяя внутренне сопротивления данных транзисторов, как бы перераспределяют его между транзисторами. Следовательно, синфазные сигналы не изменяют коллекторный ток транзисторов, и выходное напряжение также не изменяется. Дифференциальные сигналы, пришедшие на входы каскада, как бы перераспределяют ток заданный стабилизатором тока, тем самым изменяя выходное напряжение. Например, на выводе Вх.1 напряжение больше, чем на выводе Вх.2, и поэтому ток транзистора VT1 увеличится за счёт тока транзистора VT2, изменяя выходное напряжение.

Расчёт дифференциального каскада усиления

Необходимо рассчитать дифференциальный усилитель со следующими параметрами: изменение входного сигнала ∆U_BX = 10 мВ, сопротивление источника сигнала R_Г = 1 кОм, изменение выходного напряжения ∆U_BbIX = 5 B.

1. Выберем напряжение питания усилителя Eк, которое должно обеспечить заданную амплитуду выходного сигнала и не вводить транзистор в насыщение
2. Выберем тип транзисторов усилительного каскада. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h31e = 250 МГц, h_21e = 100, P_{K max} = 150 мВт.
3. Примем коллекторный ток транзисторов VT1 и VT2 I_C = 1 мA и рассчитаем резисторы устанавливающие режим работы данных транзисторов:
   • — коллекторные резисторы R_C = R3 = R5

     Примем R_C = 7,5 кОм

   • — резисторы в цепи базы R_b1=R1=R7, R_b2=R2=R8

     Примем R_b2=R2=R8 = 10 кОм

     Примем R_b1=R1=R7 = 150 кОм

4. Рассчитаем источник стабильного тока согласно данной статье
   • Выберем стабилитрон типа КС139Г со следующими параметрами U_ст.ном. = 3,9 В, I_ст.ном. = 5 мА.
   • — сопротивление резистора R6

     Примем R6 = 2,2 кОм

   • — cопротивление резистора R4

     Примем R4 = 1,6 кОм

5. Определим параметры дифференциального каскада. Для этого определим дифференциальное выходное сопротивление источника стабильного тока

   где r_CE и r_BE – внутренние коллекторно-эмиттерное и базо-эмиттерное сопротивления транзистора

   где U_γ – потенциал Эрли, который имеет следующие значения для n-p-n-транзисторов – 80…200 В, для p-n-p-транзисторов 40…150 В
   U_Т – тепловой потенциал, равный 26 мВ для комнатной температуры
   Таким образом, выходное дифференциальное сопротивление источника тока составит

   Коэффициент усиления дифференциального сигнала

   где R_ВХ – входное сопротивление дифференциального усилителя

   где R11 – эквивалентное входное сопротивление
   Rb – эквивалентное базовое сопротивление

   тогда

   а коэффициент дифференциального усиления составит

   Коэффициент усиления синфазного сигнала

   Коэффициент ослабления синфазного сигнала

К_ОССФ = 55803 раза или 95 дБ, что является достаточно неплохим результатом, так как в случае применения вместо стабилизатора тока обычного резистора порядка нескольких сотен Ом К_ОССФ составил бы 50…60 дБ, что является недостаточным значениемдля современного уровня развития электронных устройств.

Вместо заключения

Закончить статью о дифференциальных усилителях невозможно без рассказа о тех сферах, где они применяются. Как уже понятно из названия, прежде всего это применение в качестве усилителя с большим коэффициентом усиления. Также широко применяются в тех сферах, где обычные усилители неэффективны из-за большого уровня помех. Кроме этого на основе дифференциальных усилителей построены операционные усилители различного назначения, которые имеют коэффициент усиления от 100 тыс. нескольких миллионов, а входное сопротивление составляет порядка нескольких ГИГАОМ. Также дифференциальные усилители применяют прежде всего в схемах усилителей постоянного тока, для которых они и были разработаны в первую очередь, а также в схемах сравнения и так далее.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 2.36.

Как и при анализе операционного усилителя, при рассмотрении дифференциального усилителя широко используют дифференциальное входное напряжение

u вх.диф и синфазное входное напряжение u вх.синф. Эти понятия при обращении к операционному усилителю используют потому, что в качестве его входного каскада применяется дифференциальный усилитель. Дифференциальное входное напряжение определяется выражением:

u вх.диф = u вх2 − и_вх1 

Пусть u вх.диф = 0, тогда u вх.синф = и_вх1 = и_вх2 Напряжение u вых.диф называют выходным дифференциальным сигналом, причем u вых.диф = u К1 − u К2

Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, как это было показано выше, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Эта идея достаточно часто применяется в электронике.

Использование двух одинаковых половин приводит к тому, что выходное напряжение u вых.диф

очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только напряжением u вх.диф . Усилитель называют дифференциальным потому, что u вых.диф пропорционально напряжению u вх.диф (пропорционально разности напряжений u вх1 и u вх2 ) Другие дестабилизирующие факторы, кроме синфазного напряжения, также оказывают слабое влияние на величину u вх.диф .

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если увеличилась температура и возросли тепловые токи Íко1 и Íко2 соответственно транзисторов T1 и Т2, то из-за изменения напряжений uRK1 и uRK2 на резисторах RK1, и RK2 изменяются напряжения u К1 и u К2 . Если сопротивления RK1 и RK2 равны, а изменения токов Íко1 и Íко2 одинаковы, то напряжение u вых.диф не изменится.

