Differentialförstärkare

Operationsförstärkarsymbol. De inverterande och icke-inverterande ingångarna särskiljs av "−" och "+" placerade i förstärkartriangeln. V _s+ och V _s− är strömförsörjningsspänningarna; de utelämnas ofta från diagrammet för enkelhets skull men måste finnas i själva kretsen.

En differentialförstärkare är en typ av elektronisk förstärkare som förstärker skillnaden mellan två ingångsspänningar men undertrycker all spänning som är gemensam för de två ingångarna. Det är en analog krets med två ingångar $V_{\text{in}}^{-}$ och $V_{\text{in}}^{+}$ och en utgång ${\displaystyle V_{\text{out}}} ,$ där utsignalen är idealiskt proportionell mot skillnaden mellan de två spänningarna:

$V_{\text{out}}=A(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^ {-}),$

där $A$ är förstärkarens förstärkning .

Enstaka förstärkare implementeras vanligtvis genom att antingen lägga till lämpliga återkopplingsmotstånd till en standard op-amp , eller med en dedikerad integrerad krets som innehåller interna återkopplingsmotstånd. Det är också en vanlig delkomponent i större integrerade kretsar som hanterar analoga signaler.

Teori

Utsignalen från en ideal differentialförstärkare ges av

$V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\text{in}}^{+}-V_ {\text{i}}^{-}),$

där $V_{\text{in}}^{+}$ och $V_{\text{in}}^{-}$ är ingångsspänningarna, och ${\ displaystyle A_{\text{d}}}$ är differentialförstärkningen.

I praktiken är dock förstärkningen inte riktigt lika för de två ingångarna. Detta betyder till exempel att om $V_{\text{in}}^{+}$ och $V_{\text{in}}^{-}$ är lika, utgången blir inte noll, som den skulle vara i det ideala fallet. Ett mer realistiskt uttryck för utsignalen från en differentialförstärkare inkluderar således en andra term:

$V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\ text{i}}^{+}-V_{\text{i}}^{-})+A_{\text{c}}{\frac {V_{\text{i}}^{+}+V_ {\text{i}}^{-}}{2}},$

där $A_{\text{c}}$ kallas för förstärkarens common-mode-förstärkning.

Eftersom differentialförstärkare ofta används för att nollställa brus eller förspänningar som uppträder vid båda ingångarna, är vanligtvis en låg common-mode-förstärkning önskvärd.

Common -mode rejection ratio (CMRR), vanligtvis definierad som förhållandet mellan differential-mode gain och common-mode gain, indikerar förmågan hos förstärkaren att exakt avbryta spänningar som är gemensamma för båda ingångarna. Common-mode avvisningsförhållandet definieras som

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

I en perfekt symmetrisk differentialförstärkare är $A_{\text{c}}$ och CMRR är oändlig. Observera att en differentialförstärkare är en mer allmän form av förstärkare än en med en enda ingång; genom att jorda en ingång på en differentialförstärkare, uppstår en enkeländad förstärkare.

Långsvansad par

Historisk bakgrund

Moderna differentialförstärkare är vanligtvis implementerade med en grundläggande tvåtransistorkrets som kallas ett "long-tailed" par eller differentialpar . Denna krets implementerades ursprungligen med ett par vakuumrör . Kretsen fungerar på samma sätt för alla tre-terminala enheter med strömförstärkning. Förspänningspunkterna för "long-tail"-motståndskretsar bestäms till stor del av Ohms lag och mindre så av aktiva komponenters egenskaper.

Det långstjärtade paret har utvecklats från tidigare kunskap om push-pull-kretstekniker och mätbryggor. En tidig krets som mycket liknar ett långsvanspar publicerades av den brittiske neurologen Bryan Matthews 1934, och det verkar troligt att detta var tänkt att vara ett riktigt långstjärtat par men publicerades med ett ritningsfel. Den tidigaste bestämda långsvansade parkretsen förekommer i ett patent som lämnades in av Alan Blumlein 1936. I slutet av 1930-talet var topologin väletablerad och hade beskrivits av olika författare, inklusive Frank Offner (1937), Otto Schmitt (1937) och Jan Friedrich Toennies (1938), och den användes särskilt för detektion och mätning av fysiologiska impulser.

