Diferencialni ojačevalnik: načelo delovanja

Diferencni ojačevalnik (DA) se uporablja za povečanje razlike med dvema vhodnima signaloma. Lahko se obravnava kot analogno vezje, sestavljeno iz dveh vhodov in enega izhoda.

Ojačevalniki, ki se uporabljajo v različnih električnih in elektronskih vezjih za generiranje signalov in izvajanje matematičnih operacij, imenujemo operativni ojačevalniki (op amps). So ključni elementi elektronskega analognega računalnika. Njihov izum v zgodnjih 1940-ih je pripeljal do zamenjave mehanskih števnih naprav s tiho in hitro elektroniko. Veliko analognih računalnikov se je sklicevalo na vakuumske cevi, ki jih je leta 1952 dobil George Philbrick.

Leta 1963 je Bob Vidlar pri Fairchild Semiconductor izvedel op amp na enotnem integriranem vezju A702 - prvem monolitnem operacijskem ojačevalniku IC.

Tranzistorski ojačevalni krog

Diferenčni operacijski ojačevalnik se lahko sestavi po shemi, kot je prikazano na sliki spodaj, ki je sestavljena iz dveh tranzistorjev T1 in T2.

Na daljinskem upravljalniku sta dva vhoda I1 in I2 ter dva izhoda V1out in V2out. Vhod I1 je dobavljen na osnovni priključek tranzistorja T1, vhod I2 se nanese na osnovni priključek tranzistorja T2. Izhodi oddajnikov tranzistorja T1 in tranzistorja T2 so povezani s skupnim oddajnikom uparjalnika. Tako bodo vhodni signali I1 in I2 vplivali na izhode V1out in V2out. Tok je sestavljeno iz dveh napajalnih napetosti Vcc in Vee, vendar ni ozemljitve. Tudi pri eni napajalni napetosti lahko tokokrog deluje normalno (podobno pri uporabi dveh napajalnih napetosti). Posledično so na tla priključene nasprotne točke pozitivne napetosti in negativne napajalne napetosti.

Shematski diagram dela DT

Delovanje diferencnega ojačevalnika je prikazano na sliki spodaj.

Če vhodni signal (I1) dovaja na bazi tranzistorja T1, skozi upor priključen na tranzistor, je tranzistor T1, se zdi, da je manjša pozitivna padec napetosti. Če vhodni signal (I1) ne dovaja bazi tranzistorja T1, skozi upor priključen na tranzistor, je tranzistor T1, se zdi, da velik pozitiven padec napetosti.

Lahko rečemo, da obračanje izhodnega izhoda preko zbirnega priključka tranzistorja T1 temelji na vhodnem signalu I1, ki se priskrbi osnovnemu priključku T1. Če je T1 vključen, pri čemer se uporabi pozitivna vrednost I1, se tok, ki poteka skozi odpornost proti oddajniku, poveča, ko sta tok sevanja in kolektorskega toka skoraj enaka. Če se padec napetosti preko upora oddajnika poveča, potem oddajnik obeh tranzistorjev gre v pozitivno smer. Če je oddajnik tranzistorja T2 pozitiven, potem bo osnova T2 negativna in v tem stanju bo tok manjši. In manj bo padec napetosti preko upora, povezanega s kolektorskim priključkom tranzistorja T2.

Zato bo za ta pozitivni vhodni zbiralnik T2 šel v pozitivno smer. Lahko rečemo, da je neinvertirajoči izhod pojavljajo na terminalu kolektor tranzistorja T2, ki temelji na vhodni signal dovaja na dno T1. Diferencialni ojačevalnik leži izhod med terminali kolektorja tranzistorja T1 in T2. Iz zgornjega koncepta se predpostavlja, da so vse značilnosti tranzistorja T1 in T2 enaki, in če (je baza napetost tranzistorja T1 enaki osnovnim napetosti tranzistorja T2) baza napetost enaka VB1 VB2 bodo emitorjem tokovi obeh tranzistorjev enaka (Iem1 = Iem2).

Tako bo skupni oddajni tok enak vsoti oddajnih tokov T1 (Iem1) in T2 (Iem2). Izračun diferenciala ojačevalnik. Iem1 = Iem2 Ie = Iem1 + Iem2 Vev = Vb-Vb em I em = (Vb-Vb em) / Rem. Tako je tok sevanja ostaja nespremenjen ne glede na vrednost hfe tranzistorjev T1 in T2. Če so upori, priključeni na zbiralne sponke T1 in T2, enaki, so tudi njihove kolektorske napetosti enake.