Допустим, что ток i₀ является неизменным, а схема полностью симметрична и u диф = 0, тогда i_К1= i_К2 ~ i₀ / 2, так как ток коллектора каждого транзистора примерно равен току эмиттера. В случае изменения входного синфазного сигнала токи i_К1 и i_K2 не изменяются и поэтому не изменяются напряжения u_K1 и u_K2, не говоря уже о напряжении u вых.диф.

В соответствии с этим в реальных усилителях вместо резистора R_э и источника напряжения Е_э часто для ослабления влияния синфазного сигнала используют ту или иную схему на транзисторах, которая выполняет функцию источника тока. Эту схему при анализе обычно заменяют источником тока (на рис. 2.36 пунктир).

В интегральных схемах области полупроводника, соответствующие транзисторам, располагают очень близко друг от друга. Поэтому параметры транзисторов оказываются очень близкими, что обеспечивает симметрию дифференциального усилителя.

Рассмотрим кратко процессы, происходящие в усилителе при поступлении на его вход положительного сигнала u вх.диф . При увеличении этого сигнала, во-первых, увеличиваются ток базы и ток коллектора транзистора Т₂. Это приводит к увеличению напряжения u R K2 и уменьшению напряжения u_K2.

Во-вторых, уменьшаются ток базы и ток коллектора транзистора Т₁. Это приводит к уменьшению напряжения u R K1 и увеличению напряжения u_K1. В результате напряжение  u вых.диф увеличивается. Если напряжение  u вх.диф чрезмерно велико, то транзистор Т₂ может войти в режим насыщения, а транзисторT₁ — в режим отсечки. При отрицательном напряжении u  вх.диф транзисторы меняются ролями.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Задать вопрос

На практике широко используются также дифференциальные усилители на полевых транзисторах.

Проведем количественный анализ рассмотренного выше усилителя (рис. 2.36). Пусть u диф = 0 и установлен фиксированный ток i₀. Обозначим через β_ст1, β_ст2 статические коэффициенты передачи тока базы, а через β₁, β₂ динамические коэффициенты соответственно для транзисторов Т₁ и Т₂.

Если β_ст1 = β_ст2 = β_ст, β₁= β₂ = β, тогда в начальном режиме i б 1 = i б 2 = i₀ / [ 2 · ( 1 + β_ст ) ] ≈ i₀ / ( 2   β_ст ) i К 1 = i К2 ≈ i₀ / 2

Допустим, R_K1 = R_K2 = R_K , тогда

u_K1 = u_K2 = E – ( i₀ / 2 ) · R_K , u вых . диф = 0

В частности, если i₀ = E_K / R_K , то u_K 1 = u_K 2 = E_K / 2

Такой начальный режим работы обеспечивает максимально возможный диапазон изменения напряжений u_К1, u_К2 и u вых.диф ( −Е_К … +Е_К).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Определим коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала Кдиф. Под воздействием входного дифференциального напряжения  u вх.диф токи iб1 и iб2 получили приращения, модуль которых обозначим через | ∆iб |. Если u вх.диф > 0, то приращение тока iб2 будет положительным, а тока iбl — отрицательным. Если в эквивалентной схеме транзистора учитывать сопротивление rэ и не учитывать сопротивление rб, то u вх.диф = 2 · ( β + 1) · r э · | ∆iб |

Нетрудно заметить, что u вых.диф = | ∆i_б | · β · R_K · 2

С учетом выражений для u вх.диф и u вых.диф получим К_диф = u вых.диф / u вх.диф = = β · R_K / [ ( β + 1) · r э ] ≈ R_K / r э

Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина r_э уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i₀ коэффициент К_диф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя.

Вопрос 20 – Дифференциальный каскад, схема, принцип работы.

Дифференциальный усилитель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Инструментальный дифференциальный усилитель

Зачастую, для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, а также большое входное сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи, охватывая ею операционный усилитель. Однако дифференциальный усилитель на базе одного операционного усилителя не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких мегаом, поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на схеме. Здесь входное дифференциальное напряжение (V2-V1) подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя, который не используется для создания обратной связи, а собственное входное сопротивление прецизионных операционных усилителей составляет значения порядка нескольких сотен мегаом. Инструментальные дифференциальные усилители применяются для точного съёма напряжений с плеч электронного моста и других датчиков с малым выходным импедансом. Промышленностью выпускаются микросхемы, подобные приведённой схеме, с дополнительными возможностями по настройке коэффициента усиления, фильтрации шумов и частотной коррекции.

Вопрос 21 – Операционный усилитель, структурная схема. Ачх.

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

• V₊: неинвертирующий вход

• V₋: инвертирующий вход

• V_out: выход

• V_S+: плюс источника питания (также может обозначаться как V_DD, V_CC, или V_{CC +} )

• V_S−: минус источника питания (также может обозначаться как V_SS, V_EE, или V_{CC −} )

Типичная АЧХ таких усилителей.

Амплитудно-частотная характеристика УПТ

Следует обратить внимание на то, что в области высших частот АЧХ не отличается от характеристики усилителей с резистивно-емкостной связью.

При усилении слабых электрических сигналов одного каскада обычно оказывается недостаточно, поэтому приходится применять, как и в случае усилителя переменных сигналов, усилитель, состоящий из нескольких каскадов. Соединение каскадов между собой, не представляющее сложности в усилителях переменного напряжения, при усилении постоянного тока или напряжения сопряжено с преодолением больших сложностей. Это, прежде всего, обусловлено тем, что в усилителях постоянного тока для связи выхода предшествующего каскада с входом последующего не могут быть применены ни трансформаторы, ни разделительные конденсаторы. Поэтому единственной схемой межкаскадной связи, пригодной для усилителей постоянного тока прямого усиления, является схема гальванической связи. Такая связь вносит в усилитель постоянного тока ряд специфических особенностей, затрудняющих как построение усилителя, так и его эксплуатацию.

