Дифференциальный усилитель - Differential amplifier

Символ операционного усилителя

Инвертирующий и неинвертирующий входы отмечены символами «-» и «+» (соответственно), помещенными в треугольник усилителя. V_{s +} и V_s− - напряжения питания; они часто опускаются на схеме для простоты, но должны присутствовать в реальной цепи.

А дифференциальный усилитель это тип электронный усилитель что усиливает разницу между двумя входами напряжения но подавляет любое напряжение, общее для двух входов.^[1] Это аналоговая схема с двумя входами ${ displaystyle scriptstyle V _ { text {in}} ^ {-}}$ и ${ displaystyle scriptstyle V _ { text {in}} ^ {+}}$ и один выход ${ displaystyle scriptstyle V _ { text {out}}}$ в котором выход идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями

${ displaystyle V _ { text {out}} = A (V _ { text {in}} ^ {+} - V _ { text {in}} ^ {-})}$

куда ${ displaystyle scriptstyle A}$ - коэффициент усиления усилителя.

Одиночные усилители обычно реализуются либо путем добавления соответствующих резисторов обратной связи к стандартному операционному усилителю, либо с помощью специального IC содержащие внутренние резисторы обратной связи. Это также общий подкомпонент более крупных интегральные схемы обработка аналоговых сигналов.

Теория

Выход идеального дифференциального усилителя определяется по формуле:

${ displaystyle V _ { text {out}} = A _ { text {d}} (V _ { text {in}} ^ {+} - V _ { text {in}} ^ {-})}$

Где ${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {+}}$ и ${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {-}}$ входные напряжения и ${ displaystyle A _ { text {d}}}$ - дифференциальное усиление.
Однако на практике коэффициенты усиления для двух входов не совсем равны. Это означает, например, что если ${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {+}}$ и ${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {-}}$ равны, выход не будет нулевым, как это было бы в идеальном случае. Таким образом, более реалистичное выражение для выхода дифференциального усилителя включает второй член.

${ displaystyle V _ { text {out}} = A _ { text {d}} (V _ { text {in}} ^ {+} - V _ { text {in}} ^ {-}) + A_ { text {c}} left ({ frac {V _ { text {in}} ^ {+} + V _ { text {in}} ^ {-}} {2}} right)}$

${ displaystyle A _ { text {c}}}$ называется синфазным усилением усилителя.
Поскольку для устранения шума или напряжения смещения, которые появляются на обоих входах, часто используются дифференциальные усилители, обычно требуется низкий коэффициент синфазного усиления.

В коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), обычно определяемое как отношение между усилением дифференциального режима и усилением синфазного сигнала, указывает на способность усилителя точно нейтрализовать напряжения, общие для обоих входов. Коэффициент подавления синфазного сигнала определяется как:

${ displaystyle mathrm {CMRR} = 10 log _ {10} left ({ frac {A _ { mathrm {d}}} {A _ { mathrm {c}}}} right) ^ {2} = 20 log _ {10} left ({ frac {A _ { mathrm {d}}} {| A _ { mathrm {c}} |}} right)}$

В идеально симметричном дифференциальном усилителе ${ displaystyle A _ { text {c}}}$ равен нулю, а CMRR бесконечно. Обратите внимание, что дифференциальный усилитель - это более общая форма усилителя, чем усилитель с одним входом; путем заземления одного входа дифференциального усилителя получается несимметричный усилитель.

Длиннохвостая пара

Историческое прошлое

Современные дифференциальные усилители обычно реализуются по базовой двухтранзисторной схеме, называемой «Длиннохвостая» пара или же дифференциальная пара. Эта схема изначально была реализована с использованием пары вакуумные трубки. Схема работает одинаково для всех трехконтактных устройств с усилением по току. Точки смещения цепи резистора с «длинным хвостом» в значительной степени определяются законом Ома и в меньшей степени характеристиками активных компонентов.

Пара с длинным хвостом была разработана на основе более ранних знаний техники двухтактных схем и измерительных мостов.^[2] Ранняя схема, очень похожая на длиннохвостую пару, была опубликована британским неврологом Брайаном Мэтьюзом в 1934 году.^[3] и кажется вероятным, что это была настоящая длиннохвостая пара, но была опубликована с ошибкой рисования. Самая ранняя определенная парная цепь с длинным хвостом фигурирует в патенте, представленном Алан Блюмлейн в 1936 г.^[4] К концу 1930-х годов топология была хорошо установлена ​​и была описана различными авторами, включая Фрэнка Оффнера (1937),^[5] Отто Шмитт (1937)^[6] и Ян Фридрих Тоеннис (1938) ^[7] в частности, он использовался для обнаружения и измерения физиологических импульсов.^[8]

