Diferansiyel yükseltici - Differential amplifier

İşlemsel yükselteç sembolü. Evirici ve evirici olmayan girişler, amplifikatör üçgenine yerleştirilen "-" ve "+" ile ayırt edilir. V s+ ve V s− güç kaynağı voltajlarıdır; basitlik için genellikle şemadan çıkarılırlar, ancak gerçek devrede bulunmaları gerekir.

Bir diferansiyel yükselteç türüdür elektronik amplifikatör iki giriş arasındaki farkı yükselten gerilimler ancak iki girişe herhangi bir gerilim Common bastırır. Bu, çıkışın iki voltaj arasındaki farkla ideal olarak orantılı olduğu, iki girişli ve bir çıkışlı bir analog devredir :

burada bir kazanç amplifikatörünün.

Tek amplifikatörler genellikle ya uygun geri besleme dirençlerini standart bir op-amp'e ekleyerek ya da dahili geri besleme dirençleri içeren özel bir entegre devre ile uygulanır . Aynı zamanda analog sinyalleri işleyen daha büyük entegre devrelerin ortak bir alt bileşenidir.

teori

İdeal bir diferansiyel yükselticinin çıkışı şu şekilde verilir:

nerede ve giriş voltajlarıdır ve diferansiyel kazançtır.

Ancak pratikte kazanç iki girdi için tam olarak eşit değildir. Bu, örneğin, ve eşitse, ideal durumda olacağı gibi çıktının sıfır olmayacağı anlamına gelir . Bir diferansiyel yükselticinin çıkışı için daha gerçekçi bir ifade bu nedenle ikinci bir terimi içerir:

burada amplifikatörün ortak mod kazancı denir.

Diferansiyel yükselteçler genellikle her iki girişte görünen gürültü veya ön gerilimleri sıfırlamak için kullanıldığından, genellikle düşük bir ortak mod kazancı istenir.

Ortak-bastırma oranı genellikle diferansiyel mod kazanç ve ortak mod kazancı arasındaki oran olarak tanımlanır (CMRR), doğru bir şekilde her iki girişe ortak olan gerilimleri iptal etmek için amplifikatörün yeteneğini gösterir. Ortak mod reddetme oranı şu şekilde tanımlanır:

Mükemmel simetrik bir diferansiyel amplifikatörde sıfırdır ve CMRR sonsuzdur. Diferansiyel amplifikatörün, tek girişli bir amplifikatörden daha genel bir amplifikatör biçimi olduğuna dikkat edin; diferansiyel amplifikatörün bir girişini topraklayarak, tek uçlu bir amplifikatör ortaya çıkar.

Uzun kuyruklu çift

Tarihsel arka plan

Modern diferansiyel yükselteçler genellikle "uzun kuyruklu" çift veya diferansiyel çift olarak adlandırılan temel bir iki transistör devresi ile uygulanır . Bu devre başlangıçta bir çift vakum tüpü kullanılarak uygulandı . Devre, akım kazancı olan tüm üç terminalli cihazlar için aynı şekilde çalışır. “Uzun kuyruk” direnç devresinin önyargı noktaları, büyük ölçüde Ohm yasası tarafından belirlenir ve daha az aktif bileşen özellikleri tarafından belirlenir .

Uzun kuyruklu çift, daha önceki itme-çekme devre teknikleri ve ölçüm köprüleri bilgisinden geliştirilmiştir. Uzun kuyruklu bir çifte çok benzeyen erken bir devre, 1934'te İngiliz nörolog Bryan Matthews tarafından yayınlandı ve bunun gerçek bir uzun kuyruklu çift olması amaçlanmış, ancak bir çizim hatasıyla yayınlanmış olması muhtemel görünüyor. En eski kesin uzun kuyruklu çift devresi 1936'da Alan Blumlein tarafından sunulan bir patentte görülmektedir. 1930'ların sonunda topoloji iyice kurulmuştu ve Frank Offner (1937), Otto Schmitt (1937) dahil olmak üzere çeşitli yazarlar tarafından tarif edilmişti. ve Jan Friedrich Toennies (1938) ve özellikle fizyolojik uyarıların tespiti ve ölçümü için kullanıldı.