Структурная схема ОУ

Операционный усилитель обычно выполняется по схеме усилителя напряжения из нескольких каскадов и состоит из нескольких десятков биполярных или полевых транзисторов, резисторов и иногда конденсаторов. Очень широко в ОУ используются источники тока (для увеличения коэффициентов усиления, задания рабочих точек и т.п.). Входной каскад выполняется по дифференциальной схеме. Использование двуполярных источников питания позволяет обеспечить подачу двух входных сигналов, напряжение которых отсчитывается относительно общей земли. Во многих применениях один из входов непосредственно (или через внешний резистор) соединен с землей.

Выходной каскад строится по одной из схем двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности, затем включается каскад с общим эмиттером и на выходе ОУ – эмиттерный повторитель. Как правило, выходной каскад имеет схему защиты от перегрузок по току.

Для того, чтобы обеспечить нулевое значение выходного напряжения при отсутствии входных сигналов, в ОУ имеется узел, задачей которого является понижение напряжения с выхода ДУ (с коллектора выходного транзистора) до нуля. Зачастую этот «преобразователь уровня» выполняется в виде активного усилительного каскада.

Следует отметить, что иногда в категорию ОУ включаются усилители, выполненные как усилители тока или как УПТ МДМ, имеющие другую внутреннюю структуру, но характеризующиеся значениями параметров, указанными выше.

принцип работы, область применения, основные расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.

Под дифференциальным усилителем понимается устройство, позволяющее в заданное число раз усилить разность входных напряжений. Простейшая схема дифференциального усилителя представлена на рис.1.

Рис.1. Дифференциальный усилитель на основе одного ОУ

В данной схеме входные напряжения подаются на два входа ОУ. Найдем, при каких соотношениях резисторов данная схема превращается в дифференциальный усилитель.

Поскольку данная схема линейная воспользуемся методом наложения для вывода выходного напряжения. Закоротим источник и найдем , затем закоротим и найдем . Выходное напряжение будем искать в виде:

.

Очевидно, что при ,

а при .

.

При определенных соотношениях резисторов коэффициенты при и будут одинаковыми. Это справедливо при выполнении равенства

или .

Тогда для простоты , , коэффициент усиления .

К достоинствам схемы следует отнести простоту.

К недостаткам относятся: высокие требования к согласованию сопротивлений резисторов; невозможность подстройки коэффициента усиления одним резистором; разное входное сопротивление для источников и .

29. Дифференциальный усилитель на основе двух операционных усилителей: принцип работы, область применения, основные расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.

На рис.1 дана схема дифференциального усилителя на основе двух ОУ.

Рис.1. Дифференциальный усилитель на основе двух ОУ

Находим выходное напряжение

,

,

.

При выполнении условия

, , .

, .

Коэффициент усиления схемы равен

.

В данной схеме усилители для входных сигналов и работают как усилители с последовательной ООС, то есть с высоким входным сопротивлением. Однако схема требует точного согласования сопротивлений резисторов, а коэффициент усиления невозможно перестроить изменением сопротивления одного из резисторов.

30. Дифференциальный усилитель на основе трех операционных усилителей: принцип работы, область применения, основные расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.

Схема дифференциального усилителя, которая не требует точного согласования сопротивлений резисторов, а коэффициент усиления которой можно перестроить изменением сопротивления одного из резисторов, приведена на рис.1.

В обычный дифференциальный усилитель введена схема на и , включенных для входного напряжения с последовательной ООС, то есть с высоким входным сопротивлением.

Рис.1. Инструментальный усилитель

Выходное напряжение будет иметь вид:

.

Напряжения и найдем методом наложения

; ;

; .

В итоге

;

или

.

Таким образом, коэффициент усиления схемы

и при строгого равенства не требуется.

Из формулы расчета видно, что коэффициент усиления можно изменять резистором r.

Важным достоинством данного усилителя является независимость коэффициента усиления синфазной составляющей входного каскада (, ) от коэффициента усиления для дифференциальной составляющей. Действительно, если положить, что , то напряжения и равны входному напряжению , в отличие от схем, в которых уровень синфазной составляющей зависит от коэффициента усиления. Такие усилители принято называть инструментальными.

Недостаток, обусловленный высокой степенью согласованности сопротивлений резисторов, устраняется тем, что они формируются за счет интегральной технологии. Резистор r выносится за пределы интегральной микросхемы.

Дифференциальные усилители: принцип работы :: SYL.ru

Дифференциальные усилители используются для повышения разности напряжения нескольких выходных сигналов. При идеальной работе устройства импульсы определяются только их отличительными характеристиками. Одновременное изменение сигналов на всех выходах называется синфазным. Разностные или дифференциальные поступающие импульсы определяются как полезные или нормальные.

В качественном усилителе показатель ослабления сигнала всегда высокий. Он представляет собой соотношение входного импульса к выходному. При этом амплитуда полезного и синфазного сигнала должна быть одинаковой. Чаще всего КОСС измеряется в децибелах. Выходной импульс меняется в зависимости от уровня мощности, который может быть задан диапазоном синфазного входного сигнала.

Для чего используются?