Пара с длинным хвостом очень успешно использовалась в ранней британской вычислительной технике, прежде всего в Пилотный ACE модель и потомки,^{[nb 1]} Морис Уилкс EDSAC, и, вероятно, другие, разработанные людьми, которые работали с Блюмлейном или его коллегами. Пара с длинным хвостом имеет много благоприятных характеристик при использовании в качестве переключателя: в значительной степени невосприимчив к вариациям ламп (транзисторов) (очень важно, когда машины содержат 1000 ламп или более), высокое усиление, стабильность усиления, высокий входной импеданс, средний / низкий выход. импеданс, хороший клипер (с не слишком длинным хвостом), неинвертирующий (EDSAC не содержит инверторов!) и большие колебания выходного напряжения. Одним из недостатков является то, что размах выходного напряжения (обычно ± 10–20 В) накладывался на высокое постоянное напряжение (200 В или около того), что требовало осторожности при соединении сигналов, обычно это какая-то форма широкополосной связи по постоянному току. Многие компьютеры того времени пытались избежать этой проблемы, используя только импульсную логику со связью по переменному току, что делало их очень большими и чрезмерно сложными (ENIAC: 18000 трубок для 20-разрядного калькулятора) или ненадежный. Связанные по постоянному току схемы стали нормой после первого поколения ламповых компьютеров.

Конфигурации

Дифференциал (длиннохвостый,^{[nb 2]} эмиттерно-связанный) парный усилитель состоит из двух усилительных каскадов с общими (излучатель, источник или же катод ) вырождение.

Дифференциальный выход

Рисунок 2: Классическая длиннохвостая пара

Имея два входа и два выхода, он образует каскад дифференциального усилителя (рисунок 2). Две базы (или сетки, или вентили) являются входами, которые дифференциально усиливаются (вычитаются и умножаются) парой транзисторов; на них может подаваться дифференциальный (симметричный) входной сигнал, или один вход может быть заземлен для формирования фазоделитель схема. Усилитель с дифференциальным выходом может управлять плавающей нагрузкой или другим каскадом с дифференциальным входом.

Несимметричный выход

Если дифференциальный выход нежелателен, то можно использовать только один выход (взятый только с одного из коллекторов (или анодов, или стоков), игнорируя другой выход; эта конфигурация называется несимметричный выход. Коэффициент усиления составляет половину от каскада с дифференциальным выходом. Чтобы избежать потери коэффициента усиления, можно использовать дифференциальный преобразователь в несимметричный. Это часто реализуется как текущее зеркало (Рисунок 3, ниже ).

Несимметричный вход

Дифференциальная пара может быть использована в качестве усилителя с несимметричным входом, если один из входов заземлен или прикреплены к опорному напряжению (обычно, другой коллектор используется в качестве одного состава выхода) Такое расположение можно думать как каскадные каскады с общим коллектором и с общей базой или в виде буферизованной ступени с общей базой.^{[№ 3]}

В усилителе с эмиттерной связью компенсируются температурные дрейфы, В_БЫТЬ отменяется, и Эффект Миллера и насыщения транзистора избегаются. Поэтому его используют для создания усилителей с эмиттерной связью (избегая эффекта Миллера), фазоделитель схемы (получение двух обратных напряжений), вентили и переключатели ECL (предотвращение насыщения транзисторов) и т. д.

Операция

Для объяснения работы схемы ниже выделены четыре конкретных режима, хотя на практике некоторые из них действуют одновременно и их эффекты накладываются друг на друга.

Смещение

В отличие от классических усилительных каскадов, которые смещен со стороны основания (и поэтому они сильно зависят от β), дифференциальная пара напрямую смещается со стороны эмиттеров, понижая / подавая полный ток покоя. Последовательная отрицательная обратная связь (вырождение эмиттера) заставляет транзисторы действовать как стабилизаторы напряжения; это заставляет их корректировать свои V_БЫТЬ напряжения (базовые токи) для прохождения тока покоя через их переходы коллектор-эмиттер.^{[№ 4]} Таким образом, из-за отрицательной обратной связи ток покоя лишь незначительно зависит от β транзистора.

Базовые токи смещения, необходимые для того, чтобы вызвать токи покоя коллектора, обычно исходят от земли, проходят через входные источники и входят в базы. Таким образом, источники должны быть гальваническими (постоянный ток), чтобы обеспечить прохождение тока смещения, и иметь достаточно низкое сопротивление, чтобы не создавать значительных падений напряжения на них. В противном случае необходимо подключить дополнительные элементы постоянного тока между основаниями и землей (или положительным источником питания).

