Come funziona un amplificatore operazionale differenziale

Componente del circuito elettrico che amplifica la differenza di due segnali

analogici

Vedi anche: Amplificatore operazionale

Un amplificatore differenziale è un tipo di amplificatore elettronico che amplifica la differenza tra due tensioni di ingresso ma sopprime qualsiasi tensione comune ai due ingressi. ^[1] Si tratta di un circuito analogico con due ingressi e un'uscita, in cui l'uscita è idealmente proporzionale alla differenza tra le due tensioni:

dove è il guadagno dell'amplificatore.

I singoli amplificatori sono solitamente implementati aggiungendo le opportune resistenze di retroazione a un amplificatore operazionale standard, oppure con un circuito integrato dedicato contenente resistenze di retroazione interne. È anche un sottocomponente comune di circuiti integrati più grandi che gestiscono segnali analogici.

Matematica dell'amplificatore

dove e sono le tensioni di ingresso, e è il guadagno differenziale.

In pratica, però, il guadagno non è del tutto uguale per i due ingressi. Ciò significa, ad esempio, che se e sono uguali, l'output non sarà zero, come sarebbe nel caso ideale. Un'espressione più realistica per l'uscita di un amplificatore differenziale include quindi un secondo termine:

dove è chiamato guadagno di modo comune dell'amplificatore.

Poiché gli amplificatori differenziali sono spesso utilizzati per annullare il rumore o le tensioni di polarizzazione che appaiono su entrambi gli ingressi, di solito si desidera un basso guadagno di modo comune.

Il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR), solitamente definito come il rapporto tra il guadagno di modo differenziale e il guadagno di modo comune, indica la capacità dell'amplificatore di annullare con precisione le tensioni comuni a entrambi gli ingressi. Il rapporto di reiezione di modo comune è definito come

In un amplificatore differenziale perfettamente simmetrico, è zero, e il CMRR è infinito. Si noti che un amplificatore differenziale è una forma più generale di amplificatore rispetto a uno con un singolo ingresso; Mettendo a terra un ingresso di un amplificatore differenziale, si ottiene un amplificatore single-ended.

Coppia a coda lunga

Contesto storico

I moderni amplificatori differenziali sono solitamente implementati con un circuito di base a due transistor chiamato coppia "a coda lunga" o coppia differenziale . Questo circuito è stato originariamente implementato utilizzando una coppia di tubi a vuoto. Il circuito funziona allo stesso modo per tutti i dispositivi a tre terminali con guadagno di corrente. I punti di polarizzazione del circuito resistore "a coda lunga" sono in gran parte determinati dalla legge di Ohm e meno dalle caratteristiche dei componenti attivi.

La coppia a coda lunga è stata sviluppata da precedenti conoscenze sulle tecniche di circuito push-pull e sulla misurazione Ponti. ^[2] Un primo circuito che assomiglia molto a una coppia a coda lunga è stato pubblicato dal neurofisiologo britannico Bryan Matthews nel 1934, ^[3] e sembra probabile che questo fosse destinato ad essere una vera coppia a coda lunga, ma è stato pubblicato con un errore di disegno. Il primo circuito a coppia a coda lunga appare in un brevetto presentato da Alan Blumlein nel 1936. ^[4] Alla fine degli anni '30 la topologia era ben consolidata ed era stata descritta da vari autori, tra cui Frank Offner (1937), ^[5] Otto Schmitt (1937) ^[6] e Jan Friedrich Toennies (1938), ^[7] ed era particolarmente utilizzata per il rilevamento e la misurazione di impulsi fisiologici. ^[8]

