Меню

Синфазное напряжение дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель: виды и работа.

Схема дифференциального усилителя (ДУ) известна еще с 30-х годов прошлого столетия. Такое название усилитель получил от латинского слова «differentia» — «разность».
Принцип работы дифференциального усилителя (рис.1) состоит в том, что усилитель, имея два входа, усиливает разность напряжений приложенных к ним. В транзисторных схемах он используется в качестве первого каскада в некоторых специальных усилителях.
Это симметричная (мостовая, балансная) схема состоящая из внутренних сопротивлений двух идентичных усиливающих транзисторов R(VT1),R (VT2) и коллекторных резисторов Rк1, Rк2 (рис.1б). Условием баланса моста, при котором выходное напряжение на нагрузке Rн равняется нулю, является сохранение следующего равенства отношений:
R(VT1)/Rк2 = R(VT2)/Rк1
По сравнению с обычными усилителями дифференциальный усилитель имеет ряд преимуществ: два входа, два выхода и симметричный выход; у него очень хорошая температурная стабильность, значительный коэффициент усиления и способность усиления малых сигналов при наличии больших помех.
Но эти замечательные свойства ДУ возможны только при отличной симметрии обоих плеч усилителя. Сложность заключается в том, что симметрия должна быть не только при данной температуре (что делается довольно таки легко), а в диапазоне температур — например, от -20°С до +50°С. Это означает что основные параметры двух транзисторов должны быть одинаково зависимыми в этих границах температур. При использовании дискретных (отдельных) транзисторов такую симметрию получить практически невозможно. Поэтому в дискретной схемотехнике использование ДУ ограничен.
При развитии интегральных микросхем (ИС) решился вопрос о симметрии двух транзисторов. В микросхемах они одновременно производятся на одном и том же кристалле или пленке по одинаковой технологии. Даже при неправильном размещении фотошаблона транзисторы наносятся одинаково как два смежных элемента. Кроме того, они расположены рядом друг с другом, что обеспечивает одинаковый температурный режим. Следовательно, их температурные изменения в относительно широких интервалах таким же образом влияют и на их параметры.

На рис.2 изображен дифференциальный усилитель с дискретными транзисторами, которые запитываются от одного источника тока Е, где базовые резисторы R1′ — R2′ и R1″ — R2″, а также и Rэ обеспечивают необходимые напряжения на VТ1, VТ2. Сопротивление Rн равен сопротивлению нагрузки следующего каскада после ДУ.
Благодаря разделительным конденсаторам С1 и С2 постоянное напряжение от источников сигналов не попадает на вход ДУ. Но т.к. конденсаторы имеют значительную емкость, а в интегральном исполнении они не выполняются, поэтому должны быть удалены из схемы дифференциального усилителя в ИС. Однако в такой схеме, без конденсаторов на входах, постоянное напряжение смещения на базах будет влиять на режим транзисторов источников сигнала, что неприемлемо.
Выход из этой ситуации есть — питать дифференциальный усилитель от симметричного источника тока с общей средней точкой. Тогда убираются базовые делители и на двух базах будут нулевые потенциалы относительно заземленной средней точки (рис.2).
В идеальном ДУ мост, образованный из плеч VТ1, Rк1 и VТ2, Rк2, будет сбалансирован, если эти транзисторы полностью идентичны и их температурные параметры будут одинаково зависить от температуры, а коллекторные резисторы удовлетворять условию:
Rк1 = Rк2 = Rк.
Тогда коллекторные токи покоя будут одинаковы:
Iкп1 = Iкп2 = Iкп.
Величину Iкп выбирают в зависимости от предназначения ДУ. Обычно этот ток составляет 1-2 мА, а при необходимости, для создания большого входного сопротивления и низкого уровня шумов, его уменьшают до 50-100 мкА.
Нулевой потенциал на базах достигается путем выбора Iкп, величин Rк и Rэ, а также напряжений Е1 и Е2 (обычно Е1 = Е2). При режиме покоя величина Е2 слагается из двух напряжений:
Е2 = Uбэп + 2IэпRэ.
Через Е1 протекает ток 2Iкп, а через Е2 — 2Iэп, который будет немного больше на величину тока базы:
2Iэп = 2Iкп + 2Iбп.
Для большого входного сопротивления ДУ выбирают транзисторы с большим коэффициентом усиления β и малым Iбп = 1 ÷ 10 мкА.

Симметричный и несимметричный входы.

Понятия о симметричных и несимметричных входах и выходах связаны с переменной составляющей сигналов.
Когда выводы сигнала генератора подключены на две базы, и ни один из выводов по переменному току не заземлен, тогда вход у ДУ — симметричный. В этом случае можно мысленно провести ось симметрии в дифференциальном усилителе и середине генератора, которая имеет нулевой потенциал по переменному току (рис.3а). В качестве примера на рис.3б показан симметричный индуктивный ввод.
Когда генератор включен на одну из баз и шасси, а вторая база заземлена, вход является несимметричным (рис.3в,г,д,е.). В таком случае на одну базу будет подано переменное напряжение сигнала, а на вторую базу — постоянный нулевой потенциал.

Симметричный и несимметричный выходы.

При одновременной подаче выходных сигналов с двух коллекторов на нагрузку — это симметричный выход (рис.4а). Когда на нагрузку подается выходной сигнал с любого коллектора с одной стороны, и нулевой потенциал средней точки с другой стороны, тогда выход дифференциального усилителя считается несимметричным (рис.4б,в).

Дифференциальный входной сигнал.

В ДУ возможно подача двух видов входных сигналов: дифференциальный и синфазный.
Дифференциальный — это такой входной сигнал Uдиф , при котором его половина Uдиф/2 подаётся относительно общей точки схемы на один вход, а другая половина подаётся в противофазе на второй вход (рис.2) и равен разнице между напряжениями сигналов по отношению к корпусу:
Uдиф = Uвх1 — Uвх2.
Для дальнейшего удобства предполагаем, что дифференциальный сигнал подается от генератора.
При симметричных входах (рис.5а) синусоидальный сигнал в противофазах подается на две базы, который попеременно открывает и закрывает транзисторы: когда один открывается — другой закрывается, и наоборот.
На несимметричные входы сигнал также подается на базы, только одна из баз заземлена (рис.5б). При этом сигнал генератора попеременно открывает VT1 и, одновременно паявившееся падение напряжение на Rэ, закрывает VT2.
Этот процесс можно представить в виде, как на рис.5в, где транзисторы заменены двумя спаренными переменными резисторами на одной оси, которые при вращении оси меняют сопротивления в противоположных направлениях. При этом выходные напряжения резисторов (транзисторов) будут меняться, но сумма этих напряжений Uвых на нагрузочном резисторе будет постоянным.

Читайте также:  Определить силы токов во всех ветвях цепи методом узлового напряжения

Синфазный входной сигнал.

Синфазными называются такие сигналы, которые, имеющие одинаковую амплитуду и фазу, одновременно присутствуют на обоих входах дифференциального усилителя (рис.6а). Этот сигнал будет равен полусумме сигналов, действующих на обоих входах ДУ (рис.6б):
Uсф = (Uвх1 + Uвх2)/2
Здесь тоже предположим, что генератор включается между связанными базами и шасси. Тогда синфазный сигнал одновременно или открывает, или закрывает транзисторы.
Эквивалентная схема (рис.6в) будет похожа, как при дифференциальном входном сигнале, только здесь переменные резисторы одновременно одинаково меняют сопротивления. Вследствие этому после резисторов (транзисторов), при идеальной симметрии схемы ДУ, на коллекторах будут одинаковые потенциалы относительно средней точки и, значит, разность потенциалов Uвых будет равно нулю.
На практике, в отличии от полезного дифференциального сигнала, который поступает на входы ДУ в противофазе, могут действовать синфазные помехи (шумы), совпадающие по фазе. Появление этих помех обусловленно, например, температурными шумами транзисторов,наводками внешних электромагнитных полей и др. Поэтому дифференциальный усилитель должен эти помехи полностью подавлять, т.е. как можно больше усиливать дифференциальный сигнал и как можно меньше — синфазный.
Рассмотрим особенности дифференциальных усилителей в комбинациях с различными видами входных сигналов и выходов усилителей.

Свойства дифференциального усилителя с симметричным выходом.

1.С дифференциальным входным сигналом.

На рис.7а,б приведены схемы ДУ с дифференциальным входным сигналом, где в разные полупериоды входного сигнала показаны пути прохождения переменного тока с указанием их направлений (голубые стрелки).
Как видно на рис.7а,что когда на вход VT1 подается сигнал от генератора, то в первом полупериоде положительная его фаза открывает Т1, а отрицательная — закрывает Т2. В результате, в этот момент, коллекторное напряжение на T 1 будет отрицательным, а на T2 — положительным (обозначение полярности напряжения в кружочке).
При втором полупериоде (рис.7б) происходит все в точности наоборот: Т1 закрывается, Т2 открывается, а коллекторные напряжения на Т1 положительное, на Т2 — отрицательное. Нагрузкой коллекторных токов являются сопротивления Rн и 2Rк = Rк1 + Rк2, включенных параллельно. Тогда их общее сопротивление равно:
Rт сим = 2RкRн/(2Rк + Rн).
В этом случае дифференциальный усилитель ведет себя как генератор переменного тока с внешним возбуждением и параллельной нагрузкой.
На рисунках видно, что в каждый полупериод переменные токи противофазны (красные стрелки) и, при полной симметрии, компенсируют друг друга. Поэтому через резистор Rэ и источники тока Е1, Е2 переменный ток не течет.
На рис. 7а,б показываются только входные и выходные цепи переменного тока. Переменное выходное напряжение на обоих концах нагрузки равно разнице между напряжения на обоих выходов:
Uвых диф сим = Uвых1 — Uвых2
Когда общее сопротивление коллекторных токов Rт сим 3 ÷ 10 6 .