Дифференциальные усилители применяются, когда есть вероятность потери слабых сигналов из-за шумов. Такая возможность возникает при передаче звуковых колебаний, радиочастот, напряжения электрокардиограмм, импульсов по длинным проводам, информации на магнитных накопителях и в ряде других случаев. При несущественных помехах прибор восстанавливает входной импульс на приемном конце. Для проектирования усилителей постоянного тока часто используются дифференциальные каскады. По своей сути их симметричная система компенсирует температурный дрейф.

Распространенный вариант

Схема дифференциального усилителя с однополюсным выходом делает замер выходного напряжения на коллекторе относительно потенциала заземления. Это устройство увеличивает энергию на входе и трансформирует ее в несимметричный импульс, с которым работают обыкновенные приборы. Дифференциальный сигнал при необходимости снимается между коллекторами. Коэффициент усиления в такой схеме легко просчитывается.

«Длиннохвостая пара»

Так можно назвать усилитель, когда величина сопротивления резистора обратно пропорциональна его длине. Подавление синфазных сигналов в схеме определяется как «длинный хвост», а максимальные сопротивления межэмиттерных связей являются повышением дифференциальных импульсов.

Смещение при помощи тока

В усилителях могут снижаться синфазные импульсы, если заменить резистор на источник питания. При этом текущее значение сопротивления будет возрастать, а эффект повышения сигналов существенно ослабится. Представим себе дифференциальный усилитель постоянного тока, на входе которого будут действовать синфазные импульсы. Источники энергии в эмиттерных цепях будут поддерживать напряжение, распределяя его между коллекторными цепями равномерно.

Нужно помнить о необходимости предусматривать цепи смещения постоянного тока. Если использовать конденсаторы для межкаскадной связи на входе, то должны быть активированы базовые заземленные резисторы. К таким дифференциальным усилителям относится одно предостережение. На переходе база-эмиттер не более 6 В биполярные транзисторы могут выдерживать обратное смещение. После этого может наступить пробой.

Если подается большее входное дифференциальное напряжение, то входной каскад будет разрушаться. Разрушение схемы предотвращается благодаря ограничению тока пробоя эмиттерным резистором, но качества транзисторов при этом могут понижаться. Если обратная проходимость будет возникать, снижение входного импеданса будет существенным в любом случае.

Использование в усилителях дифференциальных схем

Работа дифференциального усилителя может быть адаптирована под несимметричные входные сигналы. Для этого необходимо подать сигнал на один из его входов, а второй просто заземлить. Неиспользуемые транзисторы из устройства исключить не получится. Дифференциальная схема дает возможность компенсировать температурные изменения. Даже если будет заземлен один из входов, термостатор может функционировать. Они могут изменяться соответственно колебаниям температуры напряжения. При этом балансировка схемы нарушаться не будет.

Кроме того, исчезает необходимость учета падения подаваемого тока. Качество работы таких устройств может быть понижено только из-за несогласованности напряжений или их температурных характеристик. Производители поставляют на рынок транзисторные пары, а также интегральные дифференциальные усилители с достаточно высоким согласованием.

Применение токового зеркала

Иногда нужен дифференциальный усилитель, принцип работы которого основан на существенном увеличении коэффициента усиления. Идеальным решением такой задачи будет применение токового зеркала для активной нагрузки прибора. Дифференциальная пара с источником напряжения в эмиттерной цепи образуется транзисторами. Для создания коллективной нагрузки применяются транзисторы. Они играют роль токового зеркала. Таким образом сопротивление общей нагрузки может быть увеличено.

Коэффициент усиления благодаря этому достигает 5000 и даже выше, если отсутствует выходная нагрузка. Такие приборы чаще всего применяются в схемах, в которых есть петля обратной связи, а также в компараторах. Всегда нужно помнить, что нагрузка для таких приборов должна иметь немалый импеданс. В противном случае усиление значительно ослабится.

Схемы расщепления

На коллекторе дифференциальных симметричных усилителей могут возникать импульсы с одинаковой амплитудой и противоположными фазами. С двух элементов снимаются выходные сигналы. В результате может быть получена схема расщепления фазы. Естественно, можно применять устройство с дифференциальными входами и выходами. Импульсы при этом используются для управления одним каскадом усилителей. Для всей схемы будет существенно увеличена величина КОСС.

Усилитель для компаратора

Дифференциальные усилители включены в состав компараторов благодаря высоким КОСС и стабильности. Схемы, сравнивающие поступающие импульсы, оценивают, какой из сигналов больше. Компараторы применяются в различных областях — для включения систем отопления или освещения, для получения треугольных и прямоугольных сигналов, сравнения уровней импульсов с пороговыми значениями, а также во многих других схемах. Принцип работы основан на том, что один из транзисторов все время работает в режиме отсечки.

Заключение

Дифференциальный операционный усилитель – это прибор для повышения постоянного тока, применяемый в различных операциях над аналоговыми величинами. Устройство задействуется в схемах, обратные связи которых являются отрицательными. Усилитель, работающий с постоянным током, отличается от прибора для переменного напряжения возможностью повышения медленно изменяющихся импульсов. Приборы используются для повышения разности тока в нескольких выходных сигналах.

7.3.1.   Схема дифференциального каскада и ее работа при подаче дифференциального и синфазного входных сигналов

В настоящее время наибольшее распространение получили диф­ференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИС и широко выпускаются отечественной промышленностью (К118УД, КР198УТ1 и др.). Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рис. 7.4 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других – транзисторами Т₁ и Т₂. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т.е.  в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы R₀₁ и R₀₂ имеют небольшие значения, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор R_Э подключен к эмиттерам транзисторов. Питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых  равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е.