Kratek opis delovanja operacijskega ojačevalnika

Ta ojačevalnik (op-amp, angleška izdaja), je lahko idealna z neskončno dobiček in pasovne širine za uporabo v načinu Odpri zanke s tipično DC dobiček v višini več kot 100.000 ali 100 dB. Diferenčni tokovni ojačevalnik op amp ima dva vhoda, od katerih je ena obrnjena. Ojačena razlika teh vhodov je izhod na izhodu v obliki napetosti. Idealen ojačevalnik ima neskončno visok dobiček. To mora izraziti simbol neskončnosti z novim simbolom. Operacijski ojačevalnik deluje v obeh dvojni pozitivni (+ V), ali pa z ustrezno negativno (-V) moči, ali lahko delujejo na napajalno napetost DC.

Dva glavna zakona, povezana z OU

Vsebujejo dejstvo, da ima tak ojačevalnik neskončno vhodno impedanco (Z = infin-), kar vodi do odsotnosti toka, ki teče v enega od dveh vhodov, in vhodne napetosti ničle V1 = V2. Operacijski ojačevalnik ima tudi ničelno izhodno impedanco (Z = 0). Optični ojačevalniki določajo razliko med napetostnimi signali, ki se uporabljajo za njihova dva vhodna sponka, in jih nato pomnožijo z določenim vnaprej določenim izkoristkom (A). Ta dobiček (A) se pogosto imenuje Open Loop Factor. Op amp lahko povežete v dveh osnovnih konfiguracijah - obrnete in ne obračate.

Pri negativnih povratnih informacijah, če je povratna napetost v antifazi na vhodu, se celotni dobiček zmanjša. Za pozitivne povratne informacije, ko je povratna napetost v "fazi", se poveča vhodni signal ojačevalnika. S priključitvijo izhod nazaj na negativni vhodnim terminalom, dosežemo 100% povratne informacije, pri čemer se napetostni sledilnik vezje (pufer), dobljeno s konstantno dobiček 1 (Unity). Z zamenjavo upor s fiksno povratne informacije (Rƒ) za potenciometer, bo vezje ima nastavljivo dobiček.

Tehnične specifikacije

Osnovni:

1. Vhodni tok ničle zaporedja (vhodni tok pristranskosti) v položaju mirovanja, različni tokovi lahko tečejo na dveh vhodih. To v praksi pomeni, da je napetost izkrivljena pri virih z visokim notranjim uporom, saj se viri izpostavljajo različnim napetostnim nivojem.
2. Vhodni upor se lahko meri na tleh na vhodih, pod pogojem, da je drugi vhod ozemljen. Slabost tukaj so viri z visokim notranjim uporom, ki so delno obremenjeni z vhodnim uporom.
3. Vhodna kapacitivnost - kondenzatorji vzporedni z vhodnimi upori. Imajo moteč učinek, zlasti pri visokih frekvencah, ker kondenzatorji ustvarjajo dodatne vzporedne vhodne impedance, ki so odvisne od frekvence. V diferencialnem ojačevalniku je načelo delovanja odvisno od tega indikatorja.
4. Nizek dobiček (povečanje signala) kaže na dobiček, ki se dobi brez povratne informacije. Določeno je z odpornostjo na obremenitev 2 kΩ in nihanjem izhodne napetosti ± 10 V. V praksi ta vrednost 200.000 ni bila dosežena in je ponavadi nižja za faktor 10.
5. Odstopanje napajalne napetosti. Ko se napetost enega volta spremeni, se pristranskost spremeni za 0,3 μV. Vendar pa se s faktorjem ojačitve 300-krat večja napaka za 0,1 mV.
6. Nihanje izhodne napetosti. Op-amp nikoli ne more ustvariti polne vhodne napetosti na izhodu. V vsakem primeru je največja izhodna napetost pri vhodni napetosti ± 15 V bistveno višja od ± 10 V. Pri normalnih obremenitvah okrog ± 13 V in idealno - samo 1 V pod napajalno napetostjo.
7. Izhodna upornost je učinkovita upornost izmeničnega toka na izhodu, samo za izhodne signale z nizko in offset izhodom. Praktično velja samo v mejnih primerih.
8. Tok kratkega stika na izhodu.
9. Napajalni tok s pomočjo neobremenjenega ojačevalnika s tipom 1,7 mA.
10. Zmogljivost - izguba moči, seveda, za neobremenjeno op-amp povzroči tok napajanja in je odvisen od delovne napetosti. Diferencial tranzistorski ojačevalnik zahteva določen reakcijski čas in degradira vhodni signal s hmeljem. To se nanaša na obremenitev 2 kOhm || 100 pF in krepitev "enotnosti" (enojni dobiček).
11. Hitrost poravnave, da preprečite nenadzorovano zamah. Če se izhodna napetost spremeni za 10 V, operacijski ojačevalnik zahteva čas običajno 5 μs. Postane kritičen pri visokih frekvencah, saj je njegov izhodni signal močno oslabljen.

Mejni pogoji uporabe

Osnovni:

1. Napajalna napetost je največ ± 18V. Večina tokokrogov deluje na ± 15 V, zato je na varni strani.
2. Največja izguba moči (odvajanje moči) je odvisna od različice ohišja in največje dovoljene temperature. Preprosto 8-polno plastično ohišje lahko roča 310 mW, 14-pinski dvoredni kovček lahko deluje približno dvakrat več.
3. Vhodne napetosti in razlike so lahko v območju -15 ... + 15 V. Spajkanje. Pri spajkanju (spajkanju) se lahko terminali segrejejo do 300 ° C za eno minuto. Spajkanje na sponke se ne izvaja hkrati, ampak eno po eno in šele po tem, ko je celotna komponenta popolnoma ohlajena.
4. Kratek stik na izhodni strani. Proizvajalec meni, da lahko izhodni kratek stik traja nedoločen čas, če so izpolnjeni vsi robni pogoji.
5. Omejitev: Temperatura ohišja ne sme presegati 125 ° C, zato temperatura okolice ne sme presegati 75 ° C

Diferencialni ojačevalnik z uporabo BJT

Načelo njegovega delovanja je prikazano v diagramu spodaj.

Zasnovan je z dvema ustreznima tranzistorjema v skupni oddajni konfiguraciji, katerih oddajniki so medsebojno povezani. Preprosto vezje, ki lahko ojačuje majhne signale, ki se oddajajo med dvema vhodoma, vendar istočasno zavirajo signale hrupa, ki so skupni obema vhodoma.

Diferencni ojačevalnik na bipolarni tranzistorji (BJT) ima edinstveno topologijo: dva vhoda in dva izhoda. Čeprav lahko signal uporabljate samo z enim izhodom, razlika med obema izhodoma zagotavlja dvakrat toliko dobitkov! In to izboljša zavrnitev v skupnem načinu (CMR), kadar je signal skupnega načina vir hrupa ali napetosti DC iz prejšnje stopnje.

Konfiguracija tranzistorskega kalkulatorja

Na podlagi vhodnih in izhodnih načinov vnosa imajo lahko diferencialni ojačevalniki štiri različne konfiguracije, kot je prikazano spodaj.

1. Enofazni neuravnoteženi izhod.
2. Enosmerni izhodni izhod.
3. Dvojni vhodni neuravnoteženi izhod.
4. Dvojni uravnotežen vhod.

Shematski diagram ojačevalnika z enosmernim tokom

Pri razvoju analognih gradnikov (različne vrste predojačevalniki, filtrov in tako naprej. D.) Pomembno je, skupaj z razvojem naprednih rešitev za globoke tehnologij submikronske, bodite pozorni na nove strukturne rešitve običajnih napravah za ojačevanje.

Diferencialni ojačevalnik enosmernega toka (DUPT), njegova izhodna napetost je sorazmerna razliki med dvema vhodnima napetostoma. To lahko predstavimo v obliki enačbe, kot sledi: V out = A * ((Vin +) - (Vin-)), kjer je A = faktor pridobitve.

Praktična uporaba

V praksi krogov, ki se uporabljajo za nadzor ojačitve: pulzi dolgo žico, zvok, radijske frekvence, in nadzor servo motorja, elektrokardiograma, informacije o magnetnih naprav za shranjevanje.

Slabosti

Diferencni ojačevalnik ima številne pomanjkljivosti, ki nekoliko omejujejo njegovo uporabo v elektroniki:

1. Nizka vrednost vhodnega upora, odvisno od upora, na primer s šibkim signalom iz termoelementa - DM bo pokazal napačen rezultat merjenja.
2. Trudnoreguliruemy dobiček, kar bi zahtevalo spremembo vrednosti teh dveh uporov, ki je praktično težko izvajati, in daje dodatni elementi tokokroga (potenciometrov ali multipleksorjev) nepotrebnem otežujejo vezje.