Amplificatorul diferențial PDF

Elemente de electronică analogică Amplificatorul diferenţial Este un amplificator cu 2 intrari, care amplifica diferenta dintre cele doua semnale. Oricare 2 semnale pot fi scrise sub forma: v1 = (v1+v2)/ 2 + (v1-v2)/2 v2 = (v1+v2)/ 2 - (v1-v2)/2 In care numim: vic = (v1+v...

Elemente de electronică analogică Amplificatorul diferenţial Este un amplificator cu 2 intrari, care amplifica diferenta dintre cele doua semnale. Oricare 2 semnale pot fi scrise sub forma: v1 = (v1+v2)/ 2 + (v1-v2)/2 v2 = (v1+v2)/ 2 - (v1-v2)/2 In care numim: vic = (v1+v2)/ 2 modul comun vid = (v1-v2)/2 modul diferential Astfel, AD ideal amplifica componenta diferentiala si o anuleaza (rejecteaza) pe cea de mod comun. Principiul de functionare al unui AD real: sa amplifice componenta diferentiala si sa atenueze (cat mai mult) componenta de mod comun. APLICATII Diferenta a doua semnale, pentru obtinerea unei reactii negative (sau pozitive) Asa cum se stie, conexiunea in reactie a unui sistem liniar are numeroase avantaje – si este foarte folosita pentru amplificatoare. Practic, toate amplificatoarele de uz general (operationale) au la intrare un bloc AD, asa cum vom vedea. Elemente de electronică analogică Transmiterea diferentiala a informatiei Daca pe doua fire electrice (de ex lungi) se aplica la un capat (la transmitator) un semnal diferential, adica: u1TX = uTX/2 u2TX =- uTX/2 si daca firele sunt torsadate, a.i. ele sa capteze perturbatii (zgomote) identice uZg, atunci la capatul celalalt (la receptor) va ajunge un semnal de forma: u1RX = uZg + uTX/2 u2RX = uZg – uTX/2 Daca aceste semnale sunt aplicate la intrarile unui AD real, componenta de mod comun (adica in faza) uZg va fi puternic atenuata, iar componenta diferentiala (adica in antifaza) +/- uTX va fi amplificata, deci se obtine un semnal proportional cu cel transmis, uTX. Acest principiu e folosit in toate transmisiile pe fire lungi si/ sau cu semnale de mare viteza. De ex: - Cabluri elelctrice Ethernet – distante lungi. rate de 10 Gbps, medii 40Gbps, 100 Gbps f scurte, ecranate, sau fibra; - Cabluri USB – distante scurte, rate de pana la 10-20 Gbps; - Cabluir HDMI – idem, rate pana la 48 Gbps; - Trasee PCIe (eg pe motherboard) – distante foarte scurte, rate de 32 – 64 Gbps (pe fiecare pereche de trasee) Pentru comparatie, pe cablurile coaxiale (unde se transmite uTX, nu diferential) ratele cele mai mari, obtinute cu tehnici foarte avansate de modulatie/ codare, sunt de cca 1-2 Gbps. Observatie: la rate foarte mari sunt importante zgomotele emise de/ captate de la celelate fire, deoarece apare un cuplaj inductiv puternic XL=L (chiar pentru L mici). Toate standardele de mai sus folosesc tehnici avansate de codare si coduri corectoare de erori pentru obtinerea acestor rate (pe langa faptul ca semnalele sunt diferentiale) Elemente de electronică analogică -cabluri USB -cabluri Ethernet Observatie: la Ethernet semnalele emise sunt sinusoidale (nu impulsuri dreptunghiulare). schema de principiu a unui AD este bazata pe conectarea emitoarelor a doua tranzistoare identice, sau imperecheate (cu toti parametrii egali), pe o rezistenta comuna R0: Elemente de electronică analogică semnalele de la intrare se pot aplica separat pe cele două intrări (bazele tranzistoarelor) sau între intrări; semnalele de la ieşire se pot culege de pe cele două colectoare (semnale nesimetrice) sau între cele două colectoare (semnal simetric). rezultă că, în principiu, se pot defini 9 (nouă) amplificări diferite; se preferă deducerea tensiunilor de ieşire în funcţie de tensiunile de intrare şi apoi se particularizează în funcţie de circuitul real analizat: U1 (e1 , e2 ); U 2 (e1 , e2 ). a) calculul tensiunilor de ieşire: Inlocuim tranzistoarele cu modelul echivalent (similar cu conex CM): se definesc: - tensiunea diferenţială de la intrare: vid = e1 − e2 ; Elemente de electronică analogică e1 + e2 - tensiunea de mod comun de la intrare: vic =. 2 vid v tensiunile de intrare se scriu: e1 = vic + ; e2 = vic − id. 2 2 CAZUL I: semnal pur diferential e1 = vid/2 e2 = -vid/2 Deoarece hie este acelasi pentru ambele tranzistoare, rezulta ca ve = 0. Curentii ib prin cele 2 tranzistoare sunt egali, ib1 intra in baza iar ib2 iese din baza (e2 in antifaza cu e1). Similar, sensurile curentilor de colector vor fi: sensul de referinta pentru ic1 si invers pentru ic2. Atunci ambele tranzistoare se comporta ca un amplificator EM si putem scrie: vo1 = -hfe/hie*Zs*e1 = -hfe/hie*Zs*vid /2 si respectiv: vo2 = -hfe/hie*Zs*e2 = hfe/hie*Zs*vid /2 deci cele doua tensiuni de iesire, in colectoarele tranzistoarelor sunt egale si in antifaza. Componenta diferentiala este amplificata cu Au corespunzator pentru schema EM. CAZUL