Wzmacniacz różnicowy |
druk
powrót |
Literatura |
1. Barbara Pióro, Marek Pióro "Podstawy elektroniki" 2. Leszek Grabowski "Pracownia elektroniczna - układy elektroniczne" 3. Augustyn Chwaleba, Bogdan Moeschke, Grzegorz Płoszajski "Elektronika" |
Wprowadzenie |
Wzmacniacze prądu stałego są układami dolnoprzepustowymi, które służą do wzmacniania sygnałów w określonym paśmie częstotliwości w tym również sygnałów wielozmiennych i stałych. Wzmacniacz prądu stałego powinien wzmacniać tylko sygnał użyteczny zaś tłumić sygnały szkodliwe. Bardzo ważne jest więc zapewnienie stałości warunków pracy i zmniejszenie do minimum sygnałów szkodliwych.
Identyczność elementów i warunków ich pracy łatwo jest spełnić w układach scalonych. Elementy scalone wykonane w jednej płytce półprzewodnikowej, w jednym procesie technologicznym, umieszczone w pobliżu siebie odznaczają się dobrą powtarzalnością parametrów i dobrym sprzężeniem termicznym, więc zmiany temperaturowe ich parametrów kompensują się i nie mają wpływu na właściwości wzmacniacza. Od wzmacniaczy prądu stałego wymaga się również by na zaciskach wejściowych i wyjściowych przy braku pobudzenia napięcie stałe względem masy było równe zero.
Podstawowy układ wzmacniacza różnicowego zbudowanego na tranzystorach bipolarnych: budowa |
Rys. 1. a) Wzmacniacz różnicowy - schemat zasadniczy
.IC1 + IC2 = I0
Źródło powinno charakteryzować się dużą rezystancją wewnętrzną dynamiczną, dzięki czemu maleją wejściowe prądy polaryzacji( średnia prądów wejściowych I = (Iwe1 + Iwe2)/2 ) oraz prądy niezrównoważenia .
Zasada działania, charakterystyka przejściowa i robocza wzmacniacza różnicowego |
UB1
– napięcie bazy tranzystora T1
UB2 – napięcie bazy tranzystora T2
Wzmacniacz różnicowy może być
sterowany z dwóch źródeł, które dołącza się do baz obu tranzystorów
– sterowanie symetryczne albo z jednego źródła sterowanie asymetryczne. W
tym przypadku źródło sygnału dołącza się do bazy jednego z tranzystorów
a bazę drugiego zwiera się do masy. Wyjście układu może być symetryczne
z kolektorów obu tranzystorów, albo asymetryczne między kolektorem jednego
z tranzystorów a masą.
Układ umożliwia więc asymetryczne lub symetryczne WE i WY w dowolnych
kombinacjach. Przy stosowaniu każdej z tych kombinacji uzyskuje się różne
parametry.
Rys. 1 b) Zależność prądu kolektorów od napięcia wejściowego.
Rys.
1 c) Zależność napięcia kolektorów od napięcia wejściowego, przy zwartej
bazie
Usat – napięcie wejściowe w
układzie ze źródłem prądowym przy którym tranzystor T1
wchodzi w stan nasycenia.
UsatR – napięcie wejściowe z
rezystorem, przy którym tranzystor T1 wchodzi w stan nasycenia.
Zmiany wartości prądów Icl,
Ic2 w funkcji
napięcia wejściowego zilustrowano na Rys.3.
W tabeli 1 zestawiono przykładowe wartości prądów ICl oraz IC2 w zależności od różnicy napięć wejściowych, przy założeniu
że I0 = 2 mA.
Przyjmuje się, że wzmacniacz różnicowy pracuje w zakresie liniowym, jeżeli
zmiany napięcia wejściowego nie przekraczają wartości
±
2 UT
(
±50 mV).
