Дифференциальный усилитель — это тип электронного усилителя , который усиливает разницу между двумя входными напряжениями , но подавляет любое напряжение, общее для двух входов. [1] Это аналоговая схема с двумя входами и одним выходом , в которой выход идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями:
где - коэффициент усиления усилителя.
Отдельные усилители обычно реализуются либо путем добавления соответствующих резисторов обратной связи к стандартному операционному усилителю , либо с помощью специальной интегральной схемы, содержащей внутренние резисторы обратной связи. Это также распространенный подкомпонент больших интегральных схем, обрабатывающих аналоговые сигналы.
где и — входные напряжения, — дифференциальный коэффициент усиления.
Однако на практике коэффициент усиления не совсем одинаков для двух входов. Это означает, например, что если и равны, выход не будет равен нулю, как это было бы в идеальном случае. Более реалистичное выражение для выхода дифференциального усилителя, таким образом, включает второй член:
где называется коэффициентом усиления синфазного сигнала усилителя.
Поскольку дифференциальные усилители часто используются для устранения шума или напряжений смещения, которые появляются на обоих входах, обычно желательно иметь низкий коэффициент усиления синфазного сигнала.
Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR), обычно определяемый как отношение между коэффициентом усиления дифференциального режима и коэффициентом усиления синфазного сигнала, указывает на способность усилителя точно компенсировать напряжения, общие для обоих входов. Коэффициент подавления синфазного сигнала определяется как
В идеально симметричном дифференциальном усилителе равен нулю, а CMRR бесконечен. Обратите внимание, что дифференциальный усилитель — это более общая форма усилителя, чем усилитель с одним входом; заземлив один вход дифференциального усилителя, получаем однотактный усилитель.
Современные дифференциальные усилители обычно реализуются с помощью базовой двухтранзисторной схемы, называемой парой «длинного хвоста» или дифференциальной парой . Первоначально эта схема была реализована с использованием пары электронных ламп . Схема работает одинаково для всех трехконтактных устройств с усилением по току. Точки смещения схемы резистора «длинного хвоста» в значительной степени определяются законом Ома и в меньшей степени характеристиками активных компонентов.
Длиннохвостая пара была разработана на основе более ранних знаний о методах двухтактных схем и измерительных мостах. [2] Ранняя схема, очень похожая на длиннохвостую пару, была опубликована британским нейрофизиологом Брайаном Мэтьюзом в 1934 году, [3] и, по-видимому, она была задумана как настоящая длиннохвостая пара, но была опубликована с ошибкой рисунка. Самая ранняя определенная схема длиннохвостой пары появляется в патенте, поданном Аланом Блюмлейном в 1936 году. [4] К концу 1930-х годов топология была хорошо известна и была описана различными авторами, включая Фрэнка Оффнера (1937), [5] Отто Шмитта (1937) [6] и Яна Фридриха Тённиса (1938), [7] и она в частности использовалась для обнаружения и измерения физиологических импульсов. [8]
Длиннохвостая пара очень успешно использовалась в ранних британских компьютерах, особенно в модели Pilot ACE и ее потомках, [nb 1] EDSAC Мориса Уилкса и, вероятно, в других, разработанных людьми, которые работали с Блюмлейном или его коллегами. Длиннохвостая пара имеет много благоприятных свойств, если используется в качестве переключателя: в значительной степени невосприимчива к изменениям ламп (транзисторов) (что очень важно, когда машины содержали 1000 ламп или более), высокий коэффициент усиления, стабильность усиления, высокое входное сопротивление, среднее/низкое выходное сопротивление, хороший ограничитель (с не слишком длинным хвостом), неинвертирующий ( EDSAC не содержал инверторов! ) и большие колебания выходного напряжения. Одним из недостатков является то, что колебание выходного напряжения (обычно ±10–20 В) накладывалось на высокое постоянное напряжение (200 В или около того), что требовало осторожности при соединении сигнала, обычно какой-то формы широкополосной связи по постоянному току. Многие компьютеры того времени пытались обойти эту проблему, используя только импульсную логику с переменной составляющей, что делало их очень большими и чрезмерно сложными ( ENIAC : 18 000 ламп для 20-разрядного калькулятора) или ненадежными. Схемы с постоянной составляющей стали нормой после первого поколения ламповых компьютеров.
Дифференциальный (длиннохвостый, [nb 2] эмиттерно-связанный) парный усилитель состоит из двух усилительных каскадов с общим ( эмиттерным , истоковым или катодным ) вырождением.