Использование второго источника (-Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров транзисторов Т₁ и Т₂ до потенциала общей шины. Это обстоятельство дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных  компенсирующих напряжений. При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, одно из которых состоит из транзистора Т₁ и резистора R_к1 (и R₀₁), второе – из транзистора Т₂ и резистора R_к2 (и R₀₂). Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ. Таким образом, можно заключить, что ДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор R_Э, которым и задается их общий ток.

Для того чтобы ДУ мог качественно и надежно выполнять свои функции, а также в процессе длительной работы сохранять свои параметры и уникальные свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования. Рассмотрим эти требования последовательно.

Первое требование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. По этому требованию необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов Т₁ и Т₂, а также выполнялось

условие: R_к1 = R_к2 (и R₀₁ = R₀₂). Если первое требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при U_вх1 = U_вх2 = 0 достигается полный баланс моста, т.е.  потенциалы коллекторов транзисторов Т₁ и Т₂ одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах с общим эмиттером (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет от­сутствовать.

За счет симметрии общих плеч ДУ будет обес­печиваться высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т.д. Но как обеспечить симметрию общих плеч в ДУ? На первый взгляд, может показаться, что решить этот вопрос довольно просто. Действительно, всегда можно подобрать пары транзисторов и резисторов с весьма близкими параметрами. Если собрать ДУ на таких дискретных элементах, т, может быть, и будет получен желаемый результат, но только в относительно небольшой промежуток времени.

С течением времени параметры транзисто­ров и резисторов будут изменяться различным образом в соот­ветствии с законами своей собственной структуры, естественно, что на них различным образом будут влиять и внешние факторы, а следовательно, нарушится симметрия плеч со всеми вытека­ющими отсюда последствиями. В конечном счете, можно за­ключить, что на дискретных элементах (изготовленных в разное время и в разных условиях) осуществить выполнение первого требования для ДУ практически невозможно. Это объясняет тот факт, что прекрасные свойства ДУ не нашли должного использования в дискретной электронике.

Приблизиться к выполнению первого основного требования для ДУ позволила мик

: работа на транзисторах

Операционные усилители сокращенно называются операционными усилителями или дифференциальными усилителями. Операционный усилитель обычно используется в качестве дифференциального усилителя в различных электрических и электронных схемах. Эти операционные усилители могут использоваться для выполнения фильтрации, преобразования сигналов и математических операций. Электрические и электронные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, используются на входных и / или выходных клеммах операционного усилителя.Таким образом, в результате работы усилителя эффективность резистивной обратной связи или емкостной обратной связи регулируется этими компонентами. Таким образом, усилитель может выполнять различные операции, поэтому его называют операционным усилителем. В этой статье обсуждается обзор схемы дифференциального усилителя и ее работы

Что такое дифференциальный усилитель

Электронный усилитель, используемый для усиления разницы между двумя входными сигналами, можно назвать дифференциальным усилителем.Как правило, эти дифференциальные усилители состоят из двух клемм, а именно инвертирующей клеммы и неинвертирующей клеммы. Эти инвертирующие и неинвертирующие клеммы обозначены — и + соответственно.

Схема дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель можно рассматривать как аналоговую схему, состоящую из двух входов и одного выхода. Схема дифференциального усилителя может быть представлена, как показано на рисунке ниже.

Выходное напряжение дифференциального усилителя пропорционально разнице между двумя входными напряжениями.Это можно представить в виде уравнения следующим образом:

Где A = коэффициент усиления усилителя.

на транзисторах

Схема дифференциального усилителя с использованием транзисторов может быть спроектирована, как показано на рисунке ниже, который состоит из двух транзисторов T1 и T2. Эти транзисторы и резисторы подключены, как показано на принципиальной схеме.

В схеме дифференциального усилителя есть два входа I1 и I2 и два выхода V1out и V2out.Вход I1 подается на вывод базы транзистора T1, вход I2 подается на вывод базы транзистора T2. Выводы эмиттера транзистора T1 и транзистора T2 подключены к общему резистору эмиттера. Таким образом, два входных сигнала I1 и I2 будут влиять на выходы V1out и V2out. Схема дифференциального усилителя состоит из двух напряжений питания Vcc и Vee, но клеммы заземления отсутствуют. Даже при однополярном питании цепь может работать нормально, как задумано (аналогично при использовании двух питающих напряжений).Следовательно, противоположные точки источника положительного и отрицательного напряжения подключаются к земле.

Рабочий

Работу дифференциального усилителя можно легко понять, подав один вход (скажем, на I1, как показано на рисунке ниже), который выдает выходной сигнал на обоих выходных клеммах.

Если входной сигнал (I1) подается на базу транзистора T1, то на резисторе, подключенном к клемме коллектора транзистора T1, появляется высокое падение напряжения, которое становится менее положительным.Если на базу транзистора T1 не поступает входной сигнал (I1), то на резисторе, подключенном к клемме коллектора транзистора T1, появляется небольшое падение напряжения, которое становится более положительным. Таким образом, мы можем сказать, что инвертирующий выход, появляющийся на выводе коллектора транзистора T1, основан на входном сигнале I1, подаваемом на вывод базы T1.

Если T1 включается путем применения положительного значения I1, то ток, проходящий через сопротивление эмиттера, увеличивается, поскольку ток эмиттера и ток коллектора почти равны.Таким образом, если напряжение падает на эмиттере, сопротивление увеличивается, то эмиттер обоих транзисторов движется в положительном направлении. Если эмиттер транзистора Т2 положительный, то база транзистора Т2 будет отрицательной, и в этом состоянии проводимость по току будет меньше.