La coppia a coda lunga è stata utilizzata con successo nei primi computer britannici, in particolare nel modello Pilot ACE e nei suoi discendenti, ^{[nb 1]} EDSAC di Maurice Wilkes, e probabilmente altri progettati da persone che hanno lavorato con Blumlein o con i suoi colleghi. La coppia a coda lunga ha molte caratteristiche favorevoli se utilizzata come interruttore: in gran parte immune alle variazioni delle valvole (transistor) (di grande importanza quando le macchine contenevano 1.000 valvole o più), alto guadagno, stabilità del guadagno, alta impedenza di ingresso, impedenza di uscita medio/bassa, buon clipper (con una coda non troppo lunga), non invertente (EDSAC non conteneva inverter! ) e grandi oscillazioni della tensione di uscita. Uno svantaggio è che l'oscillazione della tensione di uscita (tipicamente ±10-20 V) è stata imposta su un'alta tensione CC (200 V circa), richiedendo attenzione nell'accoppiamento del segnale, di solito una qualche forma di accoppiamento CC a banda larga. Molti computer di questo tempo cercarono di evitare questo problema utilizzando solo la logica degli impulsi accoppiati in CA, il che li rendeva molto grandi ed eccessivamente complessi (ENIAC: 18.000 tubi per un calcolatore a 20 cifre) o inaffidabili. Circuiti accoppiati in CC è diventata la norma dopo la prima generazione di computer a valvole a vuoto.

Configurazioni

Un amplificatore di coppia differenziale (a coda lunga, ^{[nb 2]} accoppiato all'emettitore) è costituito da due stadi di amplificazione con degenerazione comune (emettitore, sorgente o catodo).

Uscita

differenziale

Con due ingressi e due uscite, questo forma uno stadio amplificatore differenziale (Figura 2). Le due basi (o griglie o porte) sono ingressi che vengono amplificati in modo differenziale (sottratti e moltiplicati) dalla coppia di transistor; Possono essere alimentati con un segnale di ingresso differenziale (bilanciato) oppure un ingresso può essere messo a terra per formare un circuito splitter di fase. Un amplificatore con uscita differenziale può pilotare un carico flottante o un altro stadio con ingresso differenziale.

Uscita single-ended

Se l'uscita differenziale non è desiderata, è possibile utilizzare una sola uscita (presa da solo uno dei collettori (o anodi o scarichi), trascurando l'altra uscita; Questa configurazione è indicata come uscita single-ended . Il guadagno è la metà di quello dello stadio con uscita differenziale. Per evitare di sacrificare il guadagno, è possibile utilizzare un convertitore da differenziale a single-ended. Questo è spesso implementato come specchio di corrente (Figura 3, sotto).

La

coppia differenziale può essere utilizzata come amplificatore con un ingresso single-ended se uno degli ingressi è collegato a terra o fissato a una tensione di riferimento (di solito, l'altro collettore viene utilizzato come uscita single-ended) Questa disposizione può essere pensata come stadi a collettore comune e base comune in cascata o come stadio a base comune bufferizzato. ^{[nb 3]}

L'amplificatore accoppiato all'emettitore è compensato per le derive di temperatura, V _BE viene annullato e si evita l'effetto Miller e la saturazione del transistor. Ecco perché viene utilizzato per formare amplificatori accoppiati a emettitore (evitando l'effetto Miller), circuiti a spartitore di fase (ottenendo due tensioni inverse), porte e interruttori ECL (evitando la saturazione dei transistor), ecc.

Funzionamento

Per spiegare il funzionamento del circuito, quattro modi particolari sono isolati di seguito sebbene, in pratica, alcuni di essi agiscano simultaneamente e i loro effetti siano sovrapposti.

Polarizzazione

A differenza dei classici stadi di amplificazione che sono polarizzati dal lato della base (e quindi sono altamente β-dipendenti), la coppia differenziale è direttamente polarizzata dal lato degli emettitori immergendo/iniettando la corrente di riposo totale. La retroazione negativa in serie (la degenerazione dell'emettitore) fa sì che i transistor agiscano come stabilizzatori di tensione; li costringe a regolare le loro tensioni V _BE (correnti di base) per far passare la corrente di riposo attraverso le loro giunzioni collettore-emettitore. ^{[nb 4]} Quindi, a causa del feedback negativo, la corrente di riposo dipende solo leggermente dal β del transistor.

Le correnti di base di polarizzazione necessarie per evocare le correnti del collettore quiescente di solito provengono da terra, passano attraverso le sorgenti di ingresso ed entrano nelle basi. Pertanto, le sorgenti devono essere galvaniche (CC) per garantire percorsi per la corrente di polarizzazione e sufficientemente resistive da non creare cadute di tensione significative attraverso di esse. In caso contrario, è necessario collegare ulteriori elementi CC tra le basi e la terra (o l'alimentazione positiva).