С двумя входами и двумя выходами это образует дифференциальный усилительный каскад (рисунок 2). Две базы (или сетки или затворы) являются входами, которые дифференциально усиливаются (вычитаются и умножаются) парой транзисторов; они могут быть запитаны дифференциальным (сбалансированным) входным сигналом, или один вход может быть заземлен для формирования схемы фазового расщепителя . Усилитель с дифференциальным выходом может управлять плавающей нагрузкой или другим каскадом с дифференциальным входом. A
Если дифференциальный выход нежелателен, то можно использовать только один выход (взятый только с одного из коллекторов (или анодов, или стоков), игнорируя другой выход; такая конфигурация называется несимметричным выходом . Коэффициент усиления составляет половину от коэффициента усиления каскада с дифференциальным выходом. Чтобы не жертвовать коэффициентом усиления, можно использовать преобразователь дифференциального сигнала в несимметричный. Это часто реализуется как токовое зеркало (рисунок 3 ниже).
Дифференциальная пара может использоваться как усилитель с несимметричным входом, если один из входов заземлен или зафиксирован на опорном напряжении (обычно другой коллектор используется как несимметричный выход). Эту схему можно рассматривать как каскадные каскады с общим коллектором и общей базой или как буферизованный каскад с общей базой. [примечание 3]
Усилитель с эмиттерной связью компенсирует температурные дрейфы, V BE устраняется, а эффект Миллера и насыщение транзистора избегаются. Вот почему он используется для формирования усилителей с эмиттерной связью (избегая эффекта Миллера), схем фазоразделителей (получение двух инверсных напряжений), вентилей и переключателей ECL (избегая насыщения транзистора) и т. д.
Для пояснения работы схемы ниже выделены четыре конкретных режима, хотя на практике некоторые из них действуют одновременно, и их эффекты накладываются друг на друга.
В отличие от классических усилительных каскадов, которые смещены со стороны базы (и поэтому они сильно β-зависимы), дифференциальная пара напрямую смещена со стороны эмиттеров путем опускания/впрыскивания общего тока покоя. Последовательная отрицательная обратная связь (вырождение эмиттера) заставляет транзисторы действовать как стабилизаторы напряжения; она заставляет их регулировать свои напряжения V BE (токи базы) для пропускания тока покоя через свои коллекторно-эмиттерные переходы. [nb 4] Таким образом, из-за отрицательной обратной связи ток покоя лишь немного зависит от β транзистора.
Смещающие токи базы, необходимые для вызова токов покоя коллектора, обычно исходят из земли, проходят через входные источники и входят в базы. Таким образом, источники должны быть гальваническими (DC), чтобы обеспечить пути для смещающего тока, и иметь достаточно низкое сопротивление, чтобы не создавать значительных падений напряжения на них. В противном случае между базами и землей (или положительным источником питания) должны быть подключены дополнительные элементы постоянного тока.
В синфазном режиме (два входных напряжения изменяются в одинаковых направлениях) два повторителя напряжения (эмиттера) взаимодействуют друг с другом, работая вместе на общей высокоомной нагрузке эмиттера («длинный хвост»). Все они вместе увеличивают или уменьшают напряжение общей точки эмиттера (образно говоря, они вместе «подтягивают» или «опускают» ее так, что она перемещается). Кроме того, динамическая нагрузка «помогает» им, изменяя свое мгновенное омическое сопротивление в том же направлении, что и входные напряжения (она увеличивается, когда напряжение увеличивается, и наоборот), тем самым поддерживая постоянное общее сопротивление между двумя шинами питания. Существует полная (100%) отрицательная обратная связь; два входных базовых напряжения и напряжение эмиттера изменяются одновременно, в то время как токи коллектора и общий ток не изменяются. В результате выходные напряжения коллектора также не изменяются.
Нормальный. В дифференциальном режиме (два входных напряжения изменяются в противоположных направлениях) два повторителя напряжения (эмиттерных) противостоят друг другу — в то время как один из них пытается увеличить напряжение общей точки эмиттера, другой пытается уменьшить его (образно говоря, один из них «подтягивает» общую точку, а другой «подтягивает» ее вниз, так что она остается неподвижной) и наоборот. Таким образом, общая точка не изменяет своего напряжения; она ведет себя как виртуальная земля с величиной, определяемой синфазными входными напряжениями. Высокоомный эмиттерный элемент не играет никакой роли — он шунтируется другим низкоомным эмиттерным повторителем. Отрицательной обратной связи нет, поскольку напряжение эмиттера вообще не меняется при изменении входных базовых напряжений. Общий ток покоя энергично направляется между двумя транзисторами, а выходные коллекторные напряжения энергично изменяются. Два транзистора взаимно заземляют свои эмиттеры; поэтому, хотя они являются каскадами с общим коллектором , на самом деле они действуют как каскады с общим эмиттером с максимальным усилением. Стабильность смещения и независимость от изменений параметров устройства могут быть улучшены с помощью отрицательной обратной связи, введенной через резисторы катода/эмиттера с относительно малым сопротивлением.
