Диференцијално појачало: како ради

Диференцијално појачало (ДУ) користи се за појачавање разлике између два улазна сигнала. Може се замислити као аналогно коло са два улаза и једним излазом.

Појачала која се користе у разним електричним уређајимаа електронска кола за генерисање сигнала и извођење математичких операција називају се оперативна појачала (ОА). Они су кључне компоненте електронског аналогног рачунара. Њихов изум почетком 1940 -их довео је до замене механичких калкулатора тихом и брзом електроником. Многи аналогни рачунари ослањали су се на вакуумске цеви комерцијално доступне од компаније Георге Пхилбрицк 1952.

Године 1963., Боб Видлар из Фаирцхилд Семицондуцтор-а је изградио једностепено оп-појачало А702, прво монолитно ИЦ оп-појачало.

Коло транзисторског појачала

Диференцијално оперативно појачало може се саставити у коло као што је приказано на доњој слици, које се састоји од два транзистора Т1 и Т2.

Даљински управљач има два улаза И1 и И2 и два излазаВ1оут и В2оут. Улаз И1 се доводи на базни терминал транзистора Т1, улаз И2 се доводи на базни терминал транзистора Т2. Излази емитера транзистора Т1 и транзистора Т2 повезани су на заједнички отпорник емитера. Тако ће два улаза И1 и И2 утицати на излазе В1оут и В2оут. Коло има два напона напајања Вцц и Вее, али нема уземљења. Чак и са једним напоном напајања, коло може нормално радити (слично када се користе два напона напајања). Због тога су супротне тачке позитивног напона и негативног напона напајања повезане са масом.

Шематски дијаграм рада дизел горива

Рад диференцијалног појачала приказан је на дијаграму на доњој слици.

Ако се улазни сигнал (И1) примени на базутранзистора Т1, тада се кроз отпорник спојен на транзистор Т1 појављује позитиван пад напона који ће бити мањи. Ако се улазни сигнал (И1) не примијени на базу транзистора Т1, тада се кроз отпорник спојен на транзистор Т1, који ће бити велики, појављује позитиван пад напона.

Може се рећи да инвертујући излаз излазипреко колекторског терминала транзистора Т1, на основу улазног сигнала И1 који се доводи на базни терминал Т1. Ако се Т1 укључи позитивном вредношћу И1, тада се струја кроз отпор емитера повећава када су струја емитера и струја колектора скоро једнаки. Ако се пад напона на отпору емитера повећа, емитер оба транзистора иде у позитивном смеру. Ако је емитер транзистора Т2 позитиван, тада ће база Т2 бити негативна, а у овом стању струја ће бити мања. И бит ће мањи пад напона на отпорнику спојеном на пин колектора транзистора Т2.

Стога, за ову позитивнуулаз колектора Т2 ће ићи у позитивном смеру. Може се рећи да се неинвертујући излаз који се појављује на колекторском терминалу транзистора Т2 заснива на улазном сигналу који се примењује на базу Т1. Диференцијално појачало прима излазни сигнал између прикључака колектора транзистора Т1 и Т2. Из горњег шематског дијаграма се претпоставља да су све карактеристике транзистора Т1 и Т2 идентичне, а ако су основни напони Вб1 једнаки Вб2 (основни напон транзистора Т1 једнак је основном напону транзистора Т2), тада ће струје емитера оба транзистора бити једнаке (Ием1 = Ием2).

Тако ће укупна струја емитера бити једнаказбир струја емитера Т1 (Ием1) и Т2 (Ием2). Прорачун диференцијалног појачала. Ием1 = Ием2 Ие = Ием1 + Ием2 Вев = Вб-Вб ем И ем = (Вб-Вб ем) / Рем. Дакле, струја емитера остаје иста без обзира на хфе вредност транзистора Т1 и Т2. Ако су отпори спојени на стезаљке колектора Т1 и Т2 једнаки, тада су и њихови напони колектора једнаки.

Кратак опис рада оперативног појачала

Ово појачало (Оп-амп, енглеска верзија) можебити идеалан са бесконачним појачањем и пропусношћу када се користи у режиму отворене петље са типичним ДЦ појачањем већим од 100.000 или 100 дБ. Оптичко појачало диференцијалне струје има два улаза, од којих је један обрнут. Појачана разлика између ових улаза се емитује као напон. Идеално оперативно појачало има бесконачно велико појачање. Ово би требало да изрази симбол бесконачности новим симболом. Оптичко појачало ради са двоструким позитивним (+ В) или одговарајућим негативним (-В) напајањем, или може радити са једним константним напоном напајања.

Два основна закона везана за ОУ

Састоје се у чињеници да такво појачало имабесконачна улазна импеданса (З = ∞), због чега нема струје која тече у један од два улаза и нулти улазни преднапон В1 = В2. Оп појачало такође има нулту излазну импеданцију (З = 0). Оптичка појачала детектују разлику између напонских сигнала који се примењују на њихова два улазна терминала, а затим их множе са неким унапред одређеним појачањем (А). Овај добитак (А) се често назива и добитак отворене петље. Оп појачала се могу повезати у две основне конфигурације - инвертирајућа и неинвертирајућа.

За негативну повратну информацију, ако је напонповратна спрега је у антифази на улазу, општи добитак се смањује. За позитивне повратне информације, када је повратни напон у "фази", улаз на појачало се повећава. Укључивањем излаза назад у конектор негативног улаза постиже се 100% повратна веза, што резултира кругом напонског следбеника (бафер) са константним појачањем од 1 (Унити). Заменом фиксног повратног отпорника (Рƒ) за потенциометар, коло ће имати подесиво појачање.

Техничке спецификације

Основно:

1. Улазна струја нулте секвенце (улазбиас цуррент) у мировању, на два улаза могу тећи различите струје. То у пракси значи да се напон искривљује у случају извора сигнала са високим унутрашњим отпором, будући да су извори изложени различитим нивоима напона.
2. Улазна импеданса се може мерити саулази уземљени, под условом да је други улаз уземљен. Недостатак овде су извори са високим унутрашњим отпором, који су делимично оптерећени улазним отпором.
3. Улазни капацитет - паралелно кондензаториулазни отпорници. Они су узнемирујући, посебно на високим фреквенцијама, јер капацитети стварају додатне паралелне улазне импедансе које зависе од фреквенције. У диференцијалном појачалу, принцип рада зависи од овог индикатора.
4. Мали добитак (повећава појачање сигнала)означава добитак који се добија без повратне спреге. Дефинише се са отпором оптерећења од 2 кΩ и флуктуацијом излазног напона од ± 10 В. У пракси, наведена вредност од 200.000 никада није достигнута и обично је 10 пута нижа.
5. Коефицијент одступања напона напајања. Када промените напон напајања од једног волта, помак се мења за 0,3 μВ. Међутим, са појачањем од 300 пута, грешка се повећава за 0,1 мВ.
6. Љуљање излазног напона.Оп појачало никада не може генерисати свој пуни улазни напон на свом излазу. У сваком случају, максимални излазни напон са улазним напоном од ± 15 В биће знатно већи од ± 10 В. При нормалним оптерећењима, око ± 13 В и идеално - само 1 В испод напона напајања.
7. Излазна импеданса - ефективна импеданса наизменичне струје на излазу, само за ниске и пристрасне излазне сигнале. Практично применљиво само у граничним случајевима.
8. Излазна струја кратког споја.
9. Напајање струјом помоћу неоптерећеног оперативног појачала типа 1.7 мА.
10. Перформансе - губитак снаге, наравноу неоптерећеном оперативном појачалу настају због струје напајања и зависе од радног напона. Диференцијално појачало са транзисторима захтева одређено време одзива и деградира улазни сигнал скоком. Ово се односи на оптерећење од 2 кΩ || 100 пФ и јединствен добитак (јединствен добитак).
11. Стопа успоравања за спречавањенеконтролисани опсег. Ако се излазни напон промени за 10 В, оп-појачалу је потребно време од типично 5 μс. То постаје критично на високим фреквенцијама, јер је његов излазни сигнал озбиљно ослабљен.

Гранични услови примене

Основно:

1. Напон напајања максимално ± 18В. Већина кола ради на ± 15В, дакле са сигурне стране.
2. Максимални губитак снаге (распршенснага) зависи од верзије кућишта и максимално дозвољене температуре. Једноставно 8-пинско пластично паковање може издржати 310мВ, 14-пинско дворедно паковање може отприлике двоструко више.
3. Улазни напони и разлике могу бити ураспон -15 ... + 15 В. Лемљење. Током лемљења (лемљења), оставите стезаљке да се загреју до 300 ° Ц један минут. Лемљење на стезаљке се не врши истовремено, већ једно за другим и тек након што се цела компонента потпуно охлади.
4. Кратки спој на излазној страни. Према произвођачу, излазни кратки спој може трајати неограничено дуго ако су испуњени сви гранични услови.
5. Ограничење: Температура кућишта не смије прелазити 125 ° Ц, стога температура околине не смије прелазити 75 ° Ц

Диференцијално појачало помоћу БЈТ

Његов принцип рада приказан је на доњем дијаграму.

Изграђен је помоћу два подударањатранзистори у заједничкој конфигурацији емитера, чији су емитери међусобно повезани. Једноставно коло способно за појачавање малих сигнала између два улаза, док и даље потискује сигнале шума заједничке за оба улаза.

Диференцијално појачало на биполарномтранзистори (БЈТ) имају јединствену топологију: два улаза и два излаза. Иако се може користити само један излаз, разлика између оба излаза удвостручује исплату! Побољшава одбацивање заједничког мода (ЦМР) када је сигнал заједничког мода извор шума или ДЦ помак из претходне фазе.

Конфигурација транзисторског калкулатора

На основу метода уноса улазних и излазних података, диференцијална појачала могу имати четири различите конфигурације, као што је приказано испод.

1. Једнофазни неуравнотежени излаз.
2. Балансирани излаз са једним улазом.
3. Неуравнотежен излаз са двоструким улазом.
4. Балансирани излаз са двоструким улазом.

Схематски дијаграм ДЦ појачала

Приликом пројектовања аналогних грађевинских блокова(различите врсте претпојачала, филтера итд.), важно је, уз развој савремених решења за дубоке субмикронске технологије, обратити пажњу на нова структурна решења традиционалних појачавача.

ДЦ диференцијално појачало(ДУПТ), његов излазни напон је пропорционалан разлици између два улазна напона. Ово се може представити у облику једначине попут ове: В оут = А * ((Вин +) - (Вин-)) где је А = добитак.

Практична примена

У практичним колима ДУ се користи за појачавање: импулса кроз дугачке жице, звук, радио фреквенције, управљање моторима и серво моторима, електрокардиограме, информације о магнетним уређајима за складиштење.

Недостаци

Диференцијално појачало има низ недостатака, који донекле ограничавају његову употребу у електроници:

1. Мала вредност улазног отпора, у зависности од отпорника, на пример, са слабим сигналом са термоелемента - даљински управљач ће дати погрешан резултат мерења.
2. Тешко је подесити појачање, штозахтеваће промену вредности два отпорника, што је практично тешко спровести, а увођење додатних елемената (потенциометара или мултиплексера) у коло непотребно ће закомпликовати коло.