Aleksa Papovic II-4

Diferencijalni pojacavac

• Diferencijalni pojačavač je linearni elektronski sklop namenjen pojačavanju razlike dva signala.

• Može se realizovati na različite načine, a široku primenu nalazi kao ulazni stepen složenih monolitnih integrisanih kola.

• Pretpostavidemo da su granediferencijalnog pojačavača simetrične tj. da su tranzistori T1 i T2 identičnih karakteristika.

• Otpori RB služe za dovođenje jednosmerne struje u baze tranzistora, čime se osigurava rad tranzistora u normalnom režimu.

• Pojačavač ima dva ulaza na bazama B1 i B2 i dva izlaza na kolektorima C1 i C2.

• Emiteri su spojeni u zajedničku tačku E u kojoj deluje izvor konstantne struje Io.

• On se može u realnim kolima realizovati na više načina o čemu de biti reči kasnije.

• Kada na ulazima pojačavača nisu prisutni signali, struja Io se, zbog simetričnosti pojačala, podjednako deli na oba tranzistora.

• Ako je faktor strujnog pojačanja βtranzistora T1 i T2 puno vedi od jedinice

onda je:I0

IC I E (1)2• Jednosmerni potencijal tačke E je UE i

iznosi:UE UCC UBE I B RB (2)

• Uz zanemarivanje iverzne strujezasidenja kolektorskog spoja struja baze iznosi:

I B IC

Io (3) 2

• Iz (2) i (3) sledi:

UE

UCC

UBE

RB I0

(4)2

• A pomodu (1) i (4) dobija se:

UCE UCC IC RP U ERB I 0U CE U BE R (5)

P

2• Izlazima pojačavača u tačkama C1 i

C2 odgovaraju potencijali:

UC1

UC 2 UCC

I0 R

P(6)2

• Naponska razlika između izlaznih priključaka jednaka je nuli i pojačavač se nalazi u stanju ravnoteže.

• Šta de se dogoditi ako se na ulaze B1 i B2dovedu signali iste faze i amplitude(Uul1=Uul2)?

• Pošto su grane pojačala simetrične, signali iste faze na ulazima ne mogu poremetiti stanje ravnoteže.

• Struja I0 i dalje de se podjednako deliti na obe grane a naponi UP1 i UP2 na izlazima bide međusobno jednaki.

• Ako se priključe signali istih amplituda ali suprotne faze (Uul1=-Uul2), dodi de do narušavanja stanja ravnoteže.

• Struja emitera jednog tranzistora de porasti za određeni iznos, dok de se struja emiteradrugog tranzistora smanjiti za isti iznos jer suma struja emitera tranzistora T1 i T2 mora biti jednaka I0.

• Posledica su različiti iznosi struja kolektora i različiti iznosi napona UP1 i UP2, čime je ravnoteža pojačavača narušena.

• Da bi kolo na slici radilo, tranzistori T1 i T2 moraju imati statičku radnu tačku lociranu u normalnom aktivnom području.

• Napon UCE mora biti pozitivan i vedi od UBE.• Na osnovu relacije (5) taj uslov de biti

ispunjen ako je

RB RP (7)• Da bi se postiglo potrebno naponsko

pojačanje, otpor RP mora imati iznos od nekoliko kΩ.

• Faktor strujnog pojačanja β ima tipičan iznos reda veličine 100, te otpor RB prema relaciji(7) iznosi nekoliko stotina kΩ.

• Ovo je mogude realizovati u diskretnoj i hibridnoj tehnici ali ne i u monolitnoj tehnici.

• U tom slučaju se realizuje kolo bez otpornika u kolu baze tranzistora.

• Ako analiziramo dinamička svojstva diferencijalnog pojačavača prikazanog naslici kod koga je strujni izvor u krugu emitera tranzistora T1 i T2 simuliran otporom RE spojenim na izvor jednosmernog naponaUEE.

• Ako zamenimo uprošdeni model tranzistora za naizmenični signal dobidemo slededu sliku.

• Odredidemo izlazne napone UP1 i UP2 na kolektorima C1 i C2 kao funkcije ulaznih napona Uul1 i Uul2.