Перегруженный. Если входное дифференциальное напряжение значительно изменяется (более чем на сотню милливольт), транзистор, управляемый более низким входным напряжением, выключается, и его коллекторное напряжение достигает положительной шины питания. При высоком перегрузе переход база-эмиттер переворачивается. Другой транзистор (управляемый более высоким входным напряжением) управляет всем током. Если резистор на коллекторе относительно большой, транзистор насыщается. При относительно небольшом коллекторном резисторе и умеренном перегрузе эмиттер все еще может следовать за входным сигналом без насыщения. Этот режим используется в дифференциальных переключателях и вентилях ECL .
Пробой. Если входное напряжение продолжает расти и превышает напряжение пробоя база-эмиттер , то переход база-эмиттер транзистора, управляемый более низким входным напряжением, выходит из строя. Если входные источники имеют низкое сопротивление, неограниченный ток будет протекать непосредственно через «диодный мост» между двумя входными источниками и повредит их.
В общем режиме напряжение эмиттера следует за изменениями входного напряжения; имеется полная отрицательная обратная связь, а коэффициент усиления минимален. В дифференциальном режиме напряжение эмиттера фиксировано (равно мгновенному общему входному напряжению); отсутствует отрицательная обратная связь, а коэффициент усиления максимален.
Коллекторные резисторы можно заменить токовым зеркалом (верхняя синяя секция на рис. 3), выходная часть которого действует как активная нагрузка . Таким образом, дифференциальный сигнал тока коллектора преобразуется в однотактный сигнал напряжения без внутренних 50% потерь, поэтому усиление удваивается. Это достигается путем копирования входного тока коллектора с левой стороны на правую, где величины двух входных сигналов складываются. Для этого вход токового зеркала подключается к левому выходу, а выход токового зеркала подключается к правому выходу дифференциального усилителя.
Зеркало тока копирует ток левого коллектора и пропускает его через правый транзистор, который производит ток правого коллектора. На этом правом выходе дифференциального усилителя два сигнальных тока (положительное и отрицательное изменение тока) вычитаются. В этом случае (дифференциальный входной сигнал) они равны и противоположны. Таким образом, разность в два раза больше отдельных сигнальных токов (Δ I − (−Δ I ) = 2Δ I ), и преобразование дифференциала в несимметричный выполняется без потерь усиления. На рис. 4 показана передаточная характеристика этой схемы.
Ток покоя должен быть постоянным, чтобы обеспечить постоянные коллекторные напряжения в синфазном режиме. Это требование не так важно в случае дифференциального выхода, поскольку, хотя их два коллекторных напряжения будут изменяться одновременно, их разность (выходное напряжение) не будет изменяться. Но в случае несимметричного выхода крайне важно поддерживать постоянный ток, поскольку выходное коллекторное напряжение будет изменяться. Таким образом, чем выше сопротивление источника тока в исходной схеме на рис. 2, тем ниже (лучше) коэффициент усиления синфазного режима .
Необходимый постоянный ток может быть получен путем подключения элемента (резистора) с очень высоким сопротивлением между общим узлом эмиттера и шиной питания (отрицательным для NPN и положительным для PNP-транзисторов), но это требует высокого напряжения питания. Поэтому в более сложных конструкциях элемент с высоким дифференциальным (динамическим) сопротивлением, приближающимся к источнику/стоку постоянного тока (нижняя часть рис. 3), заменяет «длинный хвост». Обычно он реализуется токовым зеркалом из-за его высокого напряжения соответствия (малое падение напряжения на выходном транзисторе).
Можно подключить плавающий источник между двумя базами, но необходимо обеспечить пути для токов смещения базы. В случае гальванического источника между одной из баз и землей должен быть подключен только один резистор. Ток смещения будет поступать непосредственно в эту базу и косвенно (через входной источник) в другую. Если источник емкостный, между двумя базами и землей должны быть подключены два резистора, чтобы обеспечить разные пути для токов базы.