Общий режим

В синфазном режиме (два входных напряжения меняются в одних и тех же направлениях) два последователя напряжения (эмиттера) взаимодействуют друг с другом, работая вместе на общей высокоомной эмиттерной нагрузке («длинный хвост»). Они все вместе увеличивают или уменьшают напряжение общей точки эмиттера (образно говоря, они вместе «подтягивают» или «стягивают» ее так, чтобы она двигалась). Кроме того, динамическая нагрузка «помогает» им, изменяя свое мгновенное омическое сопротивление в том же направлении, что и входные напряжения (оно увеличивается при повышении напряжения, и наоборот), таким образом поддерживая постоянное общее сопротивление между двумя шинами питания. Имеется полный (100%) отрицательный отзыв; два входных базовых напряжения и напряжение эмиттера изменяются одновременно, в то время как токи коллектора и общий ток не изменяются. В результате не изменяются и напряжения выходного коллектора.

Дифференциальный режим

Нормальный. В дифференциальном режиме (два входных напряжения меняются в противоположных направлениях) два повторителя напряжения (эмиттера) противостоят друг другу - в то время как один из них пытается увеличить напряжение общей точки эмиттера, другой пытается его уменьшить (образно говоря, один из них «подтягивает» общую точку, а другой «стягивает» ее так, чтобы она оставалась неподвижной) и наоборот. Итак, общая точка не меняет своего напряжения; он ведет себя как виртуальная земля с величиной, определяемой входными синфазными напряжениями. Эмиттерный элемент с высоким сопротивлением не играет никакой роли - он шунтируется другим эмиттерным повторителем с низким сопротивлением. Отрицательной обратной связи нет, поскольку напряжение эмиттера вообще не меняется при изменении входных базовых напряжений. Общий ток покоя сильно колеблется между двумя транзисторами, и выходное напряжение коллектора сильно изменяется. Два транзистора взаимно заземляют свои эмиттеры; так, хотя они коллекционер стадии, они фактически действуют как общий эмиттер ступени с максимальным усилением. Стабильность смещения и независимость от изменений параметров устройства могут быть улучшены за счет отрицательной обратной связи, вводимой через резисторы катод / эмиттер с относительно малым сопротивлением.

Перегружен. Если входное дифференциальное напряжение значительно изменяется (более чем примерно на сто милливольт), транзистор, управляемый более низким входным напряжением, отключается, и его напряжение коллектора достигает положительной шины питания. При высокой перегрузке соединение база-эмиттер меняется на обратное. Другой транзистор (управляемый более высоким входным напряжением) управляет всем током. Если резистор на коллекторе относительно большой, транзистор насыщается. При относительно небольшом коллекторном резисторе и умеренной перегрузке эмиттер все еще может следовать за входным сигналом без насыщения. Этот режим используется в дифференциальных переключателях и ECL ворота.

Авария. Если входное напряжение продолжает увеличиваться и превышает значение база-эмиттер напряжение пробоя, переход база-эмиттер транзистора, управляемого более низким входным напряжением, выходит из строя. Если входные источники имеют низкое сопротивление, неограниченный ток будет протекать непосредственно через «диодный мост» между двумя входными источниками и повредит их.

В обычном режиме напряжение эмиттера следует за изменениями входного напряжения; есть полная отрицательная обратная связь и прирост минимальный. В дифференциальном режиме напряжение на эмиттере фиксировано (равно мгновенному общему входному напряжению); отрицательной обратной связи нет и усиление максимальное.

Улучшения дифференциального усилителя

Источник постоянного тока эмиттер

Рисунок 3: Улучшенная длиннохвостая пара с текущее зеркало нагрузка и постоянное смещение

Ток покоя должен быть постоянным, чтобы обеспечить постоянное напряжение коллектора в синфазном режиме. Это требование не так важно в случае дифференциального выхода, поскольку два напряжения коллектора будут изменяться одновременно, но их разница (выходное напряжение) не изменится. Но в случае несимметричного выхода чрезвычайно важно поддерживать постоянный ток, поскольку выходное напряжение коллектора будет изменяться. Таким образом, чем выше сопротивление источника тока ${ displaystyle R _ { text {e}}}$, тем меньше (лучше) синфазное усиление ${ displaystyle A _ { text {c}}}$. Необходимый постоянный ток может быть получен путем подключения элемента (резистора) с очень высоким сопротивлением между общим эмиттерным узлом и шиной питания (отрицательный для NPN и положительный для транзисторов PNP), но для этого потребуется высокое напряжение питания. Вот почему в более сложных конструкциях элемент с высоким дифференциальным (динамическим) сопротивлением, приближающийся к постоянный ток источник / приемник заменяется на «длинный хвост» (Рисунок 3). Обычно это реализуется текущее зеркало из-за высокого податливого напряжения (небольшое падение напряжения на выходном транзисторе).