Таким образом, будет меньше падение напряжения на резисторе, подключенном к выводу коллектора транзистора T2. Следовательно, для данного положительного входного сигнала коллектор T2 будет идти в положительном направлении. Таким образом, мы можем сказать, что неинвертирующий выходной сигнал, появляющийся на выводе коллектора транзистора T2, основан на входном сигнале, подаваемом на базу T1.

Усиление может управляться по-разному, принимая выходной сигнал между выводами коллектора транзисторов T1 и T2. Из приведенной выше принципиальной схемы, предполагая, что все характеристики транзисторов T1 и T2 идентичны и если базовые напряжения Vb1 равны Vb2 (базовое напряжение транзистора T1 равно базовому напряжению транзистора T2), то эмиттерные токи обоих транзисторов будут равны равно (Iem1 = Iem2). Таким образом, полный эмиттерный ток будет равен сумме эмиттерных токов T1 (Iem1) и T2 (Iem2).

Таким образом, ток эмиттера можно управлять как

Таким образом, ток эмиттера остается постоянным независимо от значения hfe транзисторов T1 и T2. Если сопротивления, подключенные к клеммам коллектора T1 и T2, равны, то их напряжения коллектора также равны.

Приложения

Применения дифференциальных усилителей включают следующее.

Существует множество применений дифференциальных усилителей в практических схемах, приложениях усиления сигналов, управлении двигателями и серводвигателями, логике с эмиттерной связью входного каскада, переключателях и т. Д. Являются общими применениями схемы дифференциального усилителя.

Для получения дополнительной информации о схемах усилителя и приложениях дифференциальных усилителей вы можете обратиться к нам, разместив свои запросы, предложения, идеи, комментарии, а также узнать, как самостоятельно разрабатывать проекты электроники в разделе комментариев ниже.

с использованием BJT и Opamp

Дифференциальный усилитель

В этом посте подробно объясняются дифференциальный усилитель, использующий BJT, и дифференциальный усилитель, использующий операционные усилители.Просмотрите их оба, чтобы лучше понять.

Принципиальные схемы и подробные уравнения предоставляются вместе со статьей. Пожалуйста, прочтите их.

на транзисторе

Дифференциальный усилитель разработан для получения разницы между двумя входными сигналами. Схема показана ниже.

Как показано на принципиальной схеме выше, имеется два входа, I / P1 и I / P2, и два выхода V1OUT и V2OUT.I / P1 применяется к базе транзистора TI, а IP2 применяется к базе транзистора T2. Эмиттеры как T1, так и T2 подключены к общему резистору эмиттера, так что на две выходные клеммы V1OUT и V2OUT воздействуют два входных сигнала I / P1 и I / P2. V _CC и V _EE — два напряжения питания для схемы. Схема также будет нормально работать с одним источником напряжения. Вы также могли заметить, что в цепи нет обозначения заземления.Следовательно, следует автоматически понимать, что противоположные точки источников как положительного, так и отрицательного напряжения считаются подключенными к земле.

Работа дифференциального усилителя

Когда дифференциальный усилитель работает на одном из входов, выходной сигнал появляется на обоих выходах коллектора. Это поясняется схемой ниже.

Когда входной сигнал I / P1 подается на транзистор T1, на сопротивлении коллектора R _COL1 будет большое падение напряжения, и, таким образом, на коллекторе T1 будет меньше положительного напряжения.Когда I / P1 отрицательный, T1 выключается, и падение напряжения на R _COL1 становится очень низким, и, таким образом, коллектор T1 будет более положительным. Таким образом, мы можем сделать вывод, что на коллекторе T1 появляется вставленный выход для подачи сигнала на I / P1.

Когда T1 включается положительным значением I / P1, ток через сопротивление эмиттера R _EM увеличивается, поскольку ток эмиттера почти равен току коллектора (I _E I _C ). Таким образом, падение напряжения на R _EM увеличивается и заставляет эмиттер обоих транзисторов двигаться в положительном направлении.Сделать эмиттер T2 положительным — это то же самое, что сделать базу T2 отрицательной. В таком состоянии транзистор T2 будет проводить меньше тока, что, в свою очередь, вызовет меньшее падение напряжения на RCOL2, и, таким образом, коллектор T2 будет двигаться в положительном направлении для положительного входного сигнала. Таким образом, мы можем сделать вывод, что неинвертирующий выход появляется на коллекторе транзистора T2 для входа на базе T1.

Усиление может управляться по-разному, принимая выходной сигнал между коллекторами T1 и T2.

Как показано на рисунке выше, если предполагается, что транзисторы T1 и T2 идентичны по всем характеристикам и если напряжения равны (V _BASE1 = V _BASE2 ), то ток эмиттера может также считается равным

Я _EM1 = Я _EM2

Общий ток эмиттера, IE = IEM1 + IEM2

В _EM = V _BASE — V _{BASE EM}

I _EM = (V _BASE — V _{BASE EM} ) / R _EM

Ток эмиттера I _EM остается практически постоянным независимо от значения hfe транзисторов.

Начиная с ICOL1 IEM1 и ICOL2 IEM2, ICOL1 ICOL2

Также, V _COL1 = V _COL2 = V _CC — I _COL R _COL , предполагая сопротивление коллектора R _COL1 = R _COL2 = рэнд _COL .