Det långsvansade paret användes mycket framgångsrikt i tidig brittisk datoranvändning, framför allt Pilot ACE -modellen och ättlingar, Maurice Wilkes EDSAC , och förmodligen andra designade av människor som arbetade med Blumlein eller hans kamrater. Det långstjärtade paret har många fördelaktiga egenskaper om de används som en switch: till stor del immun mot rör (transistor) variationer (av stor betydelse när maskiner innehöll 1 000 rör eller fler), hög förstärkning, förstärkningsstabilitet, hög ingångsimpedans, medium/låg utgång impedans, bra klippare (med en inte alltför lång svans), icke-inverterande ( EDSAC innehöll inga växelriktare! ) och stora utspänningssvängningar. En nackdel är att utgångsspänningssvängningen (typiskt ±10–20 V) påfördes en hög likspänning (200 V eller så), vilket kräver försiktighet vid signalkoppling, vanligtvis någon form av bredbandslikströmskoppling. Många datorer från denna tid försökte undvika detta problem genom att endast använda AC-kopplad pulslogik, vilket gjorde dem mycket stora och alltför komplexa ( ENIAC : 18 000 rör för en 20-siffrig kalkylator) eller opålitliga. DC-kopplade kretsar blev normen efter den första generationen av vakuumrörsdatorer.

Konfigurationer

En differentiell (långsidig, emitterkopplad) parförstärkare består av två förstärkningssteg med gemensam ( sändare , källa eller katod ) degeneration.

Differentialutgång

Figur 2: Ett klassiskt långsvanspar

Med två ingångar och två utgångar bildar detta ett differentialförstärkarsteg (Figur 2). De två baserna (eller rutnäten eller grindarna) är ingångar som differentiellt förstärks (subtraheras och multipliceras) av transistorparet; de kan matas med en differentiell (balanserad) ingångssignal, eller en ingång kan jordas för att bilda en fasdelarkrets . En förstärkare med differentialutgång kan driva en flytande last eller ett annat steg med differentialingång.

Ensidig utgång

Om den differentiella utgången inte är önskvärd, kan endast en utgång användas (tagen från bara en av kollektorerna (eller anoder eller avlopp), om man bortser från den andra utgången; denna konfiguration kallas ensidig utgång. Förstärkningen är hälften den för steget med differentialutgång. För att undvika att offra förstärkning kan en differential- till enkeländad omvandlare användas. Denna implementeras ofta som en strömspegel ( Figur 3 nedan ).

Ensidig ingång

Differentialparet kan användas som en förstärkare med en ensidig ingång om en av ingångarna är jordad eller fixerad till en referensspänning (vanligtvis används den andra kollektorn som en ensidig utgång) Detta arrangemang kan tänkas som kaskadkopplade common-collector- och common-bas-steg eller som ett buffrat common-bas-steg.

Den emitterkopplade förstärkaren kompenseras för temperaturdrift, VBE _avbryts och Miller-effekten och transistormättnad undviks. Det är därför det används för att bilda emitterkopplade förstärkare (undviker Miller-effekten), fasdelarkretsar (som erhåller två inversa spänningar), ECL-grindar och omkopplare (undviker transistormättnad), etc.

Drift

För att förklara kretsdriften är fyra speciella moder isolerade nedan även om i praktiken några av dem verkar samtidigt och deras effekter överlagras.

Biasing

I motsats till klassiska förstärkningssteg som är förspända från sidan av basen (och därför är de mycket β-beroende), är differentialparet direkt förspänt från sidan av sändarna genom att sänka/injicera den totala viloströmmen. Seriens negativa återkoppling (emitterdegenerationen) gör att transistorerna fungerar som spänningsstabilisatorer; det tvingar dem att justera sina VBE _- spänningar (basströmmar) för att passera viloströmmen genom deras kollektor-emitterövergångar. Så, på grund av den negativa återkopplingen, beror viloströmmen endast något på transistorns β.

De förspänningsbasströmmar som behövs för att framkalla de vilande kollektorströmmarna kommer vanligtvis från marken, passerar genom ingångskällorna och går in i baserna. Så källorna måste vara galvaniska (DC) för att säkerställa banor för förspänningsströmmen och tillräckligt låga resistiva för att inte skapa betydande spänningsfall över dem. I annat fall bör ytterligare DC-element anslutas mellan baserna och marken (eller den positiva strömförsörjningen).

