Full differentialförstärkare

En helt differentialförstärkare ( FDA ) är en DC - kopplad elektronisk spänningsförstärkare med hög förstärkning med differentialingångar och differentialutgångar. Vid normal användning styrs utsignalen från FDA av två återkopplingsvägar som, på grund av förstärkarens höga förstärkning, nästan helt bestämmer utspänningen för en given ingång.

I en helt differentialförstärkare avvisas brus i common-mode såsom strömförsörjningsstörningar; detta gör FDA:er särskilt användbara som en del av en integrerad krets med blandade signaler .

En FDA används ofta för att konvertera en analog signal till en form som är mer lämpad för att driva in en analog-till-digital-omvandlare ; många moderna högprecisions ADC:er har differentiella ingångar.

Den idealiska FDA

För alla ingångsspänningar har den idealiska FDA oändlig förstärkning med öppen slinga , oändlig bandbredd , oändliga ingångsimpedanser vilket resulterar i noll inströmmar, oändlig svänghastighet , noll utgångsimpedans och noll brus .

I den ideala FDA är skillnaden mellan utspänningarna lika med skillnaden mellan inspänningarna multiplicerat med förstärkningen. Common mode-spänningen för utspänningarna är inte beroende av ingångsspänningen. I många fall kan common mode-spänningen ställas in direkt av en tredje spänningsingång.

Inspänning: $V_{\mathrm {id} }=V_{\mathrm {in+} }-V_{\mathrm {in-} }$
Utspänning: $V_{\mathrm {od} }=V_{\mathrm {out+} }-V_{ \mathrm {out-} }=V_{\mathrm {id} }\times \mathrm {Gain}$
Utgående common-mode spänning: $V_{\mathrm {oc} }={\frac {(V_{\mathrm {out+} })+(V_{\mathrm {out-} })}{2}}$

En riktig FDA kan bara approximera detta ideal, och de faktiska parametrarna är föremål för drift över tid och med förändringar i temperatur, ingångsförhållanden, etc. Moderna integrerade FET- eller MOSFET -FDA:er approximerar närmare dessa ideal än bipolära IC:er där stora signaler måste vara hanteras vid rumstemperatur över en begränsad bandbredd; i synnerhet ingångsimpedansen är mycket högre, även om den bipolära FDA vanligtvis uppvisar överlägsna (dvs lägre) ingångsoffsetdrift och brusegenskaper. ^{[ citat behövs ]}

Där begränsningarna för verkliga enheter kan ignoreras, kan en FDA ses som en Black Box med förstärkning; kretsfunktion och parametrar bestäms av återkoppling , vanligtvis negativ. En FDA som implementeras i praktiken är måttligt komplex integrerad krets .

Begränsningar för riktiga FDA:er

DC-defekter

Finit gain — effekten är mest uttalad när den övergripande designen försöker uppnå en vinst nära FDA:s inneboende vinst.
Finit ingångsresistans — detta sätter en övre gräns för resistanserna i återkopplingskretsen.
Utgångsresistans som inte är noll — viktigt för belastningar med lågt motstånd. Med undantag för mycket liten utspänning, kommer effektöverväganden vanligtvis in i bilden först. (Utimpedansen är omvänt proportionell mot tomgångsströmmen i slutsteget — mycket låg tomgångsström resulterar i mycket hög utimpedans.)
Ingångsförspänningsström — en liten mängd ström (vanligtvis ~10 nA för bipolära FDA , eller pikoamperer för CMOS -konstruktioner) flödar in i ingångarna. Denna ström stämmer lite mellan de inverterande och icke-inverterande ingångarna (det finns en ingångsförskjutningsström). Denna effekt är vanligtvis endast viktig för kretsar med mycket låg effekt.
Input offset spänning — FDA kommer att producera en utgång även när ingångsstiften har exakt samma spänning. För kretsar som kräver exakt DC-drift måste denna effekt kompenseras.
Common mode gain — En perfekt operationsförstärkare förstärker endast spänningsskillnaden mellan dess två ingångar och avvisar helt alla spänningar som är gemensamma för båda. Men det differentiella ingångssteget för en FDA är aldrig perfekt, vilket leder till förstärkning av dessa identiska spänningar till viss del. Standardmåttet för denna defekt kallas common-mode rejection ratio (betecknad CMRR). Minimering av common mode gain är vanligtvis viktigt i icke-inverterande förstärkare (beskrivs nedan) som arbetar med hög förstärkning.
Temperatureffekter — alla parametrar ändras med temperaturen. Temperaturdrift av ingångsoffsetspänningen är särskilt viktig.