Дифференциальный усилитель — это схема усилителя с обратной связью, которая усиливает разницу между двумя сигналами.Такая схема очень полезна в измерительных системах. Дифференциальные усилители имеют высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) и высокое входное сопротивление. Дифференциальные усилители могут быть изготовлены с использованием одного или двух операционных усилителей. Обе эти конфигурации объясняются здесь.

с операционным усилителем

Принципиальная схема дифференциального усилителя с одним операционным усилителем показана ниже. R1 и R2 — входные резисторы, Rf — резистор обратной связи, а RL — нагрузочный резистор.

Расчет коэффициента усиления по напряжению.

Уравнение для коэффициента усиления по напряжению дифференциального усилителя, использующего один операционный усилитель, может быть получено следующим образом. Схема представляет собой просто комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителя. Определение выходных напряжений s этих двух конфигураций по отдельности и их последующее суммирование приведет к общему выходному напряжению.

Если Vb обнулить, схема становится инвертирующим усилителем.Выходное напряжение Voa, обусловленное только Va, можно выразить с помощью следующего уравнения.

Когда Va становится равным нулю, схема становится неинвертирующим усилителем. Пусть V1 будет напряжением на неинвертирующем входном контакте. Связь между Vb и V1 можно выразить с помощью следующего уравнения.

Выходное напряжение Vob только из-за Vb соответствует уравнению

Пусть R1 = R2 и R3 = Rf, тогда

Тогда общее выходное напряжение равно

Таким образом, общая прибыль составляет

Дифференциальный усилитель на двух операционных усилителях.

Принципиальная схема дифференциального усилителя с двумя операционными усилителями показана ниже. Основное преимущество дифференциального усилителя с двумя операционными усилителями заключается в увеличении общего коэффициента усиления. R1 — входной резистор для IC1, а R3 — входной резистор для IC2. Rf — резистор обратной связи. Va и Vb — это два входных напряжения, которые прикладываются к неинвертирующим входам IC2 и IC1 соответственно. RL — нагрузочный резистор. V + и V- — положительное и отрицательное напряжение питания.

Определение коэффициента усиления по напряжению.

Уравнение для выходного напряжения V1 первого операционного усилителя (IC1) выглядит следующим образом.
V1 и Va — входы для второй ступени (IC2). Выходное напряжение из-за только Va.

Выходное напряжение только благодаря Vb составляет

Общее выходное напряжение Vo = Voa + Vob

Пусть R1 = R2 и Rf = R1, тогда мы имеем

Таким образом, общий прирост напряжения Av можно выразить с помощью уравнения

Практичный дифференциальный усилитель.

Практический дифференциальный усилитель, использующий операционный усилитель uA741, показан ниже.С использованными компонентами усилитель имеет коэффициент усиления около 5. Запомните уравнение Av = -Rf / R1. Здесь Rf = 10K и R1 = 2.2K, -Rf / R1 = -10 / 2.2 = -4.54 = ~ -5. Отрицательный знак означает инверсию фазы. Для питания цепи используйте двойной источник питания +/- 12 В постоянного тока. uA 741 должен быть установлен на держателе.

Дифференциальная пара базовых полевых МОП-транзисторов

В этой статье мы рассмотрим наиболее простую версию этой базовой топологии усилителя на интегральных схемах.

Дополнительная информация

Дифференциальный или несимметричный?

Вводные исследования активных схем обычно посвящают значительное количество времени стандартным несимметричным конфигурациям усилителя, например, с общим истоком, общим затвором, эмиттерным повторителем. Это, безусловно, достойное усилие в контексте знакомства с работой транзисторов, анализом слабых сигналов и характеристиками усилителей. Но практическая ценность для конфигураций несимметричных усилителей — это совсем другая история — на самом деле дифференциальные усилители доминируют в современных аналоговых ИС.На это есть несколько причин:

• Дифференциальные усилители применяют усиление не к одному входному сигналу, а к разнице между двумя входными сигналами. Это означает, что дифференциальный усилитель естественным образом устраняет шум или помехи, присутствующие в обоих входных сигналах.
• Дифференциальное усиление также подавляет синфазные сигналы — другими словами, смещение постоянного тока, которое присутствует в обоих входных сигналах, будет удалено, а усиление будет применяться только к интересующему сигналу (при условии, конечно, что сигнал нет интереса к обоим входам).Это особенно выгодно в контексте конструкции ИС, поскольку устраняет необходимость в громоздких конденсаторах блокировки постоянного тока.
• Вычитание, которое происходит в дифференциальной паре, упрощает включение схемы в усилитель с отрицательной обратной связью, и если вы читали серию статей об отрицательной обратной связи, вы знаете, что отрицательная обратная связь — это лучшее, что могло когда-либо случиться с схема усилителя.

Разумно ожидать, что эти преимущества будут сопровождаться существенными недостатками, но характер изготовления ИС сделал дифференциальную конфигурацию почти полностью выгодной.Две проблемы: 1) большее количество компонентов и 2) важность симметричных характеристик компонентов. Вы можете забыть о номере 1, потому что добавление еще нескольких транзисторов к ИС незначительно. Что касается номера 2, технология IC очень хороша для достижения согласованности между компонентами внутри микросхемы (эта согласованность называется «согласованием»).

В этой статье мы исследуем базовую конфигурацию дифференциального усилителя MOSFET посредством концептуального обсуждения и моделирования (т.е., не слишком много математики или анализа сложных схем). Поскольку эта тема имеет отношение в первую очередь к реализации IC, мы будем использовать модель NMOS, специфичную для технологии CMOS 0,35 мкм; различные файлы LTspice и некоторую связанную информацию можно найти здесь.

