Diferencijalni pojačavač Prirodno-matematički fakultet u Nišu Departman za fiziku dr Dejan S. Aleksid lektronika
vod Diferencijalni pojačavač je linearni elektronski sklop namenjen pojačavanju razlike dva signala. Može se realizovati na različite načine, a široku primenu nalazi kao ulazni stepen složeni monolitni integrisani kola.
vod Pretpostavidemo da su grane diferencijalnog pojačavača simetrične tj. da su tranzistori T 1 i T 2 identični karakteristika. Otpori B služe za dovođenje jednosmerne struje u baze tranzistora, čime se osigurava rad tranzistora u normalnom režimu. Pojačavač ima dva ulaza na bazama B 1 i B 2 i dva izlaza na kolektorima C 1 i C 2. miteri su spojeni u zajedničku tačku u kojoj deluje izvor konstantne struje I o. On se može u realnim kolima realizovati na više načina o čemu de biti reči kasnije.
vod Kada na ulazima pojačavača nisu prisutni signali, struja I o 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: I I 0 C I (1) 2 Jednosmerni potencijal tačke je i iznosi: I (2) CC B z zanemarivanje iverzne struje zasidenja kolektorskog spoja struja baze iznosi: IC Io I B (3) 2 B B
vod Iz (2) i (3) sledi: A pomodu (1) i (4) dobija se: C C Izlazima pojačavača u tačkama C 1 i C 2 odgovaraju potencijali: C1 CC B CC C2 I C B B P CC B 2 (6) Naponska razlika između izlazni priključaka jednaka je nuli i pojačavač se nalazi u stanju ravnoteže. P I 0 2 I 0 I 0 2 P (4) (5)
vod Šta de se dogoditi ako se na ulaze B1 i B2 dovedu signali iste faze i amplitude ( = )? Pošto su grane pojačala simetrične, signali iste faze na ulazima ne mogu poremetiti stanje ravnoteže. Struja I 0 i dalje de se podjednako deliti na obe grane a naponi P1 i P2 na izlazima bide međusobno jednaki. Ako se priključe signali isti amplituda ali suprotne faze ( =- ), 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 T 1 i T 2 mora biti jednaka I 0. Posledica su različiti iznosi struja kolektora i različiti iznosi napona P1 i P2, čime je ravnoteža pojačavača narušena.
vod Da bi kolo na slici radilo, tranzistori T 1 i T 2 moraju imati statičku radnu tačku lociranu u normalnom aktivnom području. Napon C mora biti pozitivan i vedi od B. Na osnovu relacije (5) taj uslov de biti ispunjen ako je (7) B P Da bi se postiglo potrebno naponsko pojačanje, otpor P mora imati iznos od nekoliko kω. Faktor strujnog pojačanja β ima tipičan iznos reda veličine 100, te otpor B prema relaciji (7) iznosi nekoliko stotina kω. Ovo je mogude realizovati u diskretnoj i ibridnoj tenici ali ne i u monolitnoj tenici. tom slučaju se realizuje kolo bez otpornika u kolu baze tranzistora.
vod Ako analiziramo dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača prikazanog na slici kod koga je strujni izvor u krugu emitera tranzistora T 1 i T 2 simuliran otporom spojenim na izvor jednosmernog napona. Ako zamenimo uprošdeni model tranzistora za naizmenični signal dobidemo slededu sliku.
vod ie, fe p1 G G Odredidemo izlazne napone P1 i P2 na kolektorima C 1 i C 2 kao funkcije ulazni napona i. Iz ulazni krugova tranzistora T1 i T2 sa slike sedi: I (1 )( I I ) (8) I b1 b2 (1 )( I b1 b1 I Izlazni naponi p1 i iznose: I p1 P P b1 I 2 b2 b2 ) (9) liminacijom struja Ib1 i Ib2 iz relacija 8- dobija se: (10) () ( )(1 ) (12) ( )(1 ) (13) G p 2(1 ) (14)
vod Napon iz definisan razlikom napona p1 i iznosi: p iz p1 ( ) (15) Napon iz zavisi samo od razlike ulazni napona. ie, fe
vod Ako se na ulazne priključke diferencijalnog pojačavača dovede signali jednaki amplituda i iste faze, izlazni naponi p1 i iznose: p1 G G 2(1 p p 2(1 ) ) (16) (17) iz p1 0
vod Ako se na ulazne priključke diferencijalnog pojačavača dovede signali jednaki amplituda ali suprotne faze, izlazni naponi p1 i iznose: p1 p p (18) (19) iz p1 p p 2 (20)
vod Definisademo pojačanje signala iste faze odnosom napona na kolektoru i napona na bazi istog tranzistora kada je =. Za tranzistor T 1 i T 2 : p1 p Az1 () 2(1 ) A z2 2(1 Pojačanje signala iste faze zove se zajedničko pojačanje. elacija 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 Z sa emiterskom degeneracijom, može se uočiti da su ti izrazi u sustini isti. Jedina razlika je ta što je član (1+ ) zamenjen je članom 2 (1+ ) tj. (1+ ) 2. p ) (22)
vod Definisademo pojačanje signala suprotne faze odnosom napona na kolektoru i razlike ulazni napona d = - kada je =-. Za tranzistor T 1 i T 2 : p1 p1 p1 p Ad 1 (23) 2 2 A d 2 d d Diferencijalna pojačanja za oba tranzistora su istog apsolutnog iznosa. 2 ovom slučaju emiterski otpor ne deluje na iznos pojačanja jer signali suprotni faza na bazama B 1 i B 2 gererišu jednake struje suprotnog smera kroz, te je naizmenični pad napona na tom otprou jednak nuli. Drugim rečima tačka je uzemljena za signale suprotni faza i obe grane diferencijalnog pojačavača rade kao normalna kola u spoju Z bez emiterske degeneracije. 2 p (24)
vod Da bi kolo sa pretodne 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. faktor potiskivanja 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: A A d1 z1 A A d 2 z2 1 2 A A d z (25) 1 (26)
vod 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 u kolu emitera. Ovde je bitno da se zatev za visokim iznosom otpora odnosi na dinamička svojstva pojačavača Gledano statički, otpor može da bude relativno nizak. Ako bi npr. stavimo e=2mω i za jednosmernu struju kolektora I CQ =1mA dobijamo: 2I 0 0 410 CQ 3 Što znači da bi diferencijalni pojačavač morali da napajamo istosmernim naponom od više iljada volti. 6 3 V Dakle, otpor se ne može realizovati jednostavnim povedanjem linearnog otpornika. mesto linearnog otpornika treba primeniti nelinearnu komponentu koja de imati veliku dinamičku otpornost i relativno nisku statičku otpornost. Ovo svojstvo tipično imaju strujni izvori.
vod Jedna moguda realizacija diferencijalnog pojačavača sa strujnim izvorom u krugu emitera prikazana je na slici. Strujni izvor je simuliran tranzistorom T 3 koji radi u normalnom aktivnom režimu gde mu je zbog, skoro orizontalni izlazni statički karakteristika, dinamički otpor puno vedi od jednosmernog. Otpori 1, 2 i 3 osiguravaju odgovarajudi položaj statičke radne tačke. Diode D 1 i D 2 omogudavju kompenzaciju temperaturnog koeficijenta napona spoja baza-emiter tranzistora T 3. Time se obezbeđuje potrebna temperaturna stabilnost struje I 0