Екі сигналдың айырмасын күшейткіш (Ekі signaldyń aı̆yrmasyn kúşeı̆tkіsh)

Кіріспе

Электрлік схема компоненті, екі аналогты сигналдың айырмашылығын күшейтеді. Дифференциалдық күшейткіш – екі кіріс кернеуі арасындағы айырмашылықты күшейтетін, бірақ екі кіріске ортақ кернеуді басатын электрондық күшейткіштің түрі. Бұл екі кірісі және бір шығысы бар аналогтық тізбек, онда шығыс идеал жағдайда екі кернеу арасындағы айырмашылыққа пропорционал:

мұнда – күшейткіштің күшейту коэффициенті. Жеке күшейткіштер әдетте стандартты операциялық күшейткішке тиісті кері байланыс резисторларын қосу арқылы немесе ішкі кері байланыс резисторлары бар арнайы интегралды схемамен іске асырылады. Ол сондай-ақ аналогты сигналдарды өңдейтін ірі интегралдық схемалардың құрамдас бөлігі болып табылады.

Тарихи негіздер

Қазіргі дифференциалдық күшейткіштер әдетте ұзын құйрықты жұп немесе дифференциалдық жұп деп аталатын негізгі екі транзисторлы схемамен іске асырылады. Бұл схема бастапқыда екі вакуумдық түтікше арқылы іске асырылған. Схема ток күшейтуі бар барлық үш терминалды құрылғы үшін бірдей жұмыс істейді. Ұзын құйрықты кедергілік схемасының жұмыс нүктелері негізінен Ом заңымен, ал белсенді компоненттердің сипаттамаларымен салыстырғанда аз анықталады. Ұзын құйрықты жұп, бұрынғы түрткі-тарту схемалары және өлшеу көпірлері туралы білімдерден дамытылды. Ұзын құйрықты жұпқа ұқсас алғашқы схеманы британдық нейрофизиолог Брайан Мэтьюс 1934 жылы жариялаған, және бұл нағыз ұзын құйрықты жұп болуы мүмкін еді, бірақ суретте қателік болғандықтан жарияланды. Ең алғашқы ұзын құйрықты жұп схемасы 1936 жылы Алан Блумлейн ұсынған патентте пайда болды. 1930 жылдардың соңына қарай топология жақсы қалыптасып, Франк Оффнер (1937), Отто Шмит (1937) және Ян Фридрих Тённис (1938) сияқты әртүрлі авторлармен сипатталды, және ол әсіресе физиологиялық импульстарды анықтау және өлшеу үшін қолданылды. Ұзын құйрықты жұп ертедегі британдық есептеу техникасында, әсіресе Pilot ACE моделі мен оның ұрпақтарында, Морис Уилкс-тің EDSAC-інде және Блумлейнмен немесе оның әріптестерімен жұмыс істеген адамдар жасаған басқа да құрылғыларда сәтті қолданылды. Ұзын құйрықты жұпты қосқыш ретінде пайдаланғанда көптеген артықшылықтары бар: түтікшелердің (транзисторлардың) өзгеруіне төзімді (1000 немесе одан да көп түтікше бар машиналар үшін маңызды), жоғары күшейту, күшейту тұрақтылығы, жоғары кіріс кедерісі, орташа/төмен шығыс кедерісі, жақсы кескіш (құйрығы тым ұзын болмаса), инверсиясыз (EDSAC-та инверторлар болған жоқ!) және үлкен шығыс кернеуінің ауытқуы. Бір кемшілігі – шығыс кернеуінің ауытқуы (әдетте ±10–20 В) жоғары тұрақты ток кернеуіне (шамамен 200 В) қойылды, бұл сигналды қосу кезінде сақтық талап етеді, әдетте кең жолақты тұрақты ток қосылымының бір түрі қажет. Бұл кездегі көптеген компьютерлер бұл мәселені тек айнымалы токпен қосылған импульстік логиканы пайдалану арқылы шешуге тырысты, бұл оларды өте үлкен және тым күрделі (ENIAC: 20 таңбалы калькулятор үшін 18 000 түтікше) немесе сенімсіз етті. Тұрақты токпен қосылған схемалар вакуумдық түтікшелердің бірінші буынынан кейін қалыпты жағдайға келді.