Vanligt läge

I gemensamt läge (de två ingångsspänningarna ändras i samma riktningar) samarbetar de två spännings(sändar)följarna med varandra och arbetar tillsammans på den gemensamma högresistiva sändarbelastningen ("den långa svansen"). Alla tillsammans ökar eller minskar spänningen för den gemensamma emitterpunkten (bildligt talat, de tillsammans "drar upp" eller "drar ner" den så att den rör sig). Dessutom "hjälper" den dynamiska belastningen dem genom att ändra dess omedelbara ohmska resistans i samma riktning som ingångsspänningarna (den ökar när spänningen ökar och vice versa.) och håller därmed uppe konstant totalresistans mellan de två matningsskenorna. Det finns en fullständig (100 %) negativ feedback; de två ingångsbasspänningarna och emitterspänningen ändras samtidigt medan kollektorströmmarna och den totala strömmen inte ändras. Som ett resultat ändras inte utgående kollektorspänningar lika bra.

Differentialläge

Vanligt. I differentialläge (de två inspänningarna ändras i motsatta riktningar) står de två spännings(sändar)följarna mot varandra - medan en av dem försöker öka spänningen för den gemensamma emitterpunkten, försöker den andra att minska den (bildligt talat, en av dem "drar upp" den gemensamma punkten medan den andra "drar ner" den så att den förblir orörlig) och vice versa. Så den gemensamma punkten ändrar inte sin spänning; den beter sig som en virtuell jord med en storlek som bestäms av common-mode-ingångsspänningarna. Emitterelementet med hög resistans spelar ingen roll – det shuntas av den andra sändarföljaren med lågt motstånd. Det finns ingen negativ återkoppling, eftersom emitterspänningen inte ändras alls när ingångsbasspänningarna ändras. Den gemensamma viloströmmen styr kraftigt mellan de två transistorerna och utgångskollektorspänningarna ändras kraftigt. De två transistorerna jordade sin emitter; så även om de är gemensamma samlarsteg , fungerar de faktiskt som gemensamma emittersteg med maximal förstärkning. Förspänningsstabilitet och oberoende av variationer i enhetsparametrar kan förbättras genom negativ återkoppling som introduceras via katod/emittermotstånd med relativt små resistanser.

Överdriven. Om ingångsdifferensspänningen ändras avsevärt (mer än cirka hundra millivolt), stängs transistorn som drivs av den lägre inspänningen av och dess kollektorspänning når den positiva matningsskenan. Vid hög överväxling blir bas-emitterövergången omvänd. Den andra transistorn (driven av den högre inspänningen) driver all ström. Om motståndet vid kollektorn är relativt stort kommer transistorn att mättas. Med relativt litet kollektormotstånd och måttlig överväxling kan sändaren fortfarande följa ingångssignalen utan mättnad. Detta läge används i differentialomkopplare och ECL- grindar.

Bryta ner. Om inspänningen fortsätter att öka och överstiger bas-emitter- genomslagsspänningen bryts bas-emitterövergången hos transistorn som drivs av den lägre inspänningen. Om ingångskällorna är lågresistiva kommer en obegränsad ström att flyta direkt genom "diodbryggan" mellan de två ingångskällorna och skada dem.

I common mode följer emitterspänningen variationerna i ingångsspänningen; det finns en fullständig negativ återkoppling och förstärkningen är minimal. I differentiellt läge är emitterspänningen fast (lika med den omedelbara gemensamma inspänningen); det finns ingen negativ återkoppling och förstärkningen är maximal.

Förbättringar av differentialförstärkare

Emitter konstant strömkälla

Figur 3: Ett förbättrat long-tailed par med ström-spegelbelastning och konstant strömförspänning

Viloströmmen måste vara konstant för att säkerställa konstanta kollektorspänningar vid common mode. Detta krav är inte så viktigt i fallet med en differentialutgång eftersom de två kollektorspänningarna kommer att variera samtidigt men deras skillnad (utgångsspänningen) kommer inte att variera. Men i fallet med en ensidig utgång är det extremt viktigt att hålla en konstant ström eftersom utgångskollektorspänningen kommer att variera. Alltså ju högre resistans den nuvarande källan ${\displaystyle R_{\text{e}}} har,$ desto lägre (bättre) är common-mode-förstärkningen $A_{\text{c}}$ . Den konstanta ström som behövs kan produceras genom att ansluta ett element (motstånd) med mycket hög resistans mellan den delade emitternoden och matningsskenan (negativ för NPN och positiv för PNP-transistorer) men detta kräver hög matningsspänning. Det är därför, i mer sofistikerade konstruktioner, ett element med hög differentiell (dynamisk) resistans som approximerar en konstant strömkälla /sänka ersätts med den "långa svansen" (Figur 3). Det implementeras vanligtvis av en strömspegel på grund av dess höga överensstämmelsespänning (litet spänningsfall över utgångstransistorn).

