Mạch khuếch đại vi sai là gì

Bộ khuếch đại vi sai

Hầu hết các bộ khuếch đại hoạt động bao gồm một loạt các bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh trên một chip đơn. Các bộ khuếch đại có sẵn ngày nay là đáng tin cậy, kích thước nhỏ và tiêu thụ rất ít năng lượng.

Giai đoạn đầu vào của hầu hết các op-amps là Dkhuếch đại hiệu quả như thể hiện ở dạng đơn giản nhất của nó trong Hình 1.

Hình 1 - Bộ khuếch đại vi sai

Bộ khuếch đại vi sai bao gồm hai bộ phát chung kết hợp bộ phát dc bộ khuếch đại. Nó có hai đầu vào, v1 và v2và ba đầu ra, vo1, vo2 và vra. Đầu ra thứ ba, vra, là sự khác biệt giữa vo1 và vo2.

Bộ khuếch đại vi sai không hoạt động tuyến tính với đầu vào tín hiệu lớn. Để đơn giản hóa việc phân tích, chúng tôi giả định rằng RE là lớn, điện trở cơ sở của mỗi bóng bán dẫn là không đáng kể và điện trở đầu ra của mỗi bóng bán dẫn là lớn. Lưu ý rằng chúng tôi sử dụng REE thay vì RE trong bộ khuếch đại vi sai vì điện trở được sử dụng ở đây lớn và có thể là điện trở tương đương của nguồn hiện tại. Giá trị lớn của REE giữ cho điện áp bộ phát giảm gần như không đổi.
Bây giờ chúng ta giải quyết mạch này cho điện áp đầu ra. Chúng ta bắt đầu bằng cách viết một phương trình KVL xung quanh vòng lặp cơ sở cho mạch của Hình 1.

[1]

[2]

Chúng ta cần tìm biểu thức cho các dòng collector, iC1 và iC2. Các điện áp phát cơ sở được đưa ra bởi phương trình,

Trong phương trình [2] Io1 và Io2 là các dòng bão hòa ngược cho Q1 và Q2 tương ứng. Các bóng bán dẫn được giả định là giống hệt nhau. Kết hợp các phương trình [1] và [2]

[3]

Giải phương trình [3] cho tỷ lệ hiện tại, chúng tôi thấy,

[4]

Chúng ta có thể giả định iC1 xấp xỉ bằng iE1 và iC2 xấp xỉ bằng iE2. vì thế

[5]

Kết hợp các phương trình [4] và [5], chúng ta có

[6]

Lưu ý rằng

[7]

Một quan sát quan trọng có thể được thực hiện bằng cách xem Công thức [6]. Nếu v1 – v2 trở nên lớn hơn vài trăm millivolt, dòng collector trong bóng bán dẫn 2 trở nên nhỏ và bóng bán dẫn về cơ bản bị cắt. Dòng thu trong bóng bán dẫn 1 xấp xỉ bằng iEEvà bóng bán dẫn này đã bão hòa. Các dòng collector, và do đó điện áp đầu ra vra, trở nên độc lập với sự khác biệt giữa hai điện áp đầu vào.

Khuếch đại tuyến tính chỉ xảy ra đối với chênh lệch điện áp đầu vào nhỏ hơn khoảng 100 mV. Để tăng phạm vi tuyến tính của điện áp đầu vào, có thể thêm các điện trở bộ phát nhỏ.

Bộ khuếch đại vi sai chỉ nhằm đáp ứng sự khác biệt giữa hai điện áp đầu vào, v1 và v2. Tuy nhiên, trong một op-amp thực tế, đầu ra phụ thuộc vào một mức độ nào đó trên tổng của các đầu vào này. Ví dụ, nếu cả hai đầu vào đều bằng nhau, điện áp đầu ra lý tưởng là bằng 0, nhưng trong một bộ khuếch đại thực tế thì không. Chúng tôi dán nhãn trường hợp khi mạch phản ứng với sự khác biệt là chế độ vi sai. Nếu hai đầu vào được làm bằng nhau, chúng ta nói mạch nằm trong chế độ thông thường. Lý tưởng nhất là chúng ta mong đợi mạch chỉ tạo ra một đầu ra ở chế độ vi sai.

Bất kỳ hai điện áp đầu vào, v1 và v2, có thể được giải quyết thành một phần chung và một phần khác biệt. Chúng tôi xác định hai điện áp đầu vào mới như sau:

[8]

Điện áp, vdi, là điện áp đầu vào chế độ vi sai và nó chỉ đơn giản là sự khác biệt giữa hai điện áp đầu vào. Điện áp, vci, là điện áp đầu vào chế độ chung, và nó là trung bình của hai điện áp đầu vào. Các điện áp đầu vào ban đầu có thể được biểu thị theo các đại lượng mới này như sau:

[9]

Nếu chúng ta đặt hai điện áp đầu vào bằng nhau, chúng ta có

[10]

Vì hai đầu vào bằng nhau, nên điện áp tiếp giáp cơ sở phát ra bằng nhau [nếu các bóng bán dẫn giống hệt nhau]. Do đó, các dòng thu cũng phải giống hệt nhau.

Hình 2 [a] Mạch tương đương bộ khuếch đại chế độ vi sai

Bây giờ chúng ta xem mạch tương đương cho điện áp đầu vào chế độ vi sai như trong hình 2 [a]. Lưu ý rằng như hiện tại trong Q1 mạch tăng, dòng điện trong Q2 mạch giảm cùng tốc độ và biên độ. Điều này đúng vì đầu vào Q2 bằng với Q1 nhưng 180o ngoài giai đoạn. Do đó, điện áp thay đổi trên REE bằng không. Kể từ khi ac điện áp tín hiệu trên REE bằng không, nó có thể được thay thế bằng một mạch ngắn trong ac mạch tương đương. Lưu ý rằng việc đặt điện áp ở mỗi đế bán dẫn có biên độ bằng nhau nhưng 180o lệch pha tương đương với việc đặt một điện áp giữa hai cơ sở bóng bán dẫn có biên độ gấp đôi. Các điện áp tại vo1 và vo2 có biên độ bằng nhau nhưng ngược pha và khuếch đại chế độ vi sai là

[11]

Độ lợi chế độ vi sai này được xác định tại đầu ra đơn kể từ khi nó được thực hiện giữa một người thu gom và mặt đất. Nếu đầu ra được lấy giữa vo1 và vo2, mức tăng chế độ vi sai được gọi là đầu ra hai đầu và được đưa ra bởi

[12]

Một phân tích tương tự có thể được áp dụng cho mạch tương đương chế độ chung trong Hình 2 [b].

Hình 2 [b] Mạch tương đương bộ khuếch đại chế độ chung

Nếu chúng ta chia điện trở REE thành hai điện trở song song mỗi điện trở có điện trở ban đầu gấp đôi, chúng ta có thể tìm ra đầu ra bằng cách chỉ phân tích một nửa mạch. Do các bóng bán dẫn giống hệt nhau và các điện áp đầu vào chế độ chung là bằng nhau và cùng pha, nên các điện áp trên 2REE điện trở là như nhau. Do đó, dòng điện giữa hai điện trở song song hiển thị là 0 và chúng ta chỉ cần nhìn vào một phía của mạch. Mức tăng điện áp ở chế độ chung là sau đó

[13]

Giả sử phương trình [13] REE lớn và rere [tức là, 1.25 kΩ >> 26 / 0.57 Ω], thì từ Công thức [31] chúng ta có

CMRR được đưa ra bởi

ỨNG DỤNG

Ngoài ra, bạn có thể thực hiện các tính toán này với trình mô phỏng mạch TINA hoặc TINACloud, sử dụng công cụ Phiên dịch của họ bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

2- Mô phỏng mạch khuếch đại vi sai

Thiết kế mạch để đạt được các điều kiện như được chỉ định trong Hình 6 để xoay điện áp đầu ra tối đa. Năm bóng bán dẫn, Q1 đến Q5, mỗi cái có β = 100 trong khi Q6 có một β của 200. VBE là 0.6 V cho tất cả các bóng bán dẫn, VT = 26 mV và VA = 80 V. Giả sử tất cả các bóng bán dẫn là giống hệt nhau.

Mục đích,

[A] RC, R1và CMRR.

[b] Điện áp đầu ra chế độ chung.

[c] Điện áp đầu ra chế độ vi sai.

[d] Chế độ vi sai đầu vào Vôn vdi cho đầu ra tối đa.

Hình 6 - Bộ khuếch đại vi sai cho ví dụ 3

Giải pháp: Chúng ta sẽ xử lý mạch trong ba phần:

• KHAI THÁC. Bộ khuếch đại Darlington.

• KHAI THÁC. Bộ khuếch đại vi sai

• KHAI THÁC. Nguồn hiện tại đơn giản

Bây giờ cho toàn bộ hệ thống, chúng tôi có

Đầu vào vi sai vdi cần thiết để tạo ra điện áp đầu ra không bị biến dạng tối đa là

Ngoài ra, bạn có thể thực hiện các tính toán này với trình mô phỏng mạch TINA hoặc TINACloud, sử dụng công cụ Phiên dịch của họ bằng cách nhấp vào liên kết bên dưới.

3- Mô phỏng mạch khuếch đại vi sai