Diferencijalno pojačalo: princip rada

Diferencijalno pojačalo (DA) koristi se za pojačavanje razlike između dva ulazna signala. Može se smatrati analognim krugom koji se sastoji od dva ulaza i jednog izlaza.

Pojačala koja se koriste u različitim električnim i elektroničkim sklopovima za generiranje signala i obavljanje matematičkih operacija nazivaju se operativna pojačala (op pojačala). Oni su ključni dijelovi elektroničkog analognog računala. Njihov izum početkom 1940-ih doveo je do zamjene mehaničkih uređaja za brojanje tihom i brzom elektronikom. Mnoga analogna računala se oslanjala na vakuumske cijevi, dostupne od Georgea Philbricka 1952. godine.

Godine 1963. Bob Vidlar na Fairchild Semiconductoru napravio je op amp na jednom integriranom krugu A702 - prvog monolitnog operacijskog pojačala IC.

Krug za pojačalo tranzistora

Različito operativno pojačalo može se sastaviti prema shemi, kao što je prikazano na donjoj slici, koja se sastoji od dva tranzistora T1 i T2.

Krug daljinskog upravljača ima dva ulaza I1 i I2 i dva izlaza V1out i V2out. Ulaz I1 dolazi na bazni terminal tranzistora T1, ulaz I2 se primjenjuje na osnovni terminal tranzistora T2. Emitirajući izlazi tranzistora T1 i tranzistora T2 su spojeni na zajednički otpornik emitera. Tako će dva ulazna signala I1 i I2 utjecati na izlaze V1out i V2out. Krug se sastoji od dva napona napajanja Vcc i Vee, ali nema terminala za uzemljenje. Čak i s jednim naponom napajanja, krug može raditi normalno (slično kada koristite dva napona napajanja). Slijedom toga, suprotne točke pozitivnog napona i negativnog napona napajanja su spojene na masu.

Shematski dijagram rada DT

Rad diferencijalnog pojačala prikazan je na slici u donjoj slici.

Ako je ulazni signal (I1) se isporučuje na bazu tranzistora T1, kroz otpornik spojen na tranzistor, tranzistor T1, pozitivan pad napona čini manjim. Ako je ulazni signal (I1), ne dovodi se u bazi tranzistora T1, kroz otpornik spojen na tranzistor, tranzistor T1, pozitivan pad napona Čini se da je velik.

Može se reći da inverzni izlaz koji izlazi kroz kolektor terminala tranzita T1 temelji se na ulaznom signalu I1 koji je isporučen na osnovni terminal T1. Ako je T1 uključen, primjenom pozitivne vrijednosti I1, struja koja prolazi kroz otpor emiter povećava se kada struja odašiljača i struja kolektora budu gotovo jednaki. Ako pad napona kroz otpor emiter raste, tada emiter oba tranzistora ide u pozitivnom smjeru. Ako je odašiljač tranzistora T2 pozitivan, baza T2 će biti negativna, a u ovom stanju struja će biti manja. I tu će biti manji pad napona preko otpornika spojenog na kolektor terminala tranzistora T2.

Stoga, za ovaj pozitivni ulazni kolektor, T2 će ići u pozitivnom smjeru. Možemo reći da je ne-inverting izlaz javljaju na kolektor terminala tranzistora T2, na temelju ulaznog signala dovodi na bazi T1. Diferencijalna pojačalo prima izlaz između kolektora terminalima tranzistora T1 i T2. Iz navedenog koncepta pretpostavlja da su sve karakteristike tranzistora T1 i T2 su identični, a ako je baza napon jednak VB1 Vb2 (baza napon tranzistora T1 jednaka osnovnoj napona tranzistora T2), odašiljač struje oba tranzistora će biti jednaka (Iem1 = Iem2).

Dakle, ukupna emitatorska struja bit će jednaka zbroju emitantnih struja T1 (Iem1) i T2 (Iem2). Izračunavanje diferencijalne vrijednosti pojačalo. Iem1 = Iem2 Ie = Iem1 + Iem2 Vev = Vb-Vb em I em = (Vb-Vb em) / Rem. Stoga, struja odašiljača ostaje nepromijenjena bez obzira na vrijednost hfe tranzistora T1 i T2. Ako su otpornici spojeni na kolektorske terminale T1 i T2 jednaki, onda su njihovi naponi kolektora također jednaki.