Modo comune

Nel modo comune (le due tensioni di ingresso cambiano nelle stesse direzioni), i due inseguitori di tensione (emettitore) cooperano tra loro lavorando insieme sul carico comune dell'emettitore ad alta resistenza (la "coda lunga"). Tutti insieme aumentano o diminuiscono la tensione del punto di emissione comune (in senso figurato, insieme lo "tirano su" o "lo tirano giù" in modo che si muova). Inoltre, il carico dinamico li "aiuta" modificando la sua resistenza ohmica istantanea nella stessa direzione delle tensioni di ingresso (aumenta all'aumentare della tensione e viceversa) mantenendo così costante la resistenza totale tra le due rotaie di alimentazione. C'è un feedback negativo completo (100%); Le due tensioni di base in ingresso e la tensione dell'emettitore cambiano simultaneamente mentre le correnti del collettore e la corrente totale non cambiano. Di conseguenza, anche le tensioni del collettore di uscita non cambiano.

Modalità differenziale

Normale. In modalità differenziale (le due tensioni di ingresso cambiano in direzioni opposte), i due seguaci di tensione (emettitore) si oppongono: mentre uno di loro cerca di aumentare la tensione del punto di emissione comune, l'altro cerca di diminuirla (in senso figurato, uno di loro "tira su" il punto comune mentre l'altro lo "tira giù" in modo che rimanga immobile) e viceversa. Quindi, il punto comune non cambia la sua tensione; Si comporta come una terra virtuale con un'ampiezza determinata dalle tensioni di ingresso di modo comune. L'elemento emettitore ad alta resistenza non svolge alcun ruolo: viene deviato dall'altro inseguitore emettitore a bassa resistenza. Non c'è retroazione negativa, poiché la tensione dell'emettitore non cambia affatto quando cambiano le tensioni di base in ingresso. La corrente di riposo comune si muove vigorosamente tra i due transistor e le tensioni del collettore di uscita cambiano vigorosamente. I due transistor mettono a terra reciprocamente i loro emettitori; Quindi, sebbene siano stadi a collettore comune, in realtà agiscono come stadi a emettitore comune con il massimo guadagno. La stabilità della polarizzazione e l'indipendenza dalle variazioni dei parametri del dispositivo possono essere migliorate dal feedback negativo introdotto tramite resistori catodici/emettitori con resistenze relativamente piccole.

Sovraccarico. Se la tensione differenziale di ingresso cambia in modo significativo (più di un centinaio di millivolt), il transistor pilotato dalla tensione di ingresso più bassa si spegne e la sua tensione di collettore raggiunge il binario di alimentazione positivo. In caso di overdrive elevato, la giunzione base-emettitore viene invertita. L'altro transistor (pilotato dalla tensione di ingresso più alta) aziona tutta la corrente. Se il resistore al collettore è relativamente grande, il transistor si saturerà. Con un resistore di collettore relativamente piccolo e un overdrive moderato, l'emettitore può comunque seguire il segnale di ingresso senza saturazione. Questa modalità viene utilizzata negli interruttori differenziali e nelle porte ECL.

Crollo. Se la tensione di ingresso continua ad aumentare e supera la tensione di rottura base-emettitore, la giunzione base-emettitore del transistor pilotato dalla tensione di ingresso inferiore si rompe. Se le sorgenti di ingresso sono a bassa resistiva, una corrente illimitata scorrerà direttamente attraverso il "ponte a diodi" tra le due sorgenti di ingresso e danneggiarli.

In modo comune, la tensione dell'emettitore segue le variazioni della tensione di ingresso; c'è un feedback negativo completo e il guadagno è minimo. In modalità differenziale, la tensione dell'emettitore è fissa (uguale alla tensione di ingresso comune istantanea); Non c'è feedback negativo e il guadagno è massimo.

Miglioramenti

dell'amplificatore differenziale

Specchio di corrente del collettore

Le resistenze del collettore possono essere sostituite da uno specchio di corrente (la sezione blu in alto in Fig. 3), la cui parte di uscita funge da carico attivo. In questo modo il segnale di corrente del collettore differenziale viene convertito in un segnale di tensione single-ended senza le perdite intrinseche del 50%, quindi il guadagno viene raddoppiato. Ciò si ottiene copiando la corrente del collettore di ingresso dal lato sinistro a quello destro, dove si sommano le grandezze dei due segnali di ingresso. A tale scopo, l'ingresso dello specchio di corrente è collegato a sinistra e l'uscita dello specchio di corrente è collegata all'uscita destra dell'amplificatore differenziale.