Samlarströmspegel

Kollektormotstånden kan ersättas av en strömspegel, vars utgångsdel fungerar som en aktiv last (fig. 3). Således omvandlas differentialkollektorströmsignalen till en spänningssignal med enkel ände utan de inneboende 50% förlusterna, och förstärkningen ökas avsevärt. Detta uppnås genom att kopiera ingångskollektorströmmen från vänster till höger sida, där storleken på de två insignalerna adderas. För detta ändamål är strömspegelns ingång ansluten till den vänstra utgången och strömspegelns utgång ansluten till den högra utgången på differentialförstärkaren.

Figur 4: Transmissionskarakteristik

Strömspegeln kopierar den vänstra kollektorströmmen och för den genom den högra transistorn som producerar den högra kollektorströmmen. Vid denna högra utgång på differentialförstärkaren subtraheras de två signalströmmarna (pos. och neg. strömändringar). I detta fall (differentiell ingångssignal) är de lika och motsatta. Skillnaden är alltså två gånger de individuella signalströmmarna (Δ I − (−Δ I ) = 2Δ I ), och differentialen till ensidig konvertering fullbordas utan förstärkningsförluster. Fig. 4 visar transmissionskarakteristiken för denna krets.

Gränssnittsöverväganden

Flytande ingångskälla

Det är möjligt att ansluta en flytande källa mellan de två baserna, men det är nödvändigt att säkerställa banor för förspänningsbasströmmarna. Vid galvanisk källa behöver endast ett motstånd anslutas mellan en av baserna och jord. Förspänningsströmmen kommer direkt in i denna bas och indirekt (via ingångskällan) den andra. Om källan är kapacitiv måste två motstånd anslutas mellan de två baserna och jord för att säkerställa olika vägar för basströmmarna.

Ingångs-/utgångsimpedans

Ingångsimpedansen för differentialparet beror mycket på ingångsläget. Vid common mode uppträder de två delarna som gemensamma kollektorsteg med höga emitterbelastningar; så ingångsimpedanserna är extremt höga. I differentialläge beter de sig som gemensamma emittersteg med jordade sändare; så ingångsimpedanserna är låga.

Utgångsimpedansen för differentialparet är hög (särskilt för det förbättrade differentialparet med en strömspegel som visas i figur 3 ).

Ingångs-/utgångsområde

Common-mode-ingångsspänningen kan variera mellan de två matningsskenorna men kan inte nå dem nära eftersom vissa spänningsfall (minst 1 volt) måste finnas kvar över de två strömspeglarnas utgångstransistorer.

Operationsförstärkare som differentialförstärkare

Figur 5: Op-amp differentialförstärkare

En operationsförstärkare , eller op-amp, är en differentialförstärkare med mycket hög differentialförstärkning, mycket hög ingångsimpedans och låg utgångsimpedans. En op-amp differentialförstärkare kan byggas med förutsägbar och stabil förstärkning genom att tillämpa negativ återkoppling (Figur 5). Vissa typer av differentialförstärkare inkluderar vanligtvis flera enklare differentialförstärkare. Till exempel är en helt differentialförstärkare , en instrumenteringsförstärkare eller en isoleringsförstärkare ofta byggda av en kombination av flera op-förstärkare.

Ansökningar

Differentialförstärkare finns i många kretsar som använder serie negativ återkoppling (op-amp-följare, icke-inverterande förstärkare, etc.), där en ingång används för ingångssignalen, den andra för återkopplingssignalen (vanligtvis implementerad av operationsförstärkare ) . Som jämförelse kunde de gammaldags inverterande enkeländade op-förstärkarna från tidigt 1940-tal endast realisera parallell negativ återkoppling genom att ansluta ytterligare motståndsnätverk (en op-amp inverterande förstärkare är det populäraste exemplet). En vanlig tillämpning är för styrning av motorer eller servon , såväl som för signalförstärkningsapplikationer. Inom diskret elektronik är ett vanligt arrangemang för att implementera en differentialförstärkare det long-tailed paret, som också vanligtvis finns som differentialelement i de flesta op-amp integrerade kretsar . Ett long-tailed par kan användas som en analog multiplikator med differentialspänningen som en ingång och förspänningsströmmen som en annan.