Uzun kuyruklu çifti çok başarılı bir şekilde erken İngiliz bilgisayar en önemlisi kullanıldı Pilot ACE modeli ve kökenini Maurice Wilkes'ın EDSAC muhtemelen ve Blumlein veya onun yaşıtları ile çalışmış insanlar tarafından tasarlanan diğerleri. Uzun kuyruklu çift, anahtar olarak kullanıldığında birçok olumlu özelliğe sahiptir: tüp (transistör) varyasyonlarına büyük ölçüde bağışık (makineler 1.000 veya daha fazla tüp içerdiğinde büyük önem taşır), yüksek kazanç, kazanç kararlılığı, yüksek giriş empedansı, orta/düşük çıkış empedans, iyi kesme makinesi (çok uzun olmayan bir kuyruk ile), evirici olmayan ( EDSAC invertör içermiyordu! ) ve büyük çıkış voltajı dalgalanmaları. Bir dezavantaj, çıkış voltajı salınımının (tipik olarak ±10–20 V) yüksek bir DC voltajına (200 V ya da öylesine) empoze edilmesidir; bu, genellikle bir tür geniş bantlı DC kuplaj olan sinyal kuplajında ​​dikkat gerektirir. Bu zamanın birçok bilgisayarı, onları çok büyük ve aşırı karmaşık ( ENIAC : 20 basamaklı bir hesap makinesi için 18.000 tüp) veya güvenilmez yapan yalnızca AC bağlantılı darbe mantığı kullanarak bu sorunu önlemeye çalıştı . DC-bağlı devre, ilk nesil vakum tüplü bilgisayarlardan sonra norm haline geldi.

Yapılandırmalar

Bir diferansiyel (uzun kuyruklu, emitör-bağlı) çift yükseltici, ortak ( yayıcı , kaynak veya katot ) dejenerasyonu olan iki yükseltici aşamadan oluşur .

Diferansiyel çıkış

Şekil 2: Klasik bir uzun kuyruklu çift

İki giriş ve iki çıkış ile bu, bir diferansiyel amplifikatör aşaması oluşturur (Şekil 2). İki baz (veya ızgaralar veya kapılar), transistör çifti tarafından diferansiyel olarak yükseltilen (çıkarılan ve çoğaltılan) girdilerdir; bir diferansiyel (dengeli) giriş sinyali ile beslenebilirler veya bir giriş, bir faz ayırıcı devre oluşturmak için topraklanabilir . Diferansiyel çıkışlı bir amplifikatör, değişken bir yükü veya diferansiyel girişli başka bir aşamayı çalıştırabilir.

Tek uçlu çıktı

Diferansiyel çıkış istenmiyorsa, diğer çıkış dikkate alınmadan sadece bir çıkış kullanılabilir (kolektörlerden (veya anotlardan veya drenlerden sadece birinden alınır) bu konfigürasyona tek uçlu çıkış denir.Kazanç yarı yarıyadır. diferansiyel çıkışlı aşamanınkidir.Kazançtan taviz vermekten kaçınmak için, bir diferansiyelden tek uçlu dönüştürücüye kullanılabilir.Bu genellikle bir akım aynası olarak uygulanır ( Şekil 3, aşağıda ).

Tek uçlu giriş

Diferansiyel çift, girişlerden biri topraklanmışsa veya bir referans voltajına sabitlenmişse (genellikle diğer kollektör tek uçlu çıkış olarak kullanılır) tek uçlu girişli bir amplifikatör olarak kullanılabilir. basamaklı ortak toplayıcı ve ortak taban aşamaları veya arabelleğe alınmış bir ortak taban aşaması olarak.

Yayıcıya bağlı amplifikatör, sıcaklık sapmaları için dengelenir, V BE iptal edilir ve Miller etkisi ve transistör doygunluğu önlenir. Bu nedenle emitör-bağlı yükselteçler (Miller etkisinden kaçınarak), faz ayırıcı devreler (iki ters voltaj elde eden), ECL geçitleri ve anahtarları (transistör doygunluğunu önleyen) vb. oluşturmak için kullanılır.

Operasyon

Devre çalışmasını açıklamak için, pratikte bazıları aynı anda hareket etse ve etkileri üst üste gelse de, aşağıda dört özel mod izole edilmiştir.

önyargı

Taban tarafından polarlanan (ve dolayısıyla yüksek oranda β-bağımlı olan) klasik amplifikasyon aşamalarının aksine , diferansiyel çift, toplam hareketsiz akımı batırarak/enjekte ederek doğrudan emitörlerin yanından polarlanır. Seri negatif geri besleme (yayıcı dejenerasyonu), transistörlerin voltaj stabilizatörleri olarak hareket etmesini sağlar; kendi V ayarlamak için zorlar BE kendi kollektör-yayıcı bağlantı noktalarından geçen hareketsiz akımı geçirmek için gerilimleri (baz akımlar). Bu nedenle, negatif geri besleme nedeniyle, hareketsiz akım, transistörün β'sına çok az bağlıdır.