Modern differential amplifiers are usually implemented with a basic two transistor circuit called a “long tailed” pair or differential pair. This circuit was originally implemented using a pair of vacuum tubes. The circuit works the same way for all three terminal devices with current gain. The bias points of “long tail” resistor circuit are largely determined by Ohm's law and less so by active component characteristics. The long tailed pair was developed from earlier knowledge of push–pull circuit techniques and measurement bridges. An early circuit which closely resembles a long tailed pair was published by British neurophysiologist Bryan Matthews in 1934, and it seems likely that this was intended to be a true long tailed pair but was published with a drawing error. The earliest definite long tailed pair circuit appears in a patent submitted by Alan Blumlein in 1936. By the end of the 1930s the topology was well established and had been described by various authors, including Frank Offner (1937), Otto Schmitt (1937) and Jan Friedrich Toennies (1938), and it was particularly used for detection and measurement of physiological impulses. The long tailed pair was very successfully used in early British computing, most notably the Pilot ACE model and descendants, Maurice Wilkes’ EDSAC, and probably others designed by people who worked with Blumlein or his peers. The long tailed pair has many favorable attributes if used as a switch: largely immune to tube (transistor) variations (of great importance when machines contained 1,000 tubes or more), high gain, gain stability, high input impedance, medium/low output impedance, good clipper (with a not too long tail), non inverting (EDSAC contained no inverters!) and large output voltage swings. One disadvantage is that the output voltage swing (typically ±10–20 V) was imposed upon a high DC voltage (200 V or so), requiring care in signal coupling, usually some form of wide band DC coupling. Many computers of this time tried to avoid this problem by using only AC coupled pulse logic, which made them very large and overly complex (ENIAC: 18,000 tubes for a 20 digit calculator) or unreliable. DC coupled circuitry became the norm after the first generation of vacuum tube computers.

Конфигурациялар

Дифференциалдық (ұзын құйрықты, эмитерлік жұпталған) екі транзисторлы күшейткіш ортақ (эмитерлік, көздік немесе катодтық) дегенерациясы бар екі күшейту сатысынан тұрады.

Дифференциалдық шығыс

Екі кіріс және екі шығысы бар, бұл дифференциалдық күшейткіш сатысын құрайды (2-сурет). Екі база (немесе тор, немесе қақпа) кіріс болып табылады және транзистор жұбымен дифференциалды түрде күшейтіледі (азайтылып, көбейтіледі); оларға дифференциалды (тепе-тең) кіріс сигналы берілуі мүмкін, немесе бір кіріс фазалық бөлгіш схемасын жасау үшін жерге қосылуы мүмкін. Дифференциалдық шығысы бар күшейткіш, жүктемені немесе дифференциалдық кірісі бар келесі сатыны басқара алады.

Бір аяқты шығыс

Егер дифференциалдық шығыс қажет болмаса, онда тек бір шығыс қолданылуы мүмкін (бір ғана коллектордан (немесе анодтан немесе дренаждан) алынған, екінші шығыс ескерілмейді; бұл конфигурация бір ұшты шығыс деп аталады. Пайдалы коэффициент дифференциалдық шығыспен есептелгенге қарағанда екі есе кем. Пайдалы коэффициентті төмендетпеу үшін дифференциалдықтан бір ұштыға түрлендіргіш қолданылуы мүмкін. Бұл көбінесе ток көпірі ретінде іске асырылады (3-сурет, төменде).

Бір аяқты кіріс

Дифференциалдық жұпты бір ұштық кірісі бар күшейткіш ретінде қолдануға болады, егер кірістердің бірі жерге қосылған немесе эталондық кернеуге бекітілген болса (әдетте, екінші коллектор бір ұштық шығыс ретінде пайдаланылады). Бұл схеманы каскадталған ортақ коллектор және ортақ база сатылары немесе буферленген ортақ база сатысы ретінде қарастыруға болады. Эмиттермен байланыстырылған күшейткіш температуралық өзгерістерге өтеу берілген, VBE жойылған, Миллер эффектісінен және транзистордың қанығуынан сақтануға мүмкіндік береді. Сондықтан ол эмитермен байланыстырылған күшейткіштерді (Миллер эффектісінен сақтану үшін), фазалық бөлгіш тізбектерін (екі инверстік кернеу алу үшін), ECL қақпалары мен коммутаторларын (транзистордың қанығуынан сақтану үшін) және т.б. құру үшін қолданылады.