Z powyższego rysunku i tabeli wynika, że oba tranzystory pracują wstanie
aktywnym tylko przy niewielkiej wartości różnicy napięć wejściowych
Gdy
różnica ta jest większa, wówczas prąd źródła płynie praktycznie tylko
przez jeden z tranzystorów.
Sprawdźmy, co będzie się działo w układzie, gdy
Przyjmijmy
niewielką ujemną wartość napięcia UB1,
równą - 2 V i UB2 = 0 V. Tranzystor T 1
jest zatkany, nie płynie przez niego prąd. Zatem kolektor tranzystora T
1 jest dołączony do źródła napięcia zasilania przez
rezystor RC
. Napięcie :
UC1 = UCC
W związku z tym przez tranzystor T 2 płynie cały prąd źródła - tranzystor tej pracuje w stanie aktywnym. Napięcie
UC2 = UCC
– I0RC
Taka sytuacja utrzymuje się dopóty, dopóki napięcie
UBl
nie osiągnie wartości -130 mV (patrz tab.1). Wówczas tranzystor T
1 zaczyna pracować
aktywnie i płynie przez niego prąd IC1.
W tym czasie przez tranzystor T 2
płynie prąd (mniejszy od prądu źródła)
IC2 = I0
– IC1
Napięcia kolektorów tranzystorów wynoszą odpowiednio
UCl =
UCC - IC1 RC
UCl
= UCC –
ICC RC
Prąd płynie przez oba tranzystory do chwili, gdy różnica napięć wejściowych UBl - UBl osiągnie wartość +130mV. Po jej przekroczeniu tranzystor Tl jest zatkany i całkowity prąd (źródła) płynie przez tranzystor T 1. Napięcia kolektorów obu tranzystorów wynoszą odpowiednio :
UC2 = UCC
UCl = UCC
– I0 RC
Dalszy wzrost napięcia UBl i różnicy napięć wejściowych powoduje zmianę wartości napięcia UCEl (maleje). Natomiast wartości napięć UCl i UC2 niech będą ulegały zmianie, ponieważ tranzystor T 1 pracuje aktywnie i płynie przez niego prąd źródła. Napięcie UCE1 będzie malało dopóty, dopóki tranzystor T 1 nie wejdzie w stan nasycenia. Nastąpi to wówczas, gdy napięcie:
UBl = Usat
= UCC – I0
RC + UBCP
Dalszy wzrost napięcia UB1 powoduje liniowy wzrost napięcia UC1, ponieważ złącze kolektor-baza reprezentuje sobą źródło napięciowe o wartości UBCP , stąd
UC1 = UB1 - UBCP ,
co zilustrowano na Rys.1c)
(linia ciągła o nachyleniu 1 V/V).
Wzrost napięcia UC1 powoduje zmniejszenie prądu płynącego przez kolektor
tranzystora T 1 , czyliIC1
= (UCC – UC1)
/ RC
a to z kolei powoduje wzrost prądu wejściowego
IB1
= I0 – IC1
Napięcie UCl narasta liniowo ze wzrostem wartości napięcia UB1 zgodnie z zależnością
UCl
= UBl -
UBCP
Zamiast źródła prądowego można zastosować
rezystor RE,
który jest zasilany ze źródła o ujemnej wartości ( -UCC).
W III zakresie pracy wzmacniacza zmienia się charakterystyka przejściowa
(Rys.1c) linia przerywana) oraz wartość napięcia Usat.
W chwili gdy zatyka się tranzystor T
2, napięcie UCl maleje, zgodnie z poniższą zależnością ponieważ zwiększa
się wartość prądu I0.
UC1 = UCC
– (UB1 – UBEP – UCC)*(RC/RE)
UBEP – napięcie nasycenia złącza baza emiter.