Durgun kollektör akımlarını uyandırmak için gerekli olan polarlama baz akımları genellikle topraktan gelir, giriş kaynaklarından geçer ve bazlara girer. Bu nedenle, kutuplama akımının yollarını sağlamak için kaynaklar galvanik (DC) olmalı ve bunlar arasında önemli voltaj düşüşleri oluşturmayacak kadar düşük dirençli olmalıdır. Aksi takdirde, tabanlar ve toprak (veya pozitif güç kaynağı) arasına ek DC elemanları bağlanmalıdır.

Ortak mod

Ortak modda (iki giriş voltajı aynı yönde değişir), iki voltaj (yayıcı) takipçisi, ortak yüksek dirençli emitör yükü ("uzun kuyruk") üzerinde birlikte çalışarak birbirleriyle işbirliği yapar. Hepsi birlikte ortak emitör noktasının voltajını arttırır veya azaltır (mecazi olarak, hareket etmesi için birlikte "yukarı çekerler" veya "aşağı çekerler"). Ek olarak, dinamik yük, anlık omik direncini giriş voltajlarıyla aynı yönde değiştirerek (voltaj arttığında artar ve tersi) onlara "yardımcı olur" ve böylece iki besleme rayı arasında sabit toplam direnci korur. Tam (%100) olumsuz bir geri bildirim var; kollektör akımları ve toplam akım değişmezken iki giriş taban voltajı ve emiter voltajı aynı anda değişir. Sonuç olarak, çıkış kollektör voltajları da değişmez.

diferansiyel modu

Normal. Diferansiyel modda (iki giriş voltajı zıt yönlerde değişir), iki voltaj (yayıcı) takipçisi birbirine karşı çıkar - biri ortak emitör noktasının voltajını artırmaya çalışırken, diğeri onu düşürmeye çalışır (mecazi olarak konuşursak, biri ortak noktayı "yukarı çeker", diğeri ise hareketsiz kalması için "aşağı çeker" ve tam tersi. Yani ortak nokta voltajını değiştirmez; ortak mod giriş voltajları tarafından belirlenen bir büyüklüğe sahip sanal bir zemin gibi davranır . Yüksek dirençli emitör elemanı herhangi bir rol oynamaz; diğer düşük dirençli emitör takipçisi tarafından kapatılır. Giriş taban voltajları değiştiğinde emiter voltajı hiç değişmediği için negatif geri besleme yoktur. Ortak hareketsiz akım, iki transistör arasında kuvvetli bir şekilde yönlendirilir ve çıkış kollektör voltajları kuvvetli bir şekilde değişir. İki transistör, emitörlerini karşılıklı olarak topraklar; bu nedenle, ortak kollektör aşamaları olmalarına rağmen , aslında maksimum kazanç ile ortak yayıcı aşamalar olarak hareket ederler . Önyargı kararlılığı ve cihaz parametrelerindeki değişikliklerden bağımsızlık, nispeten küçük dirençli katot/yayıcı dirençleri aracılığıyla sağlanan negatif geri besleme ile geliştirilebilir.

Aşırı hızlandı. Giriş diferansiyel voltajı önemli ölçüde değişirse (yaklaşık yüz milivolttan fazla), daha düşük giriş voltajı tarafından sürülen transistör kapanır ve kollektör voltajı pozitif besleme rayına ulaşır. Yüksek aşırı hızda, taban-yayıcı bağlantısı tersine çevrilir. Diğer transistör (daha yüksek giriş voltajı tarafından çalıştırılır) tüm akımı sürer. Kolektördeki direnç nispeten büyükse, transistör doygun hale gelir. Göreceli olarak küçük kollektör direnci ve orta düzeyde aşırı hız ile emitör, giriş sinyalini doygunluk olmadan takip edebilir. Bu mod, diferansiyel anahtarlarda ve ECL kapılarında kullanılır.

Bozulmak. Giriş voltajı artmaya devam ederse ve baz-yayıcı arıza voltajını aşarsa , daha düşük giriş voltajı tarafından sürülen transistörün taban-yayıcı bağlantısı bozulur. Giriş kaynakları düşük dirençli ise, iki giriş kaynağı arasındaki "diyot köprüsü" üzerinden doğrudan sınırsız bir akım akacak ve bunlara zarar verecektir.

Ortak modda, emitör voltajı giriş voltajı varyasyonlarını takip eder; tam bir olumsuz geribildirim vardır ve kazanç minimumdur. Diferansiyel modda, emitör voltajı sabittir (anlık ortak giriş voltajına eşittir); olumsuz bir geri besleme yoktur ve kazanç maksimumdur.