Коллекторное токовое зеркало

Коллекторные резисторы можно заменить токовым зеркалом, выходная часть которого действует как активная нагрузка (Рис. 3). Таким образом, дифференциальный сигнал тока коллектора преобразуется в несимметричный сигнал напряжения без собственных 50% потерь, и коэффициент усиления значительно увеличивается. Это достигается путем копирования входного тока коллектора слева направо, где величины двух входных сигналов складываются. Для этого вход токового зеркала подключается к левому выходу, а выход токового зеркала подключается к правому выходу дифференциального усилителя.

Рисунок 4: Характеристики передачи

Токовое зеркало копирует ток левого коллектора и пропускает его через правый транзистор, который производит ток правого коллектора. На этом правом выходе дифференциального усилителя вычитаются два сигнальных тока (положительное и отрицательное изменение тока). В этом случае (дифференциальный входной сигнал) они равны и противоположны. Таким образом, разница в два раза превышает токи отдельных сигналов (ΔI - (-ΔI) = 2ΔI), и дифференциальное преобразование в несимметричное завершается без потерь усиления. На рис. 4 показана передаточная характеристика этой схемы.

Соображения по взаимодействию

Плавающий источник входного сигнала

Между двумя базами можно подключить плавающий источник, но необходимо обеспечить пути для смещающих базовых токов. В случае гальванического источника только один резистор должен быть подключен между одной из баз и землей. Ток смещения будет поступать прямо на эту базу и косвенно (через входной источник) - на другую. Если источник является емкостным, необходимо подключить два резистора между двумя базами и землей, чтобы обеспечить разные пути для базовых токов.

Входное / выходное сопротивление

Входное сопротивление дифференциальной пары сильно зависит от режима входа. В синфазном режиме эти две части ведут себя как каскады с общим коллектором с высокими эмиттерными нагрузками; Итак, входные сопротивления чрезвычайно высоки. В дифференциальном режиме они ведут себя как каскады с общим эмиттером и заземленными эмиттерами; Итак, входные сопротивления низкие.

Выходной импеданс дифференциальной пары высокий (особенно для улучшенной дифференциальной пары с токовым зеркалом, как показано на Рисунок 3 ).

Диапазон ввода / вывода

Синфазное входное напряжение может варьироваться между двумя шинами питания, но не может достигать их близко, поскольку некоторые падения напряжения (минимум 1 вольт) должны оставаться на выходных транзисторах двух токовых зеркал.

Операционный усилитель как дифференциальный усилитель

Рисунок 5: Дифференциальный усилитель операционного усилителя

An операционный усилитель, или операционный усилитель, представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления в дифференциальном режиме, очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе может быть построен с предсказуемым и стабильным усилением, применяя отрицательный обратная связь (рисунок 5).^{[№ 5]} Некоторые виды дифференциальных усилителей обычно включают несколько более простых дифференциальных усилителей. Например, полностью дифференциальный усилитель, инструментальный усилитель, или развязывающий усилитель часто строятся из комбинации нескольких операционных усилителей.

Приложения

Дифференциальные усилители встречаются во многих схемах, в которых используются последовательные негативный отзыв (повторитель операционного усилителя, неинвертирующий усилитель и т. д.), где один вход используется для входного сигнала, а другой - для сигнала обратной связи (обычно реализуется операционные усилители ). Для сравнения: устаревшие инвертирующие несимметричные операционные усилители начала 1940-х годов могли реализовать только параллельную отрицательную обратную связь путем подключения дополнительных цепей резисторов (наиболее популярным примером является инвертирующий усилитель на операционных усилителях). Обычное приложение для контроля моторы или же сервоприводы, а также для приложений усиления сигнала. В дискретных электроника, распространенной схемой реализации дифференциального усилителя является длиннохвостая пара, который также обычно используется в качестве дифференциального элемента в большинстве операционных усилителей. интегральные схемы. Пара с длинным хвостом может использоваться в качестве аналогового умножителя с дифференциальным напряжением в качестве одного входа и током смещения в качестве другого.

В качестве входного каскада используется дифференциальный усилитель. эмиттерная логика ворота и как выключатель. При использовании в качестве переключателя «левая» база / сетка используется как вход сигнала, а «правая» база / сетка заземляется; вывод берется с правого коллектора / пластины. Когда вход равен нулю или отрицателен, выход близок к нулю (но может быть ненасыщенным); когда вход положительный, выход наиболее положительный, динамическая работа такая же, как при использовании усилителя, описанном выше.