II: semnal doar mod comun e1 = vic e2 = vic Acum tensiunile pe cele doua intrari sunt in faza, ambele tranzistoare impun in emitor tensiunea de intrare si deci ve = vic – ca la repetorul pe emitor. Curentii ib prin cele 2 tranzistoare sunt egali, si ambii intra in baza. In consecinta, sensul curentilor de colector este cel de referinta pentru ambele tranzistoare. Curentul prin rezistenta Ro este: iRo = ve/ Ro, cu sensul aratat in figura. Deoarece el este format din suma curentilor de emitor si baza, putem scrie: iRo = 2ie + 2ib ~ 2ie ~ 2ic Relatia e valabila pentru ambele tranzistoare. Deci: ic1 = ic2 = ve/ 2Ro Si tensiunea de iesire pentru ambele tranzistoare este: Elemente de electronică analogică vo1 = vo2 = -Zsvic/2Ro CAZUL III Semnal oarecare e1 = vic+ vid/2 e2 = vic-vid/2 Prin superpozitie, tensiunea de iesire este: vo1 = -hfe/hie*Zs*vid /2 -Zsvic/2Ro si respectiv: vo2 = hfe/hie*Zs*vid /2 -Zsvic/2Ro Se observa ca pentru Ro foarte mare, modul comun este puternic atenuat. Se pune in evidenta coeficientul de rejectie a modului comun: vo1 = -hfe/hie*Zs*vid /2 -Zsvic/2Ro=- hfe/hie*Zs/2 (vid + vic/r) vo2 = - hfe/hie*Zs/2 (-vid + vic/r) cu r = Ro hfe/hie Sau, cu notatii usor diferite: 1  v  1  v  U1 = Au  vid + ic ; U 2 = Au  − vid + ic ; U1−2 = Au vid. 2  r  2  r  (influenţă mică a tensiunii de mod comun  r →  ). rezultă că, pentru a produce acelaşi efect la ieşire, este necesar ca: r vid = vic ceea ce înseamnă că, aceeaşi tensiune la ieşire este realizată de o tensiune de mod comun la intrare de r ori mai mare decât tensiunea de mod diferenţial de la intrare. Raportul dintre tensiunea de mod comun şi tensiunea de mod diferenţial de la intrare care provoacă acelaşi efect la ieşire se numeşte factor de rejecţie a modului comun, CMRR. Elemente de electronică analogică - rezultă pentru circuitul simetric: (CMR ) = r. - valori tipice: (− 100  −140)dB. tensiunile de ieşire se mai pot scrie şi sub forma:  vic  U1 = Ad' vid + AMC ' vic = Ad'  vid +  '  (CMR )   vic  U 2 = − Ad'' vid + AMC '' vic = Ad''  − vid +  ''   (CMR )  c) comportarea AD la intrare: pentru intrare diferentiala, ca la EM: Z id = 2hi Pentru intrare mod comun, ca la CM Z ic = h f Ro Deci in mod comun e mult mai mare, in mod diferential e medie. d) factorul de merit al AD Ro h f prin definiţie, este produsul: M = Z id r = 2hi = 2h f Ro. hi cu cât M este mai mare, cu atât performanţele AD (r şi Z id ) sunt mai bune. pentru a avea M cât mai mare: hf  şi/sau Ro . metode de creştere a factorului de merit: 1. mărirea rezistenţei de cuplaj, Ro - limitată de căderea de tensiune în curent continuu, la rândul ei fiind limitată de tensiunea de alimentare şi de excursia maximă de tensiune necesară pe sarcină; 2. înlocuirea rezistenţei de cuplaj cu o sarcină dinamică ce prezintă o rezistenţă mică în curent continuu (o cădere de tensiune mică la bornele ei) şi o impedanţă în regim variabil dinamică mare. Nu se poate folosi o Elemente de electronică analogică bobină pentru că aceasta are o reactanţă dependentă de frecvenţă ( L ). Se foloseşte circuitul elementar cu BM în circuitul de ieşire care are cea mai mare impedanţă de ieşire dintre cele trei circuite elementare: Pentru circuite integrate liniare, grupul format din rezistenţele de polarizare şi capacitatea de decuplare se poate înlocui cu o rezistenţă şi o diodă, fiind posibile mai multe variante, specifice circuitelor integrate; oglindă de curent. 3. mărirea (electronică) a lui hf prin tranzistoare compuse: a) tranzistor compus Darlington: H i  hi' + hh' hi''  2hi' şi H f  h 'f h 'f' , rezultând: Z id = 2 H i  4hi şi M  4h 2f Ro (dacă h 'f = h 'f' = h f ' şi hi = hi'' = hi ). Elemente de electronică analogică Concluzie: s-a mărit (puţin) şi impedanţa de intrare (nu numai factorul de rejecţie); este o soluţie aplicată la μA 702 şi la μA 709. 4. utilizarea reacţiei negative de tip serie: se poate face echivalarea: (T , Re )  T a cu parametrii: h af  h f şi hia  hi + (h f + 1)Re ; se calculează: M = 2h f Ro şi Z id  2hi + 2h f Re (creşte). e) influenţa nesimetriilor asupra performanţelor AD - sunt afectate tensiunile de iesire, care nu mai respecta relatiile reduse si scade rejectia modului comun - pentru obtinerea unor tranzistoare cat mai identice, schema se foloseste in special in circuite integrate, unde e relativ usor de obtinut 2 tranzistoare si rezistente identice f) scheme electrice polarizare separată a bazelor celor două tranzistoare Elemente de electronică analogică - abateri mici ale rezistenţelor pot duce la blocarea unuia dintre tranzistoare. polarizare comună a tranzistoarelor se foloseşte reacţia negativă serie de curent circuit de intrare diferenţial pentru amplificatoare operaţionale Elemente de electronică analogică