Lo specchio di corrente copia la corrente del collettore sinistro e la fa passare attraverso il transistor destro che produce la corrente del collettore destro. A questa uscita destra dell'amplificatore differenziale, le due correnti di segnale (variazioni di corrente pos. e neutra) vengono sottratte. In questo caso (segnale di ingresso differenziale), sono uguali e opposti. Pertanto, la differenza è il doppio delle correnti di segnale individuali (Δ I − (−Δ I ) = 2Δ I ) e la conversione differenziale a single-ended viene completata senza perdite di guadagno. La Fig. 4 mostra le caratteristiche di trasmissione di questo circuito.

Sorgente di corrente costante dell'emettitore

La corrente di riposo deve essere costante per garantire tensioni di collettore costanti al modo comune. Questo requisito non è così importante nel caso di un uscita differenziale, poiché sebbene le loro due tensioni di collettore varieranno simultaneamente, la loro differenza (la tensione di uscita) non varierà. Ma nel caso di un'uscita single-ended, è estremamente importante mantenere una corrente costante poiché la tensione del collettore di uscita varierà. Quindi maggiore è la resistenza della sorgente di corrente nel circuito originale di Fig. 2, minore (migliore) è il guadagno di modo comune.

La corrente costante necessaria potrebbe essere prodotta collegando un elemento (resistore) con resistenza molto elevata tra il nodo emettitore condiviso e il rail di alimentazione (negativo per NPN e positivo per i transistor PNP), ma ciò richiede un'elevata tensione di alimentazione. Quindi, nei progetti più sofisticati, un elemento con un'elevata resistenza differenziale (dinamica) che si avvicina a una sorgente/dissipatore di corrente costante (nella parte inferiore della Fig. 3) viene sostituito alla "coda lunga". Di solito è implementato da uno specchio di corrente a causa della sua elevata Tensione di conformità (piccola caduta di tensione attraverso il transistor di uscita).

Sorgente di ingresso flottante

È possibile collegare una sorgente flottante tra le due basi, ma è necessario garantire percorsi per le correnti di base di polarizzazione. Nel caso di sorgente galvanica, è necessario collegare una sola resistenza tra una delle basi e la terra. La corrente di polarizzazione entrerà direttamente in questa base e indirettamente (attraverso la sorgente di ingresso) nell'altra. Se la sorgente è capacitiva, due resistori devono essere collegati tra le due basi e la terra per garantire percorsi diversi per le correnti di base.

Impedenza di ingresso/uscita

L'impedenza di ingresso della coppia differenziale dipende fortemente dalla modalità di ingresso. Al modo comune, le due parti si comportano come stadi di collettore comune con elevati carichi di emettitore; Quindi, le impedenze di ingresso sono estremamente elevate. In modalità differenziale, si comportano come emettitori comuni stadi con emettitori a terra; Quindi, le impedenze di ingresso sono basse.

L'impedenza di uscita della coppia differenziale è elevata (soprattutto per la coppia differenziale migliorata con uno specchio di corrente, come mostrato nella Figura 3).

Intervallo di ingresso/uscita

La tensione di ingresso di modo comune può variare tra i due rail di alimentazione, ma non può raggiungerli da vicino, poiché alcune cadute di tensione (minimo 1 volt) devono rimanere attraverso i transistor di uscita dei due specchi di corrente.

Amplificatore operazionale come amplificatore differenziale

Un amplificatore operazionale, o amplificatore operazionale, è un amplificatore differenziale con guadagno in modalità differenziale molto elevato, impedenza di ingresso molto elevata e bassa impedenza di uscita. Un amplificatore differenziale operazionale può essere costruito con un guadagno prevedibile e stabile applicando un feedback negativo (Figura 5). ^{[nb 5]} Alcuni tipi di amplificatore differenziale di solito includono diversi amplificatori differenziali più semplici. Ad esempio, un amplificatore completamente differenziale, un amplificatore per strumentazione o un amplificatore di isolamento sono spesso costruiti da una combinazione di diversi amplificatori operazionali.