• Iz ulaznih krugova tranzistora T1 i T2 sa slike sedi:

Uul1 Ib1h11 (1 h21)(Ib1 Ib2 )RE

Uul 2 Ib2h11 (1 h21)(Ib1 Ib2 )R• Izlazni naponi Up1 i Up2 iznose:

U p1

h21

RP

Ib1 (10)

• Eliminacijom struja Ib1 i Ib2 iz relacija 8-11 dobija se:

G(Uul1Uul2)

(1h21)REh11Uul1 (12)G(Uul2Uul1)

(1h21)REh11Uul2 (13)

G

h11

Rp

(14)h h 2(1h )R 11 11 21 E

• Napon Uiz definisan razlikom napona Up1 i Up2 iznosi:

U iz

U p1

U p2

h21

Rp (Uul1 Uul 2 ) (15)

h11

• Napon Uiz zavisi samo od razlike ulaznih napona.

hie

h11

, h fe h21

• Ako se na ulazne priključke diferencijalnog pojačavača dovede signali jednakih amplituda i iste faze, izlazni naponi Up1 i Up2 iznose:

Uul1

U

ul 2

U p1

Gh11

Uul1

h21

Rp U

ul1 (16)h

11

2(1h21)

REU

p2 Gh

11U

ul 2 h

21R

p Uul 2 (17)

h11 2(1 h21)RE

Uiz U p1 U p2 0

• Ako se na ulazne priključke diferencijalnog pojačavača dovede signali jednakih amplituda ali suprotne faze, izlazni naponi Up1 i Up2 iznose:

Uul1

Uul 2

U p1

h21

Rp U

ul1 (18)h

11U

p2 h

21R

p Uul 2 (19)

h11

Uiz

U

p1 U

p2 h

21R

p Uul1

Uul 2 2

h21

Rp Uul1 (20)

h11

h11

• Definisademo pojačanje signala iste faze odnosom napona na kolektoru i napona na bazi istog tranzistora kada je Uul1=Uul2.

• Za tranzistor T1 i T2 :

A U

p1 h

21R

p (21)z1 U

ul1 h11 2(1 h21)RE

A U

p2 h

21R

p (22)z 2 U

ul 2 h11 2(1 h21)RE• Pojačanje signala iste faze zove se zajedničko pojačanje.• Relacija 21 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 ZE sa emiterskom degeneracijom, može se uočiti da su ti izrazi u sustini isti.

• Jedina razlika je ta što je član (1+h21) RE zamenjen je članom 2 (1+h21) RE tj. (1+h21) 2RE .

• Definisademo pojačanje signala suprotne faze odnosom napona na kolektoru i razlike ulaznih naponaUd=Uul1-Uul2 kada je Uul1=-Uul2.

• Za tranzistor T1 i T2 :

A U

p1 U

p1 U

p1 h

21R

p (23)d1 U d

Uul1

Uul 2

2Uul1 2h11

A U

p2 U

p2 U

p2 h

21R

p (24)d 2 U

dU

ul1 U

ul 22U

ul12h

11

• Diferencijalna pojačanja za oba tranzistora su istog apsolutnog iznosa.• U ovom slučaju emiterski otpor RE ne deluje na iznos pojačanja jer signali suprotnih faza na bazama B1

i B2 gererišu jednake struje suprotnog smera kroz RE, te je naizmenični pad napona na tom otprou jednak nuli.

• Drugim rečima tačka E je uzemljena za signale suprotnih faza i obe grane diferencijalnog pojačavača rade kao normalna kola u spoju ZE bez emiterske degeneracije.

• Da bi kolo sa prethodne 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 Ad (25)Az

• 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

d1 A

d 2

Az1

Az 2

1 1h R

E (26)2 21 h

11

• 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 RE u kolu emitera.

• Ovde je bitno da se zahtev za visokim iznosom otpora RE odnosi na dinamička svojstva pojačavača• Gledano statički, otpor RE može da bude relativno nizak.• Ako bi npr. stavimo Re=2MΩ i za jednosmernu struju kolektora ICQ=1mA dobijamo:

U E 2ICQ RE 2 103 2 106 4 103V

• Što znači da bi diferencijalni pojačavač morali da napajamo istosmernim naponom od više hiljada volti.

• Dakle, otpor RE se ne može realizovati jednostavnim povedanjem linearnog otpornika.• Umesto linearnog otpornika treba primeniti nelinearnu komponentu koja de imati veliku dinamičku

otpornost i relativno nisku statičku otpornost.• Ovo svojstvo tipično imaju strujni izvori.

• Jedna moguda realizacija diferencijalnog pojačavača sa strujnim izvorom u krugu emitera prikazana je na slici.

• Strujni izvor je simuliran tranzistorom T3 koji radi u normalnom aktivnom režimu gde mu je zbog, skoro horizontalnih izlaznih statičkih karakteristika, dinamički otpor puno vedi od jednosmernog.

• Otpori R1, R2 i R3 osiguravaju odgovarajudi položaj statičke radne tačke.

• Diode D1 i D2 omogudavju kompenzaciju temperaturnog koeficijenta napona spoja baza-emiter tranzistora T3. Time se obezbeđuje potrebna temperaturna stabilnost struje I0