Дифференциальный усилитель - Differential amplifier

Символ операционного усилителя. Инвертирующий и неинвертирующий входы отмечены знаком «-» и «+» в треугольнике усилителя. V _{s +} и V _s− - напряжения питания; они часто опускаются на схеме для простоты, но должны присутствовать в реальной схеме.

Дифференциальный усилитель представляет собой тип электронного усилителя , который усиливает разницу между двумя входными напряжениями , но подавляет любое общее напряжение к двум входам. Это аналоговая схема с двумя входами и одним выходом , в которой выход идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями: ${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {-}}$${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {+}}$${\ displaystyle V _ {\ text {out}}}$

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

где - коэффициент усиления усилителя. ${\ displaystyle A}$

Одиночные усилители обычно реализуются либо путем добавления соответствующих резисторов обратной связи к стандартному операционному усилителю , либо с помощью специальной интегральной схемы, содержащей внутренние резисторы обратной связи. Это также общий подкомпонент более крупных интегральных схем, обрабатывающих аналоговые сигналы.

Теория

Выход идеального дифференциального усилителя определяется выражением

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

где и - входные напряжения, а - дифференциальный коэффициент усиления. ${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {+}}$${\ displaystyle V _ {\ text {in}} ^ {-}}$${\ displaystyle A _ {\ text {d}}}$

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

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

где называется синфазным усилением усилителя. ${\ displaystyle A _ {\ text {c}}}$

Поскольку дифференциальные усилители часто используются для обнуления шума или напряжения смещения, которые появляются на обоих входах, обычно требуется низкое синфазное усиление.

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

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

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

Длиннохвостая пара

Историческое прошлое

Современные дифференциальные усилители обычно реализуются с помощью базовой двухтранзисторной схемы, называемой «длинно-хвостовой» парой или дифференциальной парой . Эта схема изначально была реализована с использованием пары электронных ламп . Схема работает одинаково для всех трехконтактных устройств с усилением по току. Точки смещения схемы 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 о двухтактных схемах и измерительных мостах. Ранняя схема, очень напоминающая длиннохвостую пару, была опубликована британским неврологом Брайаном Мэтьюзом в 1934 году, и кажется вероятным, что это была настоящая длиннохвостая пара, но была опубликована с ошибкой в ​​рисовании. Самая ранняя определенная парная схема с длинным хвостом фигурирует в патенте, представленном Аланом Блюмлейном в 1936 году. К концу 1930-х годов топология была хорошо установлена ​​и была описана различными авторами, включая Фрэнка Оффнера (1937), Отто Шмитта (1937). и Ян Фридрих Тоеннис (1938), и он особенно использовался для обнаружения и измерения физиологических импульсов.

Пара с длинным хвостом очень успешно использовалась в ранних британских вычислениях, в первую очередь в модели Pilot ACE и ее потомках, EDSAC Мориса Уилкса и, вероятно, других, разработанных людьми, которые работали с Блюмлейном или его коллегами. Пара с длинным хвостом имеет много благоприятных характеристик, если используется в качестве переключателя: в значительной степени невосприимчив к вариациям ламп (транзисторов) (что имеет большое значение, когда машины содержат 1000 ламп или более), высокое усиление, стабильность усиления, высокий входной импеданс, средний / низкий выход. сопротивление, хороший клиппер (с не слишком длинным хвостом), неинвертирующий ( EDSAC не содержал 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 в той или иной форме 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 : 18 000 ламп для 20-разрядного калькулятора) или ненадежными. Связанные по постоянному току схемы стали нормой после первого поколения ламповых компьютеров.

Конфигурации

Дифференциальный (удлиненный, эмиттерно-связанный) парный усилитель состоит из двух усилительных каскадов с общим ( эмиттер , исток или катод ) вырождением.

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 схемы фазового делителя . 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 несимметричным выходом . Коэффициент усиления составляет половину такова ступень с дифференциальным выходом. Чтобы не жертвовать коэффициентом усиления, можно использовать преобразователь дифференциального сигнала в несимметричный, который часто реализуется в виде токового зеркала ( рисунок 3 ниже ).