Maleje ono do chwili nasycenia tranzystora T1 (w tym czasie działanie wzmacniacza różnicowego jest takie samo jak działanie wzmacniacza tranzystorowego tranzystorowego o konfiguracji OE). Nasycenie tranzystora następuje przy mniejszej wartości napięcia wejściowego. Dalszy wzrost napięcia wejściowego powoduje liniowe narastanie napięcia UC1 (tranzystor T1 nasycony tak samo jak przy zastosowaniu źródła prądowego).Uproszczony schemat zastępczy wzmacniacza różnicowego i analiza małosygnałowa WR |
W oparciu o uproszczony małosygnałowy
schemat zastępczy WR przedstawiony na rysunku przeprowadzimy analizę małosygnałową
WR. W schemacie tym założono nieznaczną asymetrię
tranzystorów oraz przyjęto uproszczenia: rbb’ = 0, gce
= 0. Ponadto założono, że wzmocnienia prądowe tranzystorów są duże ( b0 >>1).
Rys. 2 Uproszczony schemat zastępczy wzmacniacza różnicowego
.
(1)
Ponieważ:
gdzie α -zwarciowe wzmocnienie prądowe w konfiguracji OB
β
- zwarciowe wzmocnienie prądowe w konfiguracji OE, współczynnik sprzężenia
zwrotnego
to równanie (1) upraszcza się do postaci:
(2)
Równania Kirchhoffa dla obwodu wejściowego, po uwzględnieniu zależności (2), mają postać:
(3a)
(3b)
Z układu równań (3) możemy wyznaczyć napięcie Ub'e1 i Ub'e2 jako funkcje napięć U1 i U2, co pozwala na wyznaczenie napięć wyjściowych
(4a)
(4b)
(5)
(6)
Przeanalizujmy dwa szczególne przypadki sterowania: różnicowego i sumacyjnego
Rys. 3 Układ
zastępczy wzmacniacza różnicowego
a) półobwód dla sygnału różnicowego
b) półobwód dla sygnału sumacyjnego
Rys.3.a) Sterowanie różnicowe
Przy
sterowaniu różnicowym napięcie sumacyjne Uis= 0, zaś U1=-U2=Uśr/2.
Wzmocnienie różnicowe kur, wyrażające
stosunek składowej różnicowej napięcia wyjściowego do wejściowego napięcia
różnicowego, wynosi
(7)
Wzmocnienie kus-r ,wyrażające stosunek składowej sumacyjnej napięcia wyjściowego do wejściowego napięcia różnicowego, wynosi
(8)
Przy pełnej symetrii układu, gdy gm=gm2=gm , wyrażenia (7) i (8) upraszczają się do bardzo prostych postaci
Przypomne, że
gdzie - φT=kT/q - potencjał termiczny elektronu
Wzmocnienie dla wyjść niesymetrycznych, przy sterowaniu różnicowym, są dwukrotnie mniejsze i przy pełnej symetrii układu wynoszą
Rys.3.b) Sterowanie sumacyjne
Przy sterowaniu sumacyjnym U1=U2=Uis (Uir=0). Wzmocnienie sumacyjne kus, wyrażające stosunek składowej sumacyjnej napięcia wyjściowego do wejściowego napięcia sumacyjnego, określa zależność
(9)
Wzmocnienie kur-s, wyrażające stosunek składowej różnicowej napięcia wyjściowego do wejściowego napięcia sumacyjnego, wynosi
(10)
Dla układu symetrycznego zależność (9) i (10) przekształcają się do bardzo prostych postaci
Miarą stopnia symetrii wzmacniacza różnicowego i jego zdolności do
eliminowania składowych sumacyjnych na wyjściu jest tzw. współczynnikiem
tłumienia sygnału sumacyjnego (wspólnego) CMRR (ang. Common Mode
Rejection Ratio). Współczynnik CMRR definiuje się jako stosunek
wzmocnienia sygnałów różnicowych do wzmocnienia sygnałów sumacyjnych
Dla symetrycznego wyjścia różnicowego
(11)
Na podstawie wzorów (7), (10) i (11) otrzymujemy
(12)
Przy pełnej symetrii układu (gm1+ gm2)
CMRR → ∞.