AC-defekter

Ändlig bandbredd — alla förstärkare har en ändlig bandbredd. Detta beror på att FDA:er använder intern frekvenskompensation för att öka fasmarginalen .
Ingångskapacitans — viktigast för högfrekvent drift eftersom den ytterligare minskar förstärkarens öppna bandbredd .
Common mode gain — Se DC-imperfektioner ovan.
Buller - alla riktiga elektroniska komponenter genererar brus.

Icke-linjära ofullkomligheter

Mättnad — utspänningen är begränsad till ett toppvärde, vanligtvis något lägre än nätspänningen . Mättnad uppstår när differentialingångsspänningen är för hög för op-förstärkarens förstärkning, vilket driver utnivån till det toppvärdet.
Svängning — förstärkarens utspänning når sin maximala förändringshastighet. Mätt som svänghastigheten anges den vanligtvis i volt per mikrosekund. När svängning inträffar har ytterligare ökningar av insignalen ingen effekt på ändringshastigheten för utsignalen. Svängning orsakas vanligtvis av interna kapacitanser i förstärkaren, särskilt de som används för att implementera dess frekvenskompensation , särskilt med poldelning .
Icke- linjär överföringsfunktion — Utspänningen kanske inte är exakt proportionell mot skillnaden mellan ingångsspänningarna. Det kallas vanligtvis för distorsion när insignalen är en vågform. Denna effekt kommer att vara mycket liten i en praktisk krets om betydande negativ återkoppling används.

Maktöverväganden

Begränsad uteffekt — om hög uteffekt önskas måste en op-förstärkare som är speciellt utformad för det ändamålet användas. De flesta op-amps är designade för lågeffektdrift och kan vanligtvis bara driva utresistanser ner till 2 kΩ.
Begränsad utström — utströmmen måste uppenbarligen vara ändlig. I praktiken är de flesta op-amps utformade för att begränsa utströmmen så att den inte överskrider en specificerad nivå, vilket skyddar FDA och tillhörande kretsar från skador.

DC beteende

Öppen slinga förstärkning definieras som förstärkningen från ingång till utgång utan någon återkoppling . För de flesta praktiska beräkningar antas förstärkningen med öppen slinga vara oändlig; i verkligheten är det uppenbarligen inte. Typiska enheter uppvisar en DC-förstärkning med öppen slinga som sträcker sig från 100 000 till över 1 miljon; detta är tillräckligt stort för att kretsförstärkningen nästan helt ska kunna bestämmas av mängden negativ återkoppling som används. Op-amps har prestandagränser som designern måste ha i åtanke och ibland kringgås. I synnerhet är instabilitet möjlig i en DC-förstärkare om AC-aspekter försummas.

AC beteende

FDA-förstärkningen beräknad vid DC gäller inte vid högre frekvenser. Till en första approximation är förstärkningen för en typisk FDA omvänt proportionell mot frekvensen. Detta betyder att en FDA kännetecknas av sin vinst-bandbreddsprodukt . Till exempel skulle en FDA med en förstärkningsbandbreddsprodukt på 1 MHz ha en förstärkning på 5 vid 200 kHz och en förstärkning på 1 vid 1 MHz. Denna lågpasskarakteristik introduceras medvetet, eftersom den tenderar att stabilisera kretsen genom att införa en dominerande pol. Detta är känt som frekvenskompensation .

En typisk lågkostnads-FDA för allmänt bruk kommer att ha en vinst-bandbreddsprodukt på några megahertz. Specialitets- och höghastighets-FDA:er kan uppnå bandbreddsprodukter på hundratals megahertz. Vissa FDA:er är till och med kapabla att förstärka bandbreddsprodukter som är större än en gigahertz.

Se även

externa länkar

Helt differentiella förstärkare (TI Application Report)
Fullt differentiella förstärkare (TI Analog Applications Journal)