Несимметричный вход

Дифференциальная пара может использоваться как усилитель с несимметричным входом, если один из входов заземлен или фиксирован на опорном напряжении (обычно другой коллектор используется как несимметричный выход). каскадные каскады с общим коллектором и с общей базой или в виде буферизованной ступени с общей базой.

В усилителе с эмиттерной связью компенсируются температурные дрейфы, V _BE отменяется, а также предотвращаются эффект Миллера и насыщение транзистора. Вот почему он используется для формирования усилителей с эмиттерной связью (избегая эффекта Миллера), схем фазоделителя (получения двух обратных напряжений), вентилей и переключателей ECL (избегая насыщения транзисторов) и т. Д.

Операция

Чтобы объяснить работу 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 смещены со стороны базы (и поэтому они сильно зависят от β), дифференциальная пара напрямую смещается со стороны эмиттеров, уменьшая / подавая полный ток покоя. Последовательная отрицательная обратная связь (вырождение эмиттера) заставляет транзисторы действовать как стабилизаторы напряжения; он вынуждает их регулировать свои напряжения V _BE (базовые токи), чтобы пропускать ток покоя через их переходы коллектор-эмиттер. 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 (эмиттер) взаимодействуют друг с другом, работая вместе на общей высокоомной эмиттерной нагрузке («длинный хвост»). Все они 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

Обычный. 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 что она остается неподвижной) и наоборот. Итак, общая точка не меняет своего напряжения; он ведет себя как виртуальная земля, величина которой определяется входными синфазными напряжениями. Эмиттерный элемент с высоким сопротивлением не играет никакой роли - он шунтируется другим эмиттерным повторителем с низким сопротивлением. Отрицательной обратной связи нет, так как 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; Таким образом, хотя это каскады с общим коллектором , они фактически действуют как каскады с общим эмиттером 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.

С перегрузкой. Если входное дифференциальное напряжение значительно изменяется (более чем примерно на сто милливольт), транзистор, управляемый более низким входным напряжением, отключается, и его коллекторное напряжение достигает положительной шины питания. При высокой перегрузке соединение база-эмиттер меняется на противоположное. 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 выключателях и вентилях ECL .

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

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

Улучшения дифференциального усилителя

Источник постоянного тока эмиттер

Рисунок 3: Улучшенная пара с длинным хвостом с нагрузкой токового зеркала и постоянным смещением

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 , тем меньше (лучше) синфазное усиление . Необходимый постоянный ток можно получить, подключив элемент (резистор) 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 источнику / поглотителю постоянного тока, заменяется на «длинный хвост» (рис. 3). Обычно он реализуется с помощью токового зеркала из-за его высокого податливого напряжения (небольшого падения напряжения на выходном транзисторе). ${\ displaystyle R _ {\ text {e}}}$${\ displaystyle A _ {\ text {c}}}$

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 тока входного коллектора слева направо, где величины двух входных сигналов складываются. Для этого вход токового зеркала соединен с левым выходом, а выход токового зеркала соединен с правым выходом 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 (положительный и отрицательный изменения тока). В этом случае (дифференциальный входной сигнал) они равны и противоположны. Таким образом, разница в два раза превышает токи отдельных сигналов (Δ I  - (−Δ I ) = 2Δ I ), 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.

Выходное сопротивление дифференциальной пары велико (особенно для улучшенной дифференциальной пары с токовым зеркалом, как показано на рисунке 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

Операционный усилитель , или операционный усилитель, является дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления дифференциального режима, с очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе может быть построен с предсказуемым и стабильным коэффициентом усиления путем применения отрицательной обратной связи (рисунок 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, которые используют последовательную отрицательную обратную связь (повторитель операционного усилителя, неинвертирующий усилитель и т. Д.), Где один вход используется для входного сигнала, а другой - для сигнала обратной связи (обычно реализуется операционными усилителями ). . Для сравнения: устаревшие инвертирующие несимметричные операционные усилители начала 1940-х годов могли реализовать только параллельную отрицательную обратную связь путем подключения дополнительных цепей резисторов (инвертирующий усилитель на операционных усилителях является наиболее популярным примером). Обычно применяется для управления двигателями или сервоприводами , а также для усиления сигналов. В дискретной электронике обычным устройством для реализации дифференциального усилителя является пара с длинным хвостом , которая также обычно используется в качестве дифференциального элемента в большинстве интегральных схем операционных усилителей . Пара с длинным хвостом может использоваться в качестве аналогового умножителя с дифференциальным напряжением в качестве одного входа и током смещения в качестве другого.

Дифференциальный усилитель используется в качестве логических вентилей с эмиттерной связью входного каскада и в качестве переключателя. При использовании в качестве переключателя «левая» база / сетка используется как вход сигнала, а «правая» база / сетка заземляется; выход 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 и при использовании усилителя, описанного 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; I ⁺ _b и I ^- _b представляют входной ток смещения на клеммах V ⁺ и V ^- соответственно.

Эквивалентно Thevenin для сети , управляющей V ⁺ терминал имеет напряжение V ⁺ «и полное сопротивление R ⁺ »:

${\ displaystyle {V ^ {+}} '= V _ {\ text {in}} ^ {+} R _ {\ parallel} ^ {+} / R _ {\ text {i}} ^ {+} - I _ {\ текст {b}} ^ {+} R _ {\ parallel} ^ {+}; \ quad {R ^ {+}} '= R _ {\ parallel} ^ {+} = R _ {\ text {i}} ^ { +} \ parallel R _ {\ text {f}} ^ {+},}$

в то время как для сети, управляющей V ^- терминалом:

${\ displaystyle {V ^ {-}} '= V _ {\ text {in}} ^ {-} R _ {\ parallel} ^ {-} / R _ {\ text {i}} ^ {-} + V _ {\ текст {out}} R _ {\ parallel} ^ {-} / R _ {\ text {f}} ^ {-} - I _ {\ text {b}} ^ {-} R _ {\ parallel} ^ {-}; \ quad {R ^ {-}} '= R _ {\ parallel} ^ {-} = R _ {\ text {i}} ^ {-} \ parallel R _ {\ text {f}} ^ {-}.}$

Выход операционного усилителя - это просто коэффициент усиления A _ol без обратной связи, умноженный на дифференциальный входной ток i, умноженный на дифференциальный входной импеданс 2 R _d , поэтому

${\ displaystyle V _ {\ text {out}} = A _ {\ text {ol}} \ cdot 2R _ {\ text {d}} {\ frac {{V ^ {+}} '- {V ^ {-}} '} {2R _ {\ parallel} + 2R _ {\ text {d}}}} = ({V ^ {+}}' - {V ^ {-}} ') A _ {\ text {ol}} R _ {\ parallel} / (R _ {\ parallel} \ parallel R _ {\ text {d}}),}$

где R _|| - среднее значение R ⁺ _|| и R ^- _|| .

Эти уравнения сильно упрощаются, если

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

что приводит к соотношению

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

что означает, что усиление замкнутого контура для дифференциального сигнала равно V ⁺ _in  -  V ^- _in , но синфазное усиление равно нулю.

Это также означает, что синфазный входной ток смещения исчез, оставив только входной ток смещения I ^Δ _b = I ⁺ _b  -  I ^- _b с коэффициентом R _i . Это как если бы входной ток смещения эквивалентен входному напряжению смещения, действующему на входное сопротивление R _i , которое является сопротивлением источника цепи обратной связи на входных клеммах.

Наконец, пока коэффициент усиления по напряжению A _ol в разомкнутом контуре намного больше единицы, коэффициент усиления по напряжению в замкнутом контуре составляет R _f / R _i , значение, которое можно было бы получить с помощью эмпирического анализа, известного как «виртуальная земля». ".

Сноски

Смотрите также

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

использованная литература

внешние ссылки

• Дифференциальный усилитель BJT - схема и объяснение
• Испытательный стенд для дифференциальных схем
• Замечания по применению: Analog Devices - AN-0990: Оконечная нагрузка дифференциального усилителя в приложениях с несимметричным входом