Gli

amplificatori differenziali si trovano in molti circuiti che utilizzano una retroazione negativa in serie (op-amp follower, amplificatore non invertente, ecc.), in cui un ingresso viene utilizzato per il segnale di ingresso, l'altro per il segnale di retroazione (solitamente implementato dagli amplificatori operazionali). Per fare un confronto, i vecchi amplificatori operazionali invertenti single-ended dei primi anni '40 potevano realizzare solo un feedback negativo parallelo collegando reti di resistori aggiuntive (un amplificatore invertente op-amp è l'esempio più popolare). Un'applicazione comune è per il controllo di motori o servocomandi, nonché per applicazioni di amplificazione del segnale. Nell'elettronica discreta, una disposizione comune per l'implementazione di un amplificatore differenziale è la coppia a coda lunga, che di solito si trova anche come elemento differenziale nella maggior parte dei circuiti integrati di amplificatori operazionali. Una coppia a coda lunga può essere utilizzata come moltiplicatore analogico con la tensione differenziale come ingresso e la corrente di polarizzazione come altro.

Un amplificatore differenziale viene utilizzato come porta logica accoppiata all'emettitore dello stadio di ingresso e come interruttore. Quando viene utilizzato come interruttore, la base/griglia "sinistra" viene utilizzata come ingresso del segnale e la base/griglia "destra" è collegata a terra; L'uscita viene prelevata dal collettore/piastra destra. Quando l'input è zero o negativo, l'output è vicino allo zero (ma può non essere saturo); Quando l'ingresso è positivo, l'uscita è più positiva, il funzionamento dinamico è lo stesso dell'uso dell'amplificatore descritto sopra.

L'amplificatore differenziale viene utilizzato nell'oscillatore a inseguitore di catodo. I vantaggi sono l'elevata impedenza dell'ingresso e dell'uscita dell'amplificatore differenziale e il piccolo sfasamento tra l'ingresso e l'uscita. Questo L'applicazione utilizza solo un ingresso e un'uscita dell'amplificatore differenziale.

La rete di retroazione simmetrica elimina il guadagno di modo comune e la polarizzazione

di modo comune

Nel caso in cui la corrente di polarizzazione di ingresso (non ideale) dell'amplificatore operazionale o l'impedenza di ingresso differenziale siano un effetto significativo, è possibile selezionare una rete di retroazione che migliora l'effetto del segnale di ingresso di modo comune e della polarizzazione. Nella Figura 6, i generatori di corrente modellano la corrente di polarizzazione in ingresso a ciascun terminale; I ⁺ _b e I ⁻ _b rappresentano la corrente di polarizzazione in ingresso ai morsetti V ⁺ e V ⁻ rispettivamente.

L'equivalente di Thévenin per la rete che pilota il terminale V ⁺ ha una tensione V ⁺ ' e un'impedenza R ⁺ ':

mentre per la rete pilotare il terminale V ⁻:

L'uscita dell'amplificatore operazionale è solo il guadagno ad anello aperto A _ol moltiplicato per la corrente di ingresso differenziale i moltiplicato per l'impedenza di ingresso differenziale 2 R _d , quindi

dove R _|| è la media di R ⁺ _|| e R ⁻ _|| .

Queste equazioni subiscono una grande semplificazione se

risultano nella relazione

che implica che il guadagno ad anello chiuso per il segnale differenziale è V ⁺ _in − V ⁻ _in , ma il guadagno di modo comune è identicamente zero.

Implica anche che la corrente di polarizzazione di ingresso di modo comune si è annullata, lasciando solo la corrente di offset di ingresso I ^Δ _b = I ⁺ _b − I ⁻ _b ancora presente, e con un coefficiente di R _i . È come se la corrente di offset in ingresso fosse equivalente a una tensione di offset in ingresso che agisce attraverso una resistenza di ingresso R _i , che è la resistenza della sorgente della rete di retroazione nei terminali di ingresso.

Infine, finché il guadagno di tensione ad anello aperto A _ol è molto più grande dell'unità, il guadagno di tensione ad anello chiuso è R _f / R _i , il valore che si otterrebbe attraverso l'analisi empirica nota come "terra virtuale". ^{[nb 6]}

Vedi anche

Riferimenti

Collegamenti esterni