Diferansiyel amplifikatör iyileştirmeleri

Verici sabit akım kaynağı

Şekil 3: Akım aynası yükü ve sabit akım önyargısı ile geliştirilmiş uzun kuyruklu bir çift

Ortak modda sabit kollektör voltajlarını sağlamak için hareketsiz akımın sabit olması gerekir. İki kollektör voltajı aynı anda değişeceğinden, ancak farkları (çıkış voltajı) değişmeyeceğinden, bir diferansiyel çıkış durumunda bu gereklilik çok önemli değildir. Ancak tek uçlu bir çıkış durumunda, çıkış kollektör voltajı değişeceğinden akımı sabit tutmak son derece önemlidir. Böylece akım kaynağının direnci ne kadar yüksek olursa , ortak mod kazancı o kadar düşük (daha iyi) olur . İhtiyaç duyulan sabit akım, paylaşılan emitör düğümü ile besleme rayı (NPN için negatif ve PNP transistörler için pozitif) arasında çok yüksek dirençli bir eleman (direnç) bağlanarak üretilebilir, ancak bu yüksek besleme voltajı gerektirecektir. Bu nedenle, daha sofistike tasarımlarda, “uzun kuyruk” yerine sabit bir akım kaynağına/yuvasına yaklaşan yüksek diferansiyel (dinamik) dirençli bir eleman kullanılır (Şekil 3). Yüksek uyumluluk voltajı (çıkış transistörü boyunca küçük voltaj düşüşü) nedeniyle genellikle bir akım aynası tarafından uygulanır .

Toplayıcı akım aynası

Kollektör dirençleri, çıkış kısmı aktif yük olarak hareket eden bir akım aynası ile değiştirilebilir (Şekil 3). Böylece, diferansiyel toplayıcı akım sinyali, içsel %50 kayıplar olmadan tek uçlu bir voltaj sinyaline dönüştürülür ve kazanç büyük ölçüde artar. Bu, giriş toplayıcı akımının soldan sağa, iki giriş sinyalinin büyüklüklerinin eklendiği yere kopyalanmasıyla elde edilir. Bunun için akım aynasının girişi sol çıkışa, akım aynasının çıkışı ise diferansiyel yükselticinin sağ çıkışına bağlanır.

Şekil 4: İletim özelliği

Akım aynası, sol kollektör akımını kopyalar ve doğru kolektör akımını üreten sağ transistörden geçirir. Diferansiyel yükselticinin bu sağ çıkışında, iki sinyal akımı (konum ve negatif akım değişiklikleri) çıkarılır. Bu durumda (diferansiyel giriş sinyali) eşit ve zıttırlar. Bu durumda, fark iki ayrı sinyal akımları olan (Δ I  - (-Δ I ) = 2Δ I ) ve tek uçlu dönüştürme diferansiyel kazanım kayıpları tamamlanır. Şekil 4, bu devrenin iletim özelliğini göstermektedir.

Arayüzle ilgili hususlar

Kayan giriş kaynağı

İki baz arasına yüzer bir kaynak bağlamak mümkündür, ancak polarlama baz akımları için yolların sağlanması gereklidir. Galvanik kaynak durumunda, tabanlardan biri ile toprak arasına sadece bir direnç bağlanmalıdır. Önyargı akımı doğrudan bu tabana ve dolaylı olarak (giriş kaynağı aracılığıyla) diğerine girecektir. Kaynak kapasitif ise, taban akımları için farklı yollar sağlamak için iki taban ve toprak arasına iki direnç bağlanmalıdır.

Giriş/çıkış empedansı

Diferansiyel çiftin giriş empedansı büyük ölçüde giriş moduna bağlıdır. Ortak modda, iki parça, yüksek emitör yükleri ile ortak kollektör aşamaları gibi davranır; bu nedenle, giriş empedansları son derece yüksektir. Diferansiyel modda, topraklanmış emitörler ile ortak emitör aşamaları gibi davranırlar; yani giriş empedansları düşüktür.

Diferansiyel çiftin çıkış empedansı yüksektir (özellikle Şekil 3'te gösterildiği gibi bir akım aynalı geliştirilmiş diferansiyel çift için ).

Giriş/çıkış aralığı

Ortak mod giriş voltajı, iki besleme rayı arasında değişebilir, ancak bazı voltaj düşüşlerinin (minimum 1 volt) iki akım aynasının çıkış transistörleri boyunca kalması gerektiğinden, bunlara yakından ulaşamaz.