Операция

Сұлбаның жұмысын түсіндіру үшін төрт нақты режим қарастырылады, бірақ практикада олардың кейбіреулері бірдей уақытта әрекет етеді және олардың әсерлері үстіне түседі.

Бәсекеге бейімделу

Классикалық күшейткіш сатыларынан айырмашылығы, олар база жағынан бұрмаланып, β-ға күшті тәуелді болады, дифференциалдық жұп жалпы тыныш токты басу/жіберу арқылы эмиттер жағынан тікелей бұрмаланады. Сериялық теріс кері байланыс (эмиттерлік дегенерация) транзисторларды кернеуді тұрақтандырғыштар ретінде жұмыс істетеді; ол оларды коллектор-эмиттерлік қосылыстар арқылы тыныш ток өтуі үшін VBE кернеулерін (базалық токтарды) реттеуге мәжбүрлейді. Осылайша, теріс кері байланысқа байланысты, тыныш ток транзистордың β-ға аз ғана тәуелді болады. Тыныш коллекторлық токтарды тудыруға қажетті бұрмалаушы базалық токтар әдетте жерден келіп, кіріс көздері арқылы өтіп, базаларға кіреді. Сондықтан, көздер галваникалық (DC) болуы керек, олар арқылы ток өту жолын қамтамасыз ету және олардағы кернеудің айтарлықтай төмендеуіне жол бермейтіндей төмен кедерісті болуы керек. Әйтпесе, базалар мен жер арасында (немесе оң қуат көзіне) қосымша тұрақтандыру элементтерін қосу қажет.

Жалпы режим

Ортақ режимде (екі кіріс кернеуі бірдей бағытта өзгереді) екі кернеу (эмитер) ізбасарлары бірлесіп жұмыс істейді, олар ортақ, жоғары кедергілі эмитерлік жүктемеде ("ұзын құйрық") бірігіп жұмыс жасайды. Олардың барлығы ортақ эмитерлік нүктенің кернеуін бірге арттыра немесе азайтады (шартты түрде айтқанда, бірге "көтеріп" немесе "төмен тартып" оны жылжытады). Сонымен қатар, динамикалық жүктеме кіріс кернеулерінің өзгеру бағытымен сәйкес, өзінің сәттегі оммалық кедергісін өзгерту арқылы оларға "көмектеседі" (кернеу өскенде кедергі де артады, керісінше – кемейтеді). Осылайша, екі қуат көзі арасындағы жалпы кедергі тұрақты болып сақталады. Толық (100%) теріс кері байланыс бар: екі кіріс негізгі кернеуі мен эмитер кернеуі бір уақытта өзгереді, ал коллектор тоқтары мен жалпы ток өзгеріссіз қалады. Соның салдарынан, шығыс коллектор кернеулері де өзгермейді.