Пара полевых МОП-транзисторов

Это схема:

Обратите внимание на следующее:

• В реальной жизни символ источника тока был бы заменен схемой, генерирующей постоянный ток.(Для получения дополнительной информации см. «Базовый источник постоянного тока на полевых МОП-транзисторах».) Однако мы хотим, чтобы этот вводный анализ оставался простым и понятным, поэтому в наших симуляциях мы будем использовать идеальный источник тока вместо схемы постоянного тока.
• Реальная интегральная схема этой схемы заменила бы резисторы токовым зеркалом, функционирующим как «активная нагрузка». Однако, если наша цель — понять функциональность дифференциальной пары, я думаю, нам следует начать с версии с резистором.
• Дифференциальная пара — это все о балансе. Таким образом, для оптимальной работы резисторы и полевые МОП-транзисторы должны быть согласованы. Это означает, что размеры каналов обоих полевых транзисторов должны быть одинаковыми и что R ₁ должно равняться R ₂ . Значение сопротивления, выбранное для двух резисторов, будет обозначаться как R _D (для сопротивления дождю d ).

Анализ постоянного тока

Давайте определим условия смещения этой цепи, когда оба входа заземлены.

Сумма двух токов стока I _D1 и I _D2 должна равняться I _BIAS . Мы также знаем, что два тока стока равны, потому что в этом идеализированном анализе обе половины схемы идентичны. Таким образом,

\ [I_ {D1} = I_ {D2} = \ frac {I_ {BIAS}} {2} \]

Предположим на данный момент, что транзисторы находятся в состоянии насыщения. 2 \]

(В этой статье мы будем игнорировать модуляцию длины канала.) Ток стока уже установлен (источником тока) и затворы привязаны к узлу заземления; это означает, что напряжение истока установится на любом значении, которое создает напряжение затвор-исток (V _GS ), соответствующее току стока I _BIAS /2. Мы позволим моделированию понять это за нас. С выходными напряжениями проще: рассчитайте падение напряжения на резисторе как (I _BIAS /2) × R _D , затем вычтите это падение из положительного напряжения питания.Вот пример:

Выходные напряжения соответствуют ожидаемым. Напряжение источника кажется разумным, учитывая, что пороговое напряжение (V _TH ) для этой модели SPICE составляет около 0,5 В; моделирование говорит нам, что V _GS , соответствующий току стока 250 мкА, составляет примерно 0 В — (–725 мВ) = 725 мВ, что примерно на 225 мВ выше V _TH .

Давайте вернемся к нашему предположению о том, что транзисторы находятся в состоянии насыщения (он же «активный режим»).Усилитель на полевых МОП-транзисторах должен оставаться в области насыщения своей передаточной характеристики, потому что коэффициент усиления выше и стабильнее в области насыщения по сравнению с областью триода. Чтобы обеспечить насыщение, напряжение стока всегда должно быть выше, чем напряжение затвора минус пороговое напряжение:

\ [V_ {DS} \ geq V_ {GS} -V_ {TH} \ \ \ Rightarrow \ \ V_ {GD} \ leq V_ {TH} \]

В этом примере напряжение стока (также известное как V _OUT ) зафиксировано на 2.05 В. Это означает, что у нас есть ограничение на V _IN : синфазное входное напряжение не может превышать 2,05 В + 0,5 В = 2,55 В, потому что, когда входное напряжение достигает V _TH вольт выше напряжения стока, MOSFET входит в область триода.

Подавление синфазного сигнала

Давайте проведем быстрое моделирование, чтобы доказать себе, что дифференциальная пара не будет усиливать синфазные напряжения. Вот схема:

Как видите, даже при синфазном входе 1 В выходное напряжение все еще равно напряжению смещения — 2.05 В. Простое концептуальное объяснение этого поведения подавления синфазного сигнала следующее: величина выходного напряжения определяется током стока, а не входным напряжением. Пока два входных напряжения одинаковы, фиксированный ток смещения равномерно делится между двумя транзисторами, и, таким образом, V _OUT1 и V _OUT2 не изменяются.

Также обратите внимание, что напряжение затвор-исток примерно такое же (потому что ток стока не изменился), хотя напряжение истока увеличилось, чтобы компенсировать тот факт, что затвор теперь имеет 1 В, а не землю.

Дифференциальное усиление

Вы можете понять дифференциальное действие этой схемы, если запомните следующее:

• I _D1 + I _D2 = I _{Смещение}
• В _S1 = В _S2

Если напряжение на затворе Q ₁ выше, чем напряжение на затворе Q ₂ , V _GS1 также должно быть выше, чем V _GS2 , потому что оба транзистора имеют одинаковый потенциал на исходный терминал.Более высокое напряжение затвор-исток означает больший ток стока, но сумма токов стока остается неизменной — таким образом, I _D1 увеличивается, а I _D2 уменьшается, и это вызывает соответствующее уменьшение V _OUT1 и соответствующее увеличение V _OUT2 . Например:

Мы закончим этот вводный анализ моделированием дифференциальной характеристики слабого сигнала и сравнением смоделированного усиления с теоретическим.Давайте вернем синфазное напряжение обратно к 0 В, а затем подадим синусоидальную волну 1 мВ на затвор Q ₁ :

  Также прочтите:
   Что такое предохранитель - символы, характеристики, типы, применение и преимущества 
  Оптоэлектроника - оптоэлектронные устройства, приложения и перспективы на будущее 
 Цветовые коды проводки  - коды США, Великобритании, Европы и Канады, когда применять