Kratak opis rada operacijskog pojačala

Ovo pojačalo (op-amp, engleski izdanje) može biti idealan s beskrajnom dobiti i širina pojasa za uporabu u modu otvorene petlje s tipičnom DC dobitak od više od 100.000, odnosno 100 dB. Diferencijalna pojačala op-amp struje ima dva ulaza, od kojih je jedan obrnut. Pojačana razlika ovih ulaza se emitira na izlazu u obliku napona. Idealno operativno pojačalo ima beskonačno veliku dobit. To bi trebalo izraziti simbol beskonačnosti s novim simbolom. Operativno pojačalo radi u bilo dvostruko pozitivne (+ V), ili s odgovarajućim negativne (-V) vlasti, ili može raditi na DC napon napajanja.

Dva glavna zakona vezana za OU

Oni se sastoje u činjenici da takvo pojačalo ima beskonačnu ulaznu impedanciju (Z = infin), što dovodi do nepostojanja struje koja teče u jedan od njegovih dvaju ulaza i nulte ulazne pristranosti napona V1 = V2. Operativno pojačalo također ima nultu izlaznu impedanciju (Z = 0). Optička pojačala određuju razliku između naponskih signala primijenjenih na njihove dvije ulazne stezaljke, a zatim ih pomnožite nekim unaprijed određenim dobitkom (A). Ovaj dobitak (A) često se naziva Open Loop Factor. Op pojačala mogu se spojiti u dvije osnovne konfiguracije - invertiranje i neizmjenjivanje.

Za negativnu povratnu informaciju, ako je povratni napon u antifazu na ulazu, ukupna dobit se smanjuje. Za pozitivnu povratnu informaciju, kada je povratni napon u "fazi", ulazni signal pojačala povećava se. Spajanjem izlaza natrag na negativni ulazni priključak postiže se 100% povratna veza, što dovodi do kruga napona napajanja (pufera) s konstantnim povećanjem od 1 (jedinstvo). Zamjenom otpornika s fiksnom povratnom vezom (Rƒ) za potenciometar, krug će imati prilagodljivu dobit.

Tehničke specifikacije

ključ:

1. Ulazna struja nulte niza (ulazna pristranost struje) u položaju mirovanja, različite struje mogu protjecati na dva ulaza. To u praksi znači da je napon izobličen u slučaju izvora s visokim unutarnjim otporom, budući da se izvori podvrgavaju različitim naponskim razinama.
2. Otpor ulaznog signala može se mjeriti prema tlu na ulazima, pod uvjetom da je drugi ulaz utemeljen. Nedostatak ovdje su izvori s visokim unutarnjim otporom, koji su djelomično opterećeni ulaznim otporom.
3. Ulazni kapacitet - kondenzatori paralelno s ulaznim otpornicima. Imaju uznemirujući učinak, osobito pri visokim frekvencijama, jer kondenzatori stvaraju dodatne paralelne ulazne impedancije koje ovise o frekvenciji. U diferencijalnom pojačalu, načelo rada ovisi o ovom pokazatelju.
4. Niska dobit (povećanje dobitka signala) označava dobitak koji se dobiva bez povratnih informacija. Određuje se s otporom opterećenja od 2 kΩ i fluktuacijom izlaznog napona od ± 10 V. U praksi ova vrijednost od 200.000 nikad nije postignuta i obično je niža za faktor od 10.
5. Odstupanje napona napajanja. Kad se napon jednog volta promijeni, promjena napona se mijenja za 0,3 μV. Međutim, s faktorom pojačanja od 300 puta, pogreška se povećava za 0,1 mV.
6. Swing izlaznog napona. Op-amp nikad ne može generirati puni ulazni napon na izlazu. U svakom slučaju, maksimalni izlazni napon na ulaznom naponu od ± 15 V bit će znatno veći od ± 10 V. Pri normalnom opterećenju od oko ± 13 V i idealan - samo 1 V ispod napona napajanja.
7. Izlazni otpor je djelotvorna otpornost izmjenične struje na izlazu, samo za izlazne signale s niskim i offsetnim izlazom. Praktički primjenjivo samo u graničnim slučajevima.
8. Struja kratkog spoja na izlazu.
9. Struja napajanja uz pomoć neopterećenog operativnog pojačala, s tipom od 1.7 mA.
10. Izvedba - gubitak snage, naravno, za neopterećeni op-amp uzrokuje struja napajanja i ovisi o radnom naponu. diferencijal pojačalo tranzistora zahtijeva određeno vrijeme reakcije i degradira ulazni signal s hop-om. To se odnosi na opterećenje od 2 kOhm || 100 pF i jačanje "jedinstva" (pojedinačni dobitak).
11. Stopa rasta kako bi se spriječilo nekontrolirano ljuljanje. Ako se izlazni napon promijeni za 10 V, operativno pojačalo zahtijeva vrijeme od tipično 5 μs. To postaje kritično kod visokih frekvencija, budući da je izlazni signal jako slab.

Granični uvjeti korištenja

ključ:

1. Opskrbni napon je maksimalno ± 18V. Većina krugova radi na ± 15 V, pa na sigurnoj strani.
2. Maksimalni gubitak snage (rasipanje snage) ovisi o izvedbi kućišta i maksimalnoj dopuštenoj temperaturi. Jednostavan 8-polni plastični kućište može nositi 310 mW, 14-polni dvosmjerni kućište može raditi dvostruko više.
3. Ulazni naponi i razlike mogu biti u rasponu od -15 ... + 15 V lemljenja. Tijekom lemljenja (lemljenje), terminali se ostave zagrijavati na 300 ° C tijekom jedne minute. Napajanje na stezaljke izvodi se ne istodobno, već jedan po jedan i tek nakon što se cijela komponenta potpuno hladi.
4. Kratki spoj na izlaznoj strani. Prema proizvođaču, kratki spoj izlaz može trajati neograničeno ako su ispunjeni svi rubni uvjeti.
5. Ograničenje: Temperatura kućišta ne smije prelaziti 125 ° C, tako da okolna temperatura ne smije prijeći 75 ° C

Diferencijalno pojačalo pomoću BJT

Princip njegova djelovanja prikazan je u donjem dijagramu.

Izrađen je pomoću dva odgovarajuća tranzistora u zajedničkoj emiter konfiguraciji, čiji emiteri su međusobno povezani. Jednostavan sklop koji može pojačati male signale koji se isporučuju između dva ulaza, ali istodobno potiskuju signale buke zajedničke oba ulaza.

Diferencijalno pojačalo na bipolarnim tranzistorima (BJT) ima jedinstvenu topologiju: dva ulaza i dva izlaza. Iako možete koristiti samo signal iz jednog izlaza, razlika između oba izlaza omogućuje dvostruko više dobitaka! To poboljšava odbacivanje uobičajenog načina rada (CMR) kada je zajednički način signala izvor buke ili DC pristranosti iz prethodne faze.

Konfiguracija tranzistorskog kalkulatora

Na temelju ulaznih i izlaznih načina unosa, diferencijalna pojačala mogu imati četiri različite konfiguracije, kao što je prikazano niže.

1. Jednorazna neuravnotežena izlazna snaga.
2. Jedinstven ulazni izjednačeni izlaz.
3. Dvostruki ulaz neuravnotežen izlaz.
4. Dvostruki uravnoteženi ulaz.

Shematski dijagram izravnog strujnog pojačala

U razvoju analognih građevnih blokova (različite vrste pretpojačala, filteri i tako dalje. D.) Važno je, zajedno s razvojem naprednih rješenja za duboke submikronske tehnologije, obratite pažnju na nove strukturne rješenja uobičajenih pojačanje uređaja.

Diferencijalno pojačalo izravne struje (DUPT), izlazni napon proporcionalan je razlici između dva ulazna napona. To se može prikazati u obliku jednadžbe kako slijedi: V out = A * ((Vin +) - (Vin-)), gdje A = faktor dobitka.

Praktična primjena

U praktičnim shemama, daljinsko upravljanje se koristi za pojačavanje: impulsi duž dugih žica, zvuka, radiofrekvencija, upravljanje motora i servomotora, elektrokardiograma, informacije o magnetnim uređajima za pohranu.

mane

Diferencijalno pojačalo ima niz nedostataka koji donekle ograničavaju njegovu upotrebu u elektronici:

1. Niska vrijednost otpora ulaza, ovisno o otporniku, na primjer, s slabim signalom iz termoelementa - DM će dati pogrešan rezultat mjerenja.
2. Trudnoreguliruemy dobitak, što bi zahtijevalo promjenu vrijednosti dva otpornika, što je praktički teško provesti, a daje se dodatni sklop elemenata (potenciometri ili multipleksori) nepotrebno komplicirati krug.