Dla wyjścia niesymetrycznego
(13)
Podstawiając (7), (9) do (13) otrzymujemy
(14)
Przy pełnej symetrii układu wzór (7) upraszcza się do postaci
(15)
Aby uzyskać dużą wartość CMRR, konieczne jest zachowanie symetrii układu i
zasilanie wzmacniacza aktywnym źródłem prądowym o dużej rezystancji
dynamicznej. Duża wartość współczynnika CMRR jest potrzebna głównie w
celu eliminacji sygnałów zakłócających, które zwykle mają charakter napięć
niesymetrycznych względem masy.
Dalsze parametry wzmacniacza zostaną określone dla układu
symetrycznego.
Różnicowa rezystancja wejściowa jest definiowana jako
stosunek małosygnałowego różnicowego napięcia wejściowego do małosygnałowego
prądu wejściowego, przy założeniu, że napięcie sumacyjne U1=
0.
Ze schematu zastępczego na rys.2 otrzymujemy
Rezystancja wejściowa dla sygnału sumacyjnego
Na podstawie schematu zastępczego z rys.2 otrzymujemy
Rezystancja wyjściowa dla każdego z wyjść niesymetrycznych jest praktycznie równa rezystancji RC.
Wzmacniacz różnicowy o regulowanym wzmocnieniu |
Rys. 4 Wzmacniacz różnicowy o regulowanym wzmocnieniu.
Gdy w doprowadzeniach emiterów tranzystorów Tl i T2 umieścimy dodatkowo po jednym rezystorze, to uzyskamy jeszcze lepszą symetrię mostka i szerszy zakres wysterowania.
Wejściowe napięcie niezrównoważenia |
Uwe
n = Uwe1 – Uwe2
Napięcie niezrównoważenia zmienia się pod wpływem zmian temperatury, zmian napięć zasilających i upływu czasu. Wpływ temperatury na sygnały niezrównoważenia ocenia się za pomocą dryfów temperaturowych napięcia podawanych w ( mV/K ).
Wpływ wielkości prądu źródła, rezystancji wyjściowej tego źródła i rezystancji obciążenia na parametry wzmacniacza różnicowego |
Przy budowie wzmacniaczy różnicowych dąży się
do uzyskania dużego wzmocnienia różnicowego kur, dużego współczynnika
tłumienia sygnału sumacyjnego HS,
dużej rezystancji wejściowej oraz małych sygnałów niezrównoważenia
i ich dryfów. Z analizy podanych zależności wynika, że poprawa parametrów
wzmacniacza wymaga zwiększenia: współczynnika wzmocnienia prądowego
tranzystorów b0 , rezystancji RE i rezystancji RC. Wartość współczynnika b0 można efektywnie zwiększyć stosując zamiast
jednego tranzystora kilka tranzystorów w okładzie Darlingtona
nazywanym też układem superalfa.
Układ taki może służyć do odejmowania lub wzajemnej kompensacji dwóch napięć.
Rys. 5
a) Schemat układu Darlingtona
W układzie Darlingtona tranzystory łączy się w taki sposób, że prąd
emitera pierwszego tranzystora jest prądem bazy tranzystora drugiego itd.
Kolektory wszystkich tranzystorów są ze sobą połączone. Jeżeli współczynnik
wzmocnienia prądowego pierwszego tranzystora wynosi b01,
b02, to wypadkowy współczynnik
wzmocnienia prądowego układu
Rys. 5
b) Schemat wzmacniacza różnicowego z układem Darlingtona
Podobne ograniczenia dotyczą doboru wartości rezystorów RC. Również te rezystory zastępuje się często źródłami prądu -jest to tzw. obciążenie aktywne obwodów kolektorów przedstawia Rys. 7 c).