Входное сопротивление дифференциальной пары сильно зависит от входного режима. В синфазном режиме обе части ведут себя как каскады с общим коллектором и высокими нагрузками эмиттера; поэтому входные сопротивления чрезвычайно высоки. В дифференциальном режиме они ведут себя как каскады с общим эмиттером и заземленными эмиттерами; поэтому входные сопротивления низкие.
Выходное сопротивление дифференциальной пары высокое (особенно для усовершенствованной дифференциальной пары с токовым зеркалом, как показано на рисунке 3).
Входное синфазное напряжение может варьироваться между двумя шинами питания, но не может близко к ним приближаться, поскольку на выходных транзисторах двух токовых зеркал должны оставаться некоторые падения напряжения (минимум 1 вольт).
Операционный усилитель , или op-amp, представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления в дифференциальном режиме, очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Дифференциальный усилитель на op-amp может быть построен с предсказуемым и стабильным коэффициентом усиления путем применения отрицательной обратной связи (рисунок 5). [nb 5] Некоторые виды дифференциальных усилителей обычно включают в себя несколько более простых дифференциальных усилителей. Например, полностью дифференциальный усилитель , инструментальный усилитель или изолирующий усилитель часто строятся из комбинации нескольких op-amp.
Дифференциальные усилители встречаются во многих схемах, использующих последовательную отрицательную обратную связь (повторитель операционного усилителя, неинвертирующий усилитель и т. д.), где один вход используется для входного сигнала, другой — для сигнала обратной связи (обычно реализуемого операционными усилителями ). Для сравнения, старомодные инвертирующие однотактные операционные усилители начала 1940-х годов могли реализовать только параллельную отрицательную обратную связь, подключая дополнительные резисторные цепи (инвертирующий усилитель операционного усилителя является наиболее популярным примером). Распространенное применение — управление двигателями или сервоприводами , а также приложения усиления сигнала. В дискретной электронике распространенным устройством для реализации дифференциального усилителя является пара с длинным хвостом, которая также обычно встречается в качестве дифференциального элемента в большинстве интегральных схем операционных усилителей . Пара с длинным хвостом может использоваться в качестве аналогового умножителя с дифференциальным напряжением в качестве одного входа и током смещения в качестве другого.
Дифференциальный усилитель используется в качестве эмиттерно-связанных логических вентилей входного каскада и в качестве переключателя. При использовании в качестве переключателя «левая» база/сетка используется в качестве входного сигнала, а «правая» база/сетка заземляется; выход берется с правого коллектора/пластины. Когда вход равен нулю или отрицателен, выход близок к нулю (но может не быть насыщенным); когда вход положителен, выход является наиболее положительным, динамическая работа такая же, как и у использования усилителя, описанного выше.
Дифференциальный усилитель используется в генераторе катодного повторителя . Преимуществами являются высокое сопротивление входа и выхода дифференциального усилителя и малый фазовый сдвиг между входом и выходом. Это приложение использует только один вход и один выход дифференциального усилителя.
В случае, если входной ток смещения операционного усилителя (неидеальный) или дифференциальный входной импеданс оказывают существенное влияние, можно выбрать цепь обратной связи, которая улучшает эффект синфазного входного сигнала и смещения. На рисунке 6 генераторы тока моделируют входной ток смещения на каждом выводе; I + b и I − b представляют входной ток смещения на выводах V + и V − соответственно.
Эквивалент Тевенина для сети, управляющей клеммой V + , имеет напряжение V + ' и полное сопротивление R + ':
в то время как для сети, управляющей V − терминалом:
Выходной сигнал операционного усилителя представляет собой просто коэффициент усиления разомкнутой цепи A ol , умноженный на дифференциальный входной ток i, умноженный на дифференциальное входное сопротивление 2 R d , поэтому
где R || — среднее арифметическое R + || и R − || .
Эти уравнения значительно упрощаются, если
в результате чего получается отношение
что означает, что коэффициент усиления в замкнутом контуре для дифференциального сигнала равен V + in − V − in , но коэффициент усиления в синфазном режиме тождественно равен нулю.
Это также означает, что синфазный входной ток смещения был нейтрализован, оставив только входной ток смещения I Δ b = I + b − I − b , все еще присутствующий, и с коэффициентом R i . Это как если бы входной ток смещения был эквивалентен входному напряжению смещения, действующему через входное сопротивление R i , которое является исходным сопротивлением цепи обратной связи на входных клеммах.
Наконец, пока коэффициент усиления напряжения в разомкнутом контуре A ol намного больше единицы, коэффициент усиления напряжения в замкнутом контуре равен R f / R i , значению, которое можно получить с помощью анализа по правилу большого пальца, известного как «виртуальная земля». [примечание 6]