Дифференциалдық режим

Қалыпты. Дифференциалдық режимде (екі кіріс кернеуі қарама-қарсы бағытта өзгереді), екі кернеу (эмиттер) ізбасарлары бір-біріне қарсы тұрады – біреуі ортақ эмитер нүктесінің кернеуін арттыруға тырысса, екіншісі оны азайтуға тырысады (шартты түрде, біреуі ортақ нүктені "көтереді", ал екіншісі оны "төмен тартады", осылайша ол өзгермейді) және керісінше. Сондықтан, ортақ нүкте өз кернеуін өзгертпейді; ол ортақ режимдегі кіріс кернеулерімен анықталатын шамамен виртуалды жер сияқты жұмыс істейді. Жоғары кедергілі эмитерлік элемент ешқандай рөл атқармайды – ол басқа, төмен кедергілі эмитер ізбасарымен шунтталады. Енбеудің негізгі кернеулері өзгергенде эмитер кернеуі мүлдем өзгермейтіндіктен, теріс кері байланыс жоқ. Жалпы тыныш тоқ екі транзистор арасында қарқынды түрде ауысады және шығыс коллектор кернеулері қарқынды түрде өзгереді. Екі транзистор эмитерлерін өзара жерлейді; сондықтан, олар жалпы коллектор каскадтары болғанымен, шын мәнінде максималды күшейтумен ортақ эмитер каскадтары ретінде жұмыс істейді. Қисықтық тұрақтылығын және құрылғы параметрлерінің өзгеруіне тәуелсіздігін салыстырмалы түрде кіші кедергілері бар катод/эмиттер кедергілері арқылы енгізілген теріс кері байланыс арқылы жақсартуға болады. Артық жүктелу. Егер кіріс дифференциалдық кернеуі айтарлықтай өзгерсе (шамамен жүз милливольттан астам), кіріс төменгі кернеуімен басқарылатын транзистор өшіріледі және оның коллектор кернеуі оң қуат көзіне жетеді. Жоғары артық жүктелуде база-эмиттерлік байланыс кері бұрылады. Басқа транзистор (жоғары кернеумен басқарылатын) барлық токты басқарады. Егер коллектордағы резистор салыстырмалы түрде үлкен болса, транзистор қанығады. Салыстырмалы түрде кішкентай коллектор резисторы және орташа артық жүктелуде эмитер әлі де кіріс сигналын қанықтырмастан ұстай алады. Бұл режим дифференциалдық коммутаторларда және ECL қақпаларында қолданылады. Жырылу. Егер кіріс кернеуі өсуін жалғастырып, база-эмиттерлік жырылу кернеуінен асып кетсе, кіріс төменгі кернеуімен басқарылатын транзистордың база-эмиттерлік байланысы жырылады. Егер кіріс көздері төмен кедергілі болса, шексіз ток екі кіріс көзі арасындағы "диодтық көпір" арқылы тікелей ағып, оларды зақымдайды. Ортақ режимде эмитер кернеуі кіріс кернеуінің өзгеруіне сәйкес келеді; толық теріс кері байланыс бар және күшейту минималды. Дифференциалдық режимде эмитер кернеуі бекітілген (тұрақты ортақ кіріс кернеуіне тең); теріс кері байланыс жоқ және күшейту максималды.

Normal. In differential mode (the two input voltages change in opposite directions), the two voltage (emitter) followers oppose each other—while one of them tries to increase the voltage of the common emitter point, the other tries to decrease it (figuratively speaking, one of them "pulls up" the common point while the other "pulls down" it so that it stays immovable) and vice versa. So, the common point does not change its voltage; it behaves like a virtual ground with a magnitude determined by the common mode input voltages. The high resistance emitter element does not play any role—it is shunted by the other low resistance emitter follower. There is no negative feedback, since the emitter voltage does not change at all when the input base voltages change. The common quiescent current vigorously steers between the two transistors and the output collector voltages vigorously change. The two transistors mutually ground their emitters; so, although they are common collector stages, they actually act as common emitter stages with maximum gain. Bias stability and independence from variations in device parameters can be improved by negative feedback introduced via cathode/emitter resistors with relatively small resistances. Overdriven. If the input differential voltage changes significantly (more than about a hundred millivolts), the transistor driven by the lower input voltage turns off and its collector voltage reaches the positive supply rail. At high overdrive the base emitter junction gets reversed. The other transistor (driven by the higher input voltage) drives all the current. If the resistor at the collector is relatively large, the transistor will saturate. With relatively small collector resistor and moderate overdrive, the emitter can still follow the input signal without saturation. This mode is used in differential switches and ECL gates. Breakdown. If the input voltage continues increasing and exceeds the base emitter breakdown voltage, the base emitter junction of the transistor driven by the lower input voltage breaks down. If the input sources are low resistive, an unlimited current will flow directly through the "diode bridge" between the two input sources and will damage them. In common mode, the emitter voltage follows the input voltage variations; there is a full negative feedback and the gain is minimum. In differential mode, the emitter voltage is fixed (equal to the instant common input voltage); there is no negative feedback and the gain is maximum.