Дифференциальный усилитель с несимметричным выходом.

Схема с несимметричным выходом применяется, как правило, для согласования дифференциального усилителя с каскадами, выполненными на одиночных транзисторах. При этом резистор в цепи транзистора, не связанного с выходом усилителя, в общем случае может отсутствовать. Если к дифференциальному усилителю необходимо подключить каскад с несимметричным выходом, напряжение неиспользуемого входа, как правило, фиксирует на неизменном уровне. Для этой цели может быть использован дополнительный делитель напряжения.

1.С дифференциальным входным сигналом.

Такая схема приведена на рис.9, где выходной сигнал берется с коллектора VT1. В коллекторе VT2 резистора R2 может и не быть. Тогда входное сопротивление VT1 равно:
Rт нес = RкRн/(Rк + Rн).
При Rн ≤ 10 кОм основные зависимости будут следующие:
Кu диф нес ≈ 0,5h21к·Rк·Rн/h11э(Rк + Rн) = 0,5SRт нес,
Rвх диф нес = 2h11э,
Rвых диф нес = Rк.

2.С синфазным входным сигналом.

Для такого вида включения показана схема на рис.10. В этом случае входное сопротивление VT1 такое же, как и при дифференциальном входе:
Rт нес = RкRн/(Rк + Rн).
При Rн ≤ 10 кОм выполняются следующие основные зависимости:
Ku сф нес = SRн/(1 + 2SRэ) ≈ Rн/2Rэ,
Rвх сф нес = 0,5h11э(1 + 2SRэ),
Rвых сф нес = Rк,
КОСС ≈ 1 + 2SRэ.

Теперь, зная, как работает дифференциальный усилитель, рассмотрим случай , когда на ДУ подается полезный и синфазный (помеха) сигналы (рис.11).
В этом примере входной импульс имеет только положительную амплитуду. Чтобы подавить помеху, необходимо однофазный входной сигнал преобразовать в дифференциальный. Для этого его инвертируют и подают вместе с не измененным входным сигналом на диффенциальные входы ДУ. Одновременно на вход будет действовать наведенный через входные цепи синфазный сигнал помехи, который складывается с полезным сигналом. ДУ вычитает уже разнофазные импульсы помехи, а полезный сигнал снимается с положительного несимметричного выхода.

Читайте также:  Что понижает частоту напряжения

Источник

Синфазный сигнал в дифференциальных усилителях

Дифференциальный усилитель – электронное устройство, призванное усилить дифференциальный сигнал. Однако из-за нелинейности входных цепей часть входного синфазного напряжения также усиливается. Степень подавления входного синфазного напряжения называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), он нормируется и обычно выражается в децибелах. Так для операционных усилителей общего применения КОСС составляет порядка 65…100 дБ.

История[править | править вики-текст]

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Ламповый операционный усилитель K2-W.

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ – μA702. При цене в 300 долларов, прибор, содержавший 9 транзисторов, использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709, также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101, а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741 – первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным затвором (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко – операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях (1000шт), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить $100 и выше.

Обозначения

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

· V+: неинвертирующий вход

· V: инвертирующий вход

· VS+: плюс источника питания (также может обозначаться как VDD , VCC , или VCC+)

· VS−: минус источника питания (также может обозначаться как VSS , VEE , или VCC)

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертирующего входа. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса – усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса – усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному. Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Дата добавления: 2016-01-20 ; просмотров: 2956 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник



Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 5

22 октября 2018

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения для погружного насоса грундфос

Дифференциальный усилитель

Исходные данные к расчету представлены в таблице 13.

Таблица 13. Исходные данные к расчету

Вход 1 (Vi2-Vi1) Выход CMRR мин. Питание
VidiffMin VidiffMax VoMin VoMax дБ Vcc Vee Vref
-1,25 В 1,25 В -2,5 В 2,5 В 50 2,75 В -2,75 В 0 В

Описание схемы

Выходной сигнал схемы определяется разницей между входными сигналами Vi1 и Vi2 (рисунок 16). Источники сигналов, как правило, должны иметь низкий импеданс, так как входной импеданс схемы определяется резисторами R1 и R2. Дифференциальные усилители обычно используются для усиления разницы напряжений входных сигналов и исключения синфазной составляющей. Синфазное напряжение дифференциального усилителя равно общему напряжению, приложенному к обоим входам. Эффективность подавления синфазной составляющей характеризуется коэффициентом ослабления синфазного напряжения, или КОСС (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR). КОСС дифференциального усилителя определяется точностью используемых резисторов.

Рис. 16. Схема дифференциального усилителя на ОУ

Рис. 16. Схема дифференциального усилителя на ОУ

Рекомендуем обратить внимание:

  • следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL). Синфазное напряжение на входах ОУ не должно превышать допустимых значений;
  • входное сопротивление схемы определяется сопротивлением входных резисторов. Их значение должно быть гораздо больше, чем сопротивление источников выходных сигналов;
  • использование высокоомных резисторов может уменьшить запас по фазе и внести дополнительные помехи в схему;
  • не следует подключать емкостную нагрузку непосредственно к выходу усилителя во избежание проблем с устойчивостью;
  • малосигнальную полосу пропускания можно определить по коэффициенту усиления шума (NG) (или неинвертирующему коэффициенту усиления) и произведению коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP). Дополнительная фильтрация может быть выполнена путем добавления конденсаторов параллельно резисторам R3 и R4. Эти конденсаторы также повышают устойчивость схемы;
  • при работе с большими сигналами полоса пропускания ограничивается скоростью нарастания ОУ. Чтобы минимизировать вносимые искажения, следует изучить график зависимости скорости нарастания от частоты, приведенный в документации;
  • для получения дополнительной информации о линейном рабочем диапазоне ОУ, стабильности, искажениях, емкостной нагрузке, управлении АЦП и пропускной способности читайте раздел «Рекомендации».

Порядок расчета

Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется по формуле 1:

Если R1 = R2 и R3 = R4, то формула для VO значительно упрощается (формула 2):

  • Выбираем значения сопротивлений R1 и R2. Выбор необходимо делать с учетом импеданса источников входных сигналов, так как это влияет на величину коэффициента шумового усиления. Пусть R1 = R2 = 10 кОм.
  • Рассчитываем коэффициент усиления (формула 3):
  • Рассчитываем сопротивления резисторов R3 и R4 (формула 4):
  • Рассчитываем допустимую погрешность резисторов для достижения минимального значения коэффициента подавления синфазного сигнала CCMR. Для минимального CMRR (худший случай) α = 4. Однако для типового значения CMRR α = 0,33 (формула 5).
  • Для наглядности в таблице 14 представлены расчетные значения погрешностей резисторов и значений CMRR для G = 1 и G = 2. Как видно, при увеличении коэффициента усиления CMRR также возрастает.

Таблица 14. Расчет CMRR и допустимых погрешностей резисторов

Погрешность CMRR, дБ
G = 1 мин. G = 1 тип. G = 2 мин. G = 2 тип.
0,01% = 0,0001 74 95,6 77,5 99,2
0,1% = 0,001 54 75,6 57,5 79,2
0,5% = 0,005 40 61,6 43,5 65,2
1% = 0,01 34 55,6 37,5 59,2
5% = 0,05 20 41,6 23,5 45,2

Моделирование схемы

На рисунке 17 изображено моделирование в режиме постоянных токов (DC-анализ).

Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения Vidiff

Рис. 17. Зависимость выходного напряжения ОУ от входного дифференциального напряжения Vidiff

Результаты моделирования CMRR показаны на рисунке 18.

Рис. 18. Частотная зависимость CMRR

Рис. 18. Частотная зависимость CMRR

Рекомендации

Для получения дополнительной информации о параметрах ОУ следует обратиться к TI Precision Labs.

Для получения дополнительной информации о CMRR дифференциальных усилителей следует обратиться к Overlooking the obvious: the input impedance of a difference amplifier.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 15.

Таблица 15. Параметры ОУ, используемого в расчете

TLV6001
Vss, В 1,8…5,5
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos, мкВ 750
Iq, мкА 75
Ib, пА 1
UGBW, МГц 1
SR, В/мкс 0,5
Число каналов 1, 2, 4

В качестве альтернативного может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 16.

Таблица 16. Параметры альтернативного ОУ

OPA320
Vss, В 1,8…5,5
VinCM Rail-to-Rail
Vout Rail-to-rail
Vos, мкВ 40
Iq, мА 1,5
Ib, пА 0,2
UGBW, МГц 20
SR, В/мкс 10
Число каналов 1, 2

Список ранее опубликованных глав

  1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
  2. Инвертирующий усилитель
  3. Неинвертирующий усилитель
  4. Инвертирующий сумматор

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник