dr Dejan S. Aleksid Elektronika Diferencijalni pojačavač Prirodno-matematički fakultet u Nišu Departman za fiziku
dr Dejan S. Aleksid Elektronika
Diferencijalni pojačavač
Prirodno-matematički fakultet u Nišu Departman za fiziku
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Diferencijalni pojačavač je linearni elektronski sklop namenjen pojačavanju razlike dva signala.
• Može se realizovati na različite načine, a široku primenu nalazi kao ulazni stepen složenih monolitnih integrisanih kola.
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Pretpostavidemo da su grane diferencijalnog pojačavača simetrične tj. da su tranzistori T1 i T2 identičnih karakteristika.
• Otpori RB služe za dovođenje jednosmerne struje u baze tranzistora, čime se osigurava rad tranzistora u normalnom režimu.
• Pojačavač ima dva ulaza na bazama B1 i B2 i dva izlaza na kolektorima C1 i C2.
• Emiteri su spojeni u zajedničku tačku E u kojoj deluje izvor konstantne struje Io.
• On se može u realnim kolima realizovati na više načina o čemu de biti reči kasnije.
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Kada na ulazima pojačavača nisu prisutni signali, struja Io se, zbog simetričnosti pojačala, podjednako deli na oba tranzistora.
• Ako je faktor strujnog pojačanja β tranzistora T1 i T2 puno vedi od jedinice onda je:
• Jednosmerni potencijal tačke E je UE i iznosi:
• Uz zanemarivanje iverzne struje zasidenja kolektorskog spoja struja baze iznosi:
)1(2
0III EC
)2(BBBECCE RIUUU
)3(2
oCB
III
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Iz (2) i (3) sledi:
• A pomodu (1) i (4) dobija se:
• Izlazima pojačavača u tačkama C1 i C2 odgovaraju potencijali:
• Naponska razlika između izlaznih priključaka jednaka je nuli i pojačavač se nalazi u stanju ravnoteže.
)6(2
021
PCCCC
RIUUU
)4(2
0IR
UUU BBECCE
)5(2
0IR
RUU
URIUU
PB
BECE
EPCCCCE
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Šta de se dogoditi ako se na ulaze B1 i B2 dovedu signali iste faze i amplitude (Uul1=Uul2)?
• Pošto su grane pojačala simetrične, signali iste faze na ulazima ne mogu poremetiti stanje ravnoteže.
• Struja I0 i dalje de se podjednako deliti na obe grane a naponi UP1 i UP2 na izlazima bide međusobno jednaki.
• Ako se priključe signali istih amplituda ali suprotne faze (Uul1=-Uul2), dodi de do narušavanja stanja ravnoteže.
• Struja emitera jednog tranzistora de porasti za određeni iznos, dok de se struja emitera drugog tranzistora smanjiti za isti iznos jer suma struja emitera tranzistora T1 i T2 mora biti jednaka I0.
• Posledica su različiti iznosi struja kolektora i različiti iznosi napona UP1 i UP2, čime je ravnoteža pojačavača narušena.
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Da bi kolo na slici radilo, tranzistori T1 i T2 moraju imati statičku radnu tačku lociranu u normalnom aktivnom području.
• Napon UCE mora biti pozitivan i vedi od UBE.
• Na osnovu relacije (5) taj uslov de biti ispunjen ako je
• Da bi se postiglo potrebno naponsko pojačanje, otpor RP mora imati iznos od nekoliko kΩ.
• Faktor strujnog pojačanja β ima tipičan iznos reda veličine 100, te otpor RB prema relaciji (7) iznosi nekoliko stotina kΩ.
• Ovo je mogude realizovati u diskretnoj i hibridnoj tehnici ali ne i u monolitnoj tehnici.
• U tom slučaju se realizuje kolo bez otpornika u kolu baze tranzistora.
)7(PB RR
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Ako analiziramo dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača prikazanog na slici kod koga je strujni izvor u krugu emitera tranzistora T1 i T2 simuliran otporom RE spojenim na izvor jednosmernog napona UEE.
• Ako zamenimo uprošdeni model tranzistora za naizmenični signal dobidemo slededu sliku.
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Odredidemo izlazne napone UP1 i UP2 na kolektorima C1 i C2 kao funkcije ulaznih napona Uul1 i Uul2.
• Iz ulaznih krugova tranzistora T1 i T2 sa slike sedi:
• Izlazni naponi Up1 i Up2 iznose:
• Eliminacijom struja Ib1 i Ib2 iz relacija 8-11 dobija se:
)9())(1(
)8())(1(
21211122
21211111
Ebbbul
Ebbbul
RIIhhIU
RIIhhIU
2111, hhhh feie
)11(2
)10(
212
1211
IRhU
IRhU
Pp
bPp
)13()1)((
)12()1)((
21121122
11121211
ulEululp
ulEululp
UhRhUUGU
UhRhUUGU
)14(
)1(2 211111
11
E
p
Rhhh
RhG
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Napon Uiz definisan razlikom napona Up1 i Up2 iznosi:
• Napon Uiz zavisi samo od razlike ulaznih napona.
)15()( 2111
2121 ulul
pppiz UU
h
RhUUU
2111, hhhh feie
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Ako se na ulazne priključke diferencijalnog pojačavača dovede signali jednakih amplituda i iste faze, izlazni naponi Up1 i Up2 iznose:
0
)17()1(2
)16()1(2
21
22111
212112
12111
211111
21
ppiz
ulE
pulp
ulE
pulp
ulul
UUU
URhh
RhUGhU
URhh
RhUGhU
UU
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Ako se na ulazne priključke diferencijalnog pojačavača dovede signali jednakih amplituda ali suprotne faze, izlazni naponi Up1 i Up2 iznose:
)20(2
)19(
)18(
111
2121
11
2121
211
212
111
211
21
ulp
ululp
ppiz
ulp
p
ulp
p
ulul
Uh
RhUU
h
RhUUU
Uh
RhU
Uh
RhU
UU
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Definisademo pojačanje signala iste faze odnosom napona na kolektoru i napona na bazi istog tranzistora kada je Uul1=Uul2.
• Za tranzistor T1 i T2 :
• Pojačanje signala iste faze zove se zajedničko pojačanje.
• Relacija 21 i 22 pokazuju da su zajednička pojačanja za oba tranzistora ista. Ako se taj izraz uporedi sa izrazom za naponsko pojačanje pojačavača u spoju sa ZE sa emiterskom degeneracijom, može se uočiti da su ti izrazi u sustini isti.
• Jedina razlika je ta što je član (1+h21) RE zamenjen je članom 2 (1+h21) RE tj. (1+h21) 2RE .
)22()1(2
)21()1(2
2111
21
2
22
2111
21
1
11
E
p
ul
pz
E
p
ul
pz
Rhh
Rh
U
UA
Rhh
Rh
U
UA
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Definisademo pojačanje signala suprotne faze odnosom napona na kolektoru i razlike ulaznih napona Ud=Uul1-Uul2 kada je Uul1=-Uul2.
• Za tranzistor T1 i T2 :
• Diferencijalna pojačanja za oba tranzistora su istog apsolutnog iznosa.
• U ovom slučaju emiterski otpor RE ne deluje na iznos pojačanja jer signali suprotnih faza na bazama B1 i B2 gererišu jednake struje suprotnog smera kroz RE, te je naizmenični pad napona na tom otprou jednak nuli.
• Drugim rečima tačka E je uzemljena za signale suprotnih faza i obe grane diferencijalnog pojačavača rade kao normalna kola u spoju ZE bez emiterske degeneracije.
)24(22
)23(22
11
21
1
2
21
222
11
21
1
1
21
111
h
Rh
U
U
UU
U
U
UA
h
Rh
U
U
UU
U
U
UA
p
ul
p
ulul
p
d
pd
p
ul
p
ulul
p
d
pd
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Da bi kolo sa prethodne slike radilo kao dobar diferencijalni pojačavač, mora se obezbediti što vede diferencijalno pojačanje i što manje zajedničko pojačanje.
• Veličina koja vrednuje ovo svojstvo realnog diferencijalnog pojačavača zove se faktor potiskivanja.
• On se definiše ako apsolutan iznos odnosa diferencijalnog i zajedničkog pojačanja.
• Ovaj faktor se može računati i meriti na obe grane diferencijalnog pojačavača. Iz relacije za diferencijalno i zajedničko pojačanje sledi da obe grane imaju isti faktor potiskivanja koji je određen slededom relacijom:
)25(z
d
A
Ajapotiskivanfaktor
)26(12
1
1121
2
2
1
1
h
Rh
A
A
A
A E
z
d
z
d
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Da bi se dobio visok iznos faktora potiskivanja, tj. Da bi se realni diferencijalni pojačavač po svojim svojstvima približio idealnim dif. Pojačavaču, potrebno je obezbediti visok odnos otpora RE u kolu emitera.
• Ovde je bitno da se zahtev za visokim iznosom otpora RE odnosi na dinamička svojstva pojačavača
• Gledano statički, otpor RE može da bude relativno nizak.
• Ako bi npr. stavimo Re=2MΩ i za jednosmernu struju kolektora ICQ=1mA dobijamo:
• Što znači da bi diferencijalni pojačavač morali da napajamo istosmernim naponom od više hiljada volti.
• Dakle, otpor RE se ne može realizovati jednostavnim povedanjem linearnog otpornika.
• Umesto linearnog otpornika treba primeniti nelinearnu komponentu koja de imati veliku dinamičku otpornost i relativno nisku statičku otpornost.
• Ovo svojstvo tipično imaju strujni izvori.
VRIU ECQE363 1041021022
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera
dr Dejan S. Aleksid Elektronika – Diferencijalni pojačavač
• Jedna moguda realizacija diferencijalnog pojačavača sa strujnim izvorom u krugu emitera prikazana je na slici.
• Strujni izvor je simuliran tranzistorom T3 koji radi u normalnom aktivnom režimu gde mu je zbog, skoro horizontalnih izlaznih statičkih karakteristika, dinamički otpor puno vedi od jednosmernog.
• Otpori R1, R2 i R3 osiguravaju odgovarajudi položaj statičke radne tačke.
• Diode D1 i D2 omogudavju kompenzaciju temperaturnog koeficijenta napona spoja baza-emiter tranzistora T3. Time se obezbeđuje potrebna temperaturna stabilnost struje I0
Uvod Dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača Zajedničko pojačanje Diferencijalno pojačanje Faktor potiskivanja Realizacija strujniog izvora u kolu emitera