Коллектордың тоқ айнасы

Коллекторлық резисторларды ток көпірімен алмастыруға болады (3-суреттегі жоғарғы көк бөлім), оның шығыс бөлігі белсенді жүктеме ретінде жұмыс істейді. Осылайша, дифференциалдық коллектор тогы сигналы 50% жоғалтусыз, бір полюсті кернеу сигналына түрлендіріледі, нәтижесінде күшейту екі есеге артады. Бұл сол жақтан оң жаққа кіріс коллекторының тогын көшіру арқылы жүзеге асырылады, мұнда екі кіріс сигналының амплитудалары қосылады. Осы мақсатта ток көпірінің кірісі сол жақ шығысқа, ал ток көпірінің шығысы дифференциалдық күшейткіштің оң жақ шығысына қосылады. Ток көпірі сол жақ коллектор тогын көшіріп, оны оң жақ транзистор арқылы оң жақ коллектор тогына түрлендіреді. Дифференциалдық күшейткіштің осы оң жақ шығысында екі сигнал тогы (оң және теріс ток өзгерістері) азайтылады. Бұл жағдайда (дифференциалдық кіріс сигналы) олар тең және қарама-қарсы болады. Сондықтан, айырма жеке сигнал тогынан екі есеге үлкен (ΔI − (−ΔI) = 2ΔI), және дифференциалдықтан бір полюстіге түрлендіру күшейту жоғалтусыз аяқталады. 4-суретте осы тізбектің беру сипаттамасы көрсетілген.

Эмитердің тұрақты ток көзі

Қалыпты режимде коллектордың тұрақты кернеуін қамтамасыз ету үшін тыныш ток тұрақты болуы керек. Бұл талап дифференциалдық шығыс жағдайында соншалықты маңызды емес, себебі олардың екі коллектор кернеуі бір мезгілде өзгерсе де, олардың айырмашылығы (шығыс кернеуі) өзгере қоймайды. Бірақ бір ұшты шығыс жағдайында, шығыс коллектор кернеуі өзгеруі мүмкін болғандықтан, тұрақты токты сақтау өте маңызды. Осылайша, 2-суреттегі бастапқы схемадағы ток көзінің кедергісі неғұрлым жоғары болса, ортақ режимдегі күшейту соғұрлым төмен (жақсы) болады. Қажетті тұрақты ток ортақ эмиттерлік түйін мен қуат көзі арасында өте жоғары кедергісі бар элементті (резисторды) қосу арқылы жасалуы мүмкін (NPN үшін теріс, ал PNP транзисторлары үшін оң), бірақ бұл жоғары қуат көзі кернеуін талап етеді. Сондықтан, күрделі жобаларда, тұрақты ток көзіне / ағызуға жақын жоғары дифференциалдық (динамикалық) кедергісі бар элемент (3-суреттің төменгі бөлігі) "ұзын құйрыққа" орналастырылады. Ол әдетте ток көпірі арқылы іске асырылады, себебі оның жоғары сәйкес кернеуі (шығыс транзисторы арқылы кернеудің аз түсуі) бар.

Жүгіретін кіріс көзі

Екі негіздің арасына жүзуші көзді қосу мүмкін, бірақ бұрыштау тогының негіздерге ағынын қамтамасыз ету қажет. Гальваникалық көз болған жағдайда, бір резисторды бір негізбен және жермен қосу жеткілікті. Бұрыштау тогы тікелей осы негізге, ал екіншісіне – жанама жолмен (кіріс көзі арқылы) өтеді. Егер көз сыйымдылық болса, екі негіз бен жерге екі резистор қосу қажет, осылайша негіз токтары үшін екі түрлі жол қамтамасыз етіледі.