Симметричная сеть обратной связи устраняет синфазное усиление и синфазное смещение

Рисунок 6: Дифференциальный усилитель с неидеальным операционным усилителем: входной ток смещения и дифференциальный входной импеданс

В случае, если входной ток смещения операционного усилителя (неидеальный) или дифференциальный входной импеданс имеют большое значение, можно выбрать схему обратной связи, которая улучшает влияние синфазного входного сигнала и смещения. На рисунке 6 генераторы тока моделируют входной ток смещения на каждой клемме; я⁺_б и я⁻_б представляют входной ток смещения на клеммах V⁺ и V⁻, соответственно.

В Эквивалент Тевенина для сети, управляющей V⁺ терминал имеет напряжение V^+' и сопротивление р^+':

${ displaystyle V ^ {+ prime} = V _ { text {in}} ^ {+} * R _ {/ ! ! /} ^ {+} / R _ { text {i}} ^ {+} -I _ { text {b}} ^ {+} * R _ {/ ! ! /} ^ {+}; Quad R ^ {+ prime} = R _ {/ ! ! /} ^ {+ } = R _ { text {i}} ^ {+} {/ ! ! /} R _ { text {f}} ^ {+}}$

в то время как для сети, управляющей V⁻ Терминал,

${ displaystyle V ^ {- prime} = V _ { text {in}} ^ {-} * R _ {/ ! ! /} ^ {-} / R _ { text {i}} ^ {-} + V _ { text {out}} * R _ {/ ! ! /} ^ {-} / R _ { text {f}} ^ {-} - I _ { text {b}} ^ {-} * R _ {/ ! ! /} ^ {-}; quad R ^ {- prime} = R _ {/ ! ! /} ^ {-} = R _ { text {i}} ^ {-} {/ ! ! /} R _ { text {f}} ^ {-}.}$

Выход операционного усилителя - это просто усиление без обратной связи. А_ол умноженный на дифференциальный входной ток я умноженное на импеданс дифференциального входа 2р_d, следовательно

${ displaystyle V _ { text {out}} = A _ { text {ol}} * 2R _ { text {d}} { frac {V ^ {+ prime} -V ^ {- prime}} { 2R _ {/ ! ! /} + 2R _ { text {d}}}} = (V ^ {+ prime} -V ^ {- prime}) * A _ { text {ol}} R _ {/ ! ! /} / (R _ {/ ! ! /} / ! ! / R _ { text {d}})}$

куда р_// это среднее значение р⁺_// и р⁻_//.

Эти уравнения сильно упрощаются, если

${ displaystyle R _ { text {i}} ^ {+} = R _ { text {i}} ^ {-} quad { text {and}} quad R _ { text {f}} ^ {+ } = R _ { text {f}} ^ {-}}$

что приводит к соотношению

${ displaystyle V _ { text {in}} ^ {+} - V _ { text {in}} ^ {-} - R _ { text {i}} * I _ { text {b}} ^ { Delta } = V _ { text {out}} left [{ frac {R _ { text {i}}} {R _ { text {f}}}} + { frac {1} {A _ { text { ol}} * { frac {R _ { text {i}}} {R _ { text {i}} / ! ! / R _ { text {f}} / ! ! / R _ { text {d}}}}}} right]}$

что означает, что коэффициент усиления замкнутого контура для дифференциального сигнала равен V⁺_в - V⁻_в, но синфазное усиление равно нулю. Это также означает, что синфазный входной ток смещения исчез, оставив только входной ток смещения. я^Δ_б = 'Я⁺_б - 'Я⁻_б все еще присутствует, и с коэффициентом р_я. Это как если бы входной ток смещения эквивалентен входному напряжению смещения, действующему на входное сопротивление. р_я, которое является сопротивлением источника цепи обратной связи на входных клеммах. Наконец, пока коэффициент усиления по напряжению без обратной связи А_ол намного больше единицы, коэффициент усиления по напряжению в замкнутом контуре равен р_ж / р_я, значение, которое можно было бы получить с помощью практического анализа, известного как «виртуальная земля».^{[№ 6]}

Сноски

Смотрите также

• Клетка Гилберта
• Инструментальный усилитель
• Дифференциальная конфигурация операционного усилителя
• Эмиттерная логика

Рекомендации

внешняя ссылка

• Дифференциальный усилитель BJT - Схема и объяснение
• Стенд для испытаний дифференциальных схем
• Примечание по применению: Analog Devices - AN-0990: Оконечная нагрузка дифференциального усилителя в приложениях с несимметричным входом