En differentialförstärkare används som ingångsstegets emitterkopplade logiska grindar och som omkopplare. När den används som omkopplare används den "vänstra" basen/nätet som signalingång och den "högra" basen/nätet är jordat; utgången tas från höger kollektor/plåt. När ingången är noll eller negativ är utsignalen nära noll (men kan inte mättas); när ingången är positiv är utsignalen mest positiv, dynamisk drift är densamma som förstärkarens användning som beskrivits ovan.

Symmetriskt återkopplingsnätverk eliminerar common-mode-förstärkning och common-mode-bias

Figur 6: Differentialförstärkare med icke-ideal operationsförstärkare: ingångsförspänningsström och differentiell ingångsimpedans

Om operationsförstärkarens (icke-idealiska) ingångsförspänningsström eller differentialingångsimpedans är en signifikant effekt, kan man välja ett återkopplingsnätverk som förbättrar effekten av common-mode insignal och förspänning. I figur 6 modellerar strömgeneratorer ingångsförspänningsströmmen vid varje terminal; I ⁺ _b och I ⁻ _b representerar ingångsförspänningsströmmen vid klämmorna V ⁺ respektive V− ^.

Thévenin -ekvivalenten för nätverket som driver V ⁺ -terminalen har en spänning V ⁺ ' och impedans R ⁺ ':

${\displaystyle {V^{+}}'=V_{\text{i}}^{+}R_{\parallel }^{+$

medan för nätverket som driver V ⁻ terminalen:

${V^{-}}'=V_{\text{i}}^{-}R_{\parallel }^{-}/R_{\text{i}}^{-}+V_{\ text{out}}R_{\parallell }^{-}/R_{\text{f}}^{-}-I_{\text{b}}^{-}R_{\parallel }^{-}; \quad {\text{där}}\quad {R^{-}}'=R_{\parallel }^{-}=R_{\text{i}}^{-}\parallel R_{\text{f }}^{-}.$

Utgången från op-amp är bara öppen-loop-förstärkningen A _ol gånger differentialingångsströmmen i gånger differentialingångsimpedansen 2 R _d , därför

$V_ {\text{out}}=A_{\text{ol}}\cdot 2R_{\text{d}}{\frac {{V^{+}}'-{V^{-}}'}{2R_ {\parallel }+2R_{\text{d}}}}=({V^{+}}'-{V^{-}}')A_{\text{ol}}R_{\parallel }/( R_{\parallel }\parallel R_{\text{d}}),$

där R _|| är medelvärdet av R ⁺ _|| och R ^- _|| .

Dessa ekvationer genomgår en stor förenkling om

$R_{\text{i}}^{+}=R_{\text{i}}^{-},\quad R_{\ text{f}}^{+}=R_{\text{f}}^{-},$

resulterar i relationen

$V_{\text{in}}^{ +}-V_{\text{in}}^{-}-R_{\text{i}}I_{\text{b}}^{\Delta }=V_{\text{out}}\left[{ \frac {R_{\text{i}}}{R_{\text{f}}}}+{\frac {1}{A_{\text{ol}}{\frac {R_{\text{i} }}{R_{\text{i}}\parallel R_{\text{f}}\parallel R_{\text{d}}}}}}\right],$

vilket innebär att förstärkningen med sluten slinga för differentialsignalen är V ⁺ _i − V ⁻ _in , men förstärkningen i common-mode är identiskt noll.

Det innebär också att förspänningsströmmen i common-mode har tagits ut, vilket lämnar endast ingångsoffsetströmmen I ^Δ _b = I ⁺ _b − I ⁻ _b fortfarande närvarande och med en koefficient på R _i . _Det är som om ingångsförskjutningsströmmen är ekvivalent med en ingångsförskjutningsspänning som verkar över en ingångsresistans Ri , som är källresistansen för återkopplingsnätverket till ingångsterminalerna.

Slutligen, så länge som spänningsförstärkningen A _ol är mycket större än enhet, är spänningsförstärkningen med sluten slinga Rf / Ri , det _värde man skulle få genom tumregelanalysen känd som "virtuell _jord ".

Se även

• Gilbert cell
• Instrumentationsförstärkare
• Op-amp differentialkonfiguration
• Emitterkopplad logik

externa länkar

• BJT Differential Amplifier – Krets och förklaring
• En testbänk för differentialkretsar
• Application Note: Analog Devices – AN-0990 : Avsluta en differentialförstärkare i Single-Ended Input Applications