Кіріс/шығыс кедергісі

Дифференциалдық жұптың кіріс кедергісі кіріс режиміне күшті түрде байланысты. Ортақ режимде екі бөліктері жоғары эмитерлік жүктемелері бар ортақ коллектор каскадтары ретінде жұмыс істейді; демек, кіріс кедергілері өте жоғары. Дифференциалдық режимде олар жерге қосылған эмитерлері бар ортақ эмитер каскадтары ретінде жұмыс істейді; демек, кіріс кедергілері төмен. Дифференциалдық жұптың шығыс кедергісі жоғары (әсіресе 3-суретте көрсетілгендей, тоқ көпіршесі бар жетілдірілген дифференциалдық жұп үшін).

Кіріс/шығыс диапазоны

Жалпы режимдегі кіріс кернеуі екі қуат көзінің арасында өзгеруі мүмкін, бірақ оларға тым жақын болуы мүмкін емес, себебі екі ток көпірінің шығыс транзисторларында кернеудің белгілі бір мөлшерде (кемінде 1 вольт) түсіп қалуы керек.

Дифференциалдық күшейткіш ретінде операциялық күшейткіш

Операциялық күшейткіш, немесе ОП-ап, өте жоғары дифференциалдық күшейтуге, өте жоғары кіріс кедерісіне және төмен шығыс кедерісіне ие дифференциалдық күшейткіш болып табылады. ОП-ап дифференциалдық күшейткішін теріс кері байланыс қолдану арқылы болжамды және тұрақты күшейтумен құрастыруға болады (5-сурет). Дифференциалдық күшейткіштердің кейбір түрлері әдетте бірнеше қарапайым дифференциалдық күшейткіштерден тұрады. Мысалы, толық дифференциалдық күшейткіш, құралдық күшейткіш немесе оқшаулағыш күшейткіштер көбінесе бірнеше операциялық күшейткіштердің комбинациясынан құрылады.

Қолданбалар

Дифференциалдық күшейткіштер көптеген тізбекті теріс кері байланыс қолданатын схемаларда кездеседі (операциялық күшейткіштің ізбасары, инвертті емес күшейткіш және т.б.), онда бір кіріс кіріс сигналы үшін, ал екіншісі кері байланыс сигналы үшін пайдаланылады (әдетте операциялық күшейткіштермен іске асырылады). 1940 жылдардың басындағы ескі инвертті, бір ұшты операциялық күшейткіштер салыстыру үшін, қосымша резисторлық желілерді қосу арқылы тек параллель теріс кері байланыс жүзеге асыра алатын. Операциялық күшейткіштің инвертті күшейткіші – ең танымал мысал. Жалпы қолданылуы – моторларды немесе сервомеханизмдерді басқару, сондай-ақ сигналдарды күшейту. Дискретті электроникада дифференциалдық күшейткішті іске асырудың кең таралған тәсілі – ұзын құйрықты жұп, ол көптеген операциялық күшейткіштердің интегралдық тізбектерінде дифференциалдық элемент ретінде де кездеседі. Ұзын құйрықты жұп дифференциалдық кернеуді бір кіріс ретінде, ал басқасын – қисайту тогы ретінде пайдаланатын аналогты көбейтуші ретінде қолданылуы мүмкін. Дифференциалдық күшейткіш кіріс сатысындағы эмиттерлі логикалық қақпалар ретінде және коммутатор ретінде қолданылады. Коммутатор ретінде қолданғанда, «сол» база/тор сигналдық кіріс ретінде пайдаланылады, ал «оң» база/тор жерге қосылады, шығыс оң коллектордан/пластинадан алынады. Кіріс нөлге немесе теріс болғанда, шығыс нөлге жақын болады (бірақ қанықтырылмауы мүмкін); кіріс оң болғанда, шығыс максималды оң мәнді алады, динамикалық жұмысы жоғарыда сипатталған күшейткіштің жұмысына ұқсас. Дифференциалдық күшейткіш катодты ізбасар осцилляторында қолданылады. Артықшылықтары – дифференциалдық күшейткіштің кіріс және шығыс кедерігінің жоғары болуы және кіріс пен шығыс арасындағы фазалық ығысудың аздығы. Бұл қолданыс дифференциалдық күшейткіштің тек бір кірісі мен бір шығысын пайдаланады.