Rys. 5
c) Schemat wzmacniacza różnicowego z obciążeniem aktywnym
Rezystancję wejściową można także zwiększyć,
zastępując tranzystory bipolarne tranzystorami unipolarnymi. Maleją wtedy również
wejściowe prądy polaryzacji oraz niezrównoważenia. Wzrasta natomiast wejściowe
napięcie niezrównoważenia i jego dryf temperaturowy.
Zastosowanie wzmacniaczy różnicowych |
We wzmacniaczach operacyjnych stopniem wejściowym jest wzmacniacz różnicowy zoptymalizowany dla uzyskania minimalnego dryfu, dużej impedancji wejściowej oraz dużego tłumienia sygnałów sumacyjnych CMRR. Dla uzyskania dużego wzmocnienia całego układu, w różnicowym stopniu wejściowym oraz stopniu pośrednim stosuje się obciążenie aktywne. Stopień wyjściowy takiego wzmacniacza jest najczęściej symetrycznym wtórnikiem emiterowym pozwalającym na uzyskanie małej impedancji wejściowej oraz dużej wartości napięcia wyjściowego i prądu obciążenia. O wartości wzmocnienia napięciowego układu oraz o kształcie charakterystyki częstotliwościowej decydują dwa pierwsze stopnie. Jest wiele odmian wzmacniaczy operacyjnych. Przykładowy schemat ideowy wzmacniacza operacyjnego przedstawia rysunek:
Rys. 6 Schemat ideowy wzmacniacza operacyjnego µA741
Układ składa się z 3 części:
Ad.a)
Ad.b)
W drugim stopniu tranzystor T16 pracuje w
konfiguracji OC zapewniając dużą rezystancję wejściową tego stopnia.
Stopień ten zapewnia duże wzmocnienie dzięki zastosowaniu wzmocnienia
aktywnego w obwodzie kolektora tranzystora T17 a ponadto przesuwa
poziom napięcia stałego.
Ad.c)
stopień wyjściowy z tranzystorami T14 i T20
zapewnia małą rezystancję wyjściową i przepływ stosunkowo dużego prądu
obciążenia.
Wzmacniacze różnicowe stanowią podstawę większości produkowanych obecnie "monolitycznych" wzmacniaczy operacyjnych. Wytwarza się w postaci scalonej również zespoły tranzystorów dostosowane do pracy w układzie różnicowym. Np.: układy scalone RCA: CA 3054 - podwójny wzmacniacz różnicowy ze źródłami prądu i CA 3046 - wzmacniacz różnicowy z trzema niezależnymi tranzystorami. Ich odpowiednikami krajowymi są układy UL 1101N i UL 1111N. Cechą charakterystyczną tych układów jest dość duża częstotliwość graniczna tranzystorów (fT=500MHz) co daje możliwość pracy w szerokim zakresie częstotliwości.
Układy ECL (ze sprzężeniem zwrotnym emiterowym) są najszybszymi układami logicznymi bipolarnymi. Układy należące do rozpowszechnionej serii oznaczonej symbolem 10K mają czas propagacji, czyli czas trwania wszystkich zjawisk zachodzących przy przełączeniu bramki z opóźnieniem włącznie ok. 2ns, należące zaś do szybszej serii 100K mają czas propagacji ok. 0,75 ns. Tak małe czasy propagacji wynikają właśnie z wykorzystania jako podstawowego układy klucza różnicowego pracującego bez nasycenia się tranzystorów oraz zastosowania konstrukcji monolitycznej o zoptymalizowanych parametrach, w tym tranzystorów o bardzo dużej częstotliwości granicznej (to taka wartość częstotliwości sygnału wejściowego dla której wzmocnienie napięciowe wzmacniacza maleje względem wzmocnienia maksymalnego do poziomu 0,707 swej wartości maksymalnej, a wzmocnienie mocy do połowy). Np.: W układach serii 100K pojemności rozproszone są mniejsze niż 0,2pF, a tranzystory mają częstotliwości fT większe niż 5GHz.