Diferansiyel yükselteç olarak işlemsel yükselteç

Şekil 5: Op-amp diferansiyel amplifikatör

İşlemsel bir amplifikatör veya op-amp, çok yüksek diferansiyel mod kazancı, çok yüksek giriş empedansı ve düşük çıkış empedansı olan bir diferansiyel amplifikatördür. Bir op-amp diferansiyel yükselteci, negatif geri besleme uygulanarak öngörülebilir ve kararlı kazanç ile oluşturulabilir (Şekil 5). Bazı diferansiyel yükselteç türleri genellikle birkaç basit diferansiyel yükselteç içerir. Örneğin, bir tam diferansiyel amplifikatör , bir enstrümantasyon amplifikatörü veya bir izolasyon amplifikatörü genellikle birkaç op-amp'in bir kombinasyonundan oluşturulur.

Uygulamalar

Diferansiyel yükselteçler, bir girişin giriş sinyali için, diğerinin geri besleme sinyali için kullanıldığı (genellikle işlemsel yükselteçler tarafından uygulanır ) seri negatif geri besleme (op-amp takipçisi, ters çevirmeyen yükseltici vb.) kullanan birçok devrede bulunur. . Karşılaştırma için, 1940'ların başlarındaki eski moda ters çeviren tek uçlu op-amp'ler, ek direnç ağları bağlayarak yalnızca paralel negatif geri besleme gerçekleştirebilir (en popüler örnek bir op-amp ters çevirici amplifikatördür). Yaygın bir uygulama, motorların veya servoların kontrolü ve ayrıca sinyal amplifikasyon uygulamaları içindir. Ayrık elektronikte , bir diferansiyel yükselteç uygulamak için ortak bir düzenleme , çoğu op-amp entegre devresinde genellikle diferansiyel eleman olarak bulunan uzun kuyruklu çifttir . Uzun kuyruklu bir çift, bir giriş olarak diferansiyel voltaj ve diğeri olarak polarlama akımı ile bir analog çarpan olarak kullanılabilir.

Giriş aşaması emitör bağlantılı mantık kapıları ve anahtar olarak bir diferansiyel yükselteç kullanılır . Anahtar olarak kullanıldığında, "sol" taban/ızgara sinyal girişi olarak kullanılır ve "sağ" taban/ızgara topraklanır; çıkış sağ kollektörden/plakadan alınır. Giriş sıfır veya negatif olduğunda, çıkış sıfıra yakındır (ancak doygun olamaz); giriş pozitif olduğunda, çıkış en pozitiftir, dinamik işlem yukarıda açıklanan amplifikatör kullanımıyla aynıdır.

Simetrik geri besleme ağı, ortak mod kazancını ve ortak mod önyargısını ortadan kaldırır

Şekil 6: İdeal olmayan op-amp'li diferansiyel yükselteç: giriş öngerilim akımı ve diferansiyel giriş empedansı

İşlemsel yükselticinin (ideal olmayan) giriş öngerilim akımı veya diferansiyel giriş empedansının önemli bir etki olması durumunda, ortak mod giriş sinyali ve öngerilim etkisini iyileştiren bir geri besleme ağı seçilebilir. Şekil 6'da, akım üreteçleri her bir terminaldeki giriş öngerilim akımını modeller; I + b ve I b , sırasıyla V + ve V terminallerindeki giriş öngerilim akımını temsil eder .

Thévenin eşdeğer tahrik ağ için V + terminali bir voltaj alır V + 've empedans R + ':

V terminalini çalıştıran ağ için :

Op-amp'nin çıkışı sadece açık çevrim kazancıdır A ol çarpı diferansiyel giriş akımı i çarpı diferansiyel giriş empedansı 2 R d , bu nedenle

nerede R || ortalamasıdır R + || ve R - || .

Bu denklemler, eğer büyük bir basitleştirmeye tabi tutulursa

ilişki ile sonuçlanan

bu, diferansiyel sinyal için kapalı döngü kazancının V + in  -  V - in olduğu , ancak ortak mod kazancının aynı şekilde sıfır olduğu anlamına gelir.

Ayrıca, ortak mod giriş öngerilim akımının iptal edildiğini ve yalnızca giriş ofset akımını I Δ b = I + b  −  I b hala mevcut ve bir R i katsayısı ile bıraktığını gösterir . Giriş ofset akımı, bir giriş direnci boyunca bir giriş ofset voltajıdır hareket eşdeğerdir sanki R i , giriş terminallerine geri besleme ağının kaynak direncidir.

Son olarak, açık döngü voltaj kazancı A ol birden fazla olduğu sürece , kapalı döngü voltaj kazancı R f / R i'dir , "sanal topraklama" olarak bilinen temel analiz yoluyla elde edilecek değer ".

Dipnotlar

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar