Diferenciální zesilovač je jedním z klíčových zařízení v elektronice, které se používá k zesílení signálu a snížení šumu. Jeho pracovní princip je založen na diferenciálním zesílení, to znamená, že zesiluje rozdíl napětí na dvou vstupech a snižuje signály, které mají stejnou polaritu.
Hlavní rozdíl mezi diferenciálním zesilovačem a konvenčním zesilovačem je přítomnost dvou vstupů a dvou výstupů. Každý vstup představuje bod připojení ke zdroji signálu a každý výstup je bod přenosu signálu zesíleného zařízením. Diferenciální zesilovač je schopen potlačit běžné rušení dostupné na obou vstupech a zesílit pouze rozdíl signálu.
Diferenciální zesilovač se skládá ze dvou vstupních stupňů, které se nazývají "poloviny". Každá polovina se skládá ze tří klíčových prvků-zesilovače se zápornou zpětnou vazbou, diferenciálního páru a pasivních prvků. Zesilovač se zápornou zpětnou vazbou je zodpovědný za zesílení signálu, diferenciální pára za diferenciální zisk a pasivní prvky za stabilizaci a filtraci signálu.
Základy diferenciálního zesilovače: principy práce
Princip fungování diferenciálního zesilovače je založen na použití dvou tranzistorů běžících v aktivním režimu. Jeden tranzistor je v režimu pozitivní odsazení a druhé v režimu odmítavého posun. Současně jsou dva vstupní signály přiváděny na základny těchto tranzistorů.
Kladný offset znamená, že na základnu tranzistoru je přiváděno napětí přesahující napětí emitoru. V důsledku toho se tranzistor otevře a proud začne proudit kolektorem. Záporný offset naopak znamená, že na základnu tranzistoru je přiváděno napětí menší než napětí emitoru a tranzistor se uzavírá.
Diferenciální zesilovač tedy zesiluje rozdíl vstupních signálů, protože proud přes kolektor jednoho tranzistoru se zvyšuje a přes kolektor druhého klesá. V tomto případě, pokud je rozdíl vstupních signálů kladný, proud přes kolektor prvního tranzistoru se zvýší a přes kolektor druhého se sníží. Podobná situace je pozorována při záporném rozdílu vstupních signálů.
Diferenciální zesilovač tedy zesiluje rozdíl vstupních signálů a potlačuje celkový signál, což je velmi užitečné v mnoha elektronických zařízeních, včetně audio zesilovačů, rádií a televizorů.
Struktura diferenciálního zesilovače
Mezi hlavní součásti diferenciálního zesilovače patří dva vstupní tranzistory, které obvykle běží v režimu emitorového opakovače. Tyto tranzistory jsou spojeny tak, že signály na jejich základnách mají opačnou fázi.
Dále jsou signály z kolektorů těchto tranzistorů připojeny k odporům zatížení, přičemž tyto odpory tvoří výstupní stupeň diferenciálního zesilovače. Výstup ze zesilovače probíhá přes oddělovací kondenzátory.
Také struktura diferenciálního zesilovače obsahuje napájecí zdroje, které generují zdrojové napětí pro tranzistory. Poskytují nezbytné Pracovní podmínky pro správnou funkci zesilovače.
Důležitým prvkem diferenciálního zesilovače jsou také vazebné kondenzátory, které oddělují vstupní a výstupní obvody zesilovače a zabraňují konstantní složce signálu od vstupu do výstupu.
Všechny tyto komponenty dohromady tvoří složitou strukturu diferenciálního zesilovače, který je schopen zvýšit rozdíl mezi dvěma vstupními signály. Díky své struktuře a principu fungování nacházejí diferenciální zesilovače široké uplatnění v různých oblastech elektroniky a audio techniky.
Diferenciální vstup
Diferenciální zesilovač má dva vstupy, které jsou označeny jako " + "a" -". Signál podaný na vstup " + "se nazývá kladný nebo neinvertující signál a signál podaný na vstup" - " se nazývá záporný nebo invertující signál.
Na vstupech zesilovače mohou být podávány signály s různými amplitudami a fázemi. Diferenciální vstup má funkci odečítání signálu na vstupu " - "ze vstupního signálu"+". Rozdíl mezi těmito dvěma signály je zesílen a převeden na výstupní signál.
Diferenciální vstup umožňuje vyloučit celkový hluk a rušení, které mohou ovlivnit oba vstupy zesilovače současně. V tomto případě, pokud je na oba vstupy podán stejný signál, je potlačen a rozdíl signálů na výstupu je nulový. Diferenciální zesilovač tak umožňuje zesílit rozdíl mezi signály na vstupech a potlačit celkový signál.
Tranzistory v diferenciálním zesilovači
Hlavními prvky diferenciálního zesilovače jsou tranzistory. Tranzistory mohou být několika typů: bipolární (npn, pnp) nebo polní (n-kanálové, P-kanálové). Diferenciální zesilovač obvykle používá páry tranzistorů.
V bipolárním diferenciálním zesilovači se každá polovina skládá ze dvou tranzistorů. Jeden tranzistor je npn a druhý pnp. Tyto tranzistory jsou spojeny tak, aby vytvořily emitorovou vazbu, zatímco základna jednoho tranzistoru je spojena s kolektorem druhého tranzistoru. Tento systém se nazývá kaskádový.
Polní diferenciální zesilovač používá tranzistory pole. Skládá se také z dvojice tranzistorů, z nichž jeden je n-kanálový a druhý p - kanálový. Tyto tranzistory tvoří kaskádové spojení, kde je drain jednoho tranzistoru připojen k source jiného tranzistoru a gate obou tranzistorů je připojen k sobě. Toto schéma se nazývá kaskáda se společným původem.
Tranzistory v diferenciálním zesilovači pracují v aktivním režimu, kde převádějí vstupní signály na zesílené a diferencované signály. Tranzistory navíc zajišťují stabilitu diferenciálního zisku pomocí zpětné vazby a udržování určitých proudů a napětí ve schématu.
Provozní režim diferenciálního zesilovače
Existuje několik režimů fungování diferenciálního zesilovače, z nichž hlavní jsou:
1. Režim jednostranného zesílení
V tomto režimu diferenciální zesilovač zesiluje pouze jednu poloperiodu vstupního signálu. Druhý poločas je ignorován nebo potlačován. K tomu se používá povrchová instalace aplikace pinů (SMD).
2. Režim obousměrného zesílení
V tomto režimu diferenciální zesilovač zesiluje kladné i záporné semiperiody vstupního signálu. To zajišťuje úplnější zesílení a přesnost při přenosu signálu.
Provozní režim diferenciálního zesilovače je určen konfigurací jeho vstupních a výstupních obvodů a připojením externích prvků.
Nutnost zvolit režim fungování diferenciálního zesilovače je dána požadavky konkrétní aplikace. V některých případech je nutné zesílit pouze pozitivní signály nebo pouze negativní. V jiných případech je třeba zajistit zesílení pozitivních i negativních signálů.
Režim fungování diferenciálního zesilovače je důležitý při vývoji elektronických zařízení a systémů. Pečlivý výběr režimu umožňuje dosáhnout požadované přesnosti a stability zesilovače v konkrétní situaci.
Výstupní úroveň signálu
Výstupní úroveň signálu diferenciálního zesilovače je určena rozdílem mezi vstupními signály. Při absenci rozdílu mezi vstupními signály zůstává výstupní úroveň jmenovitá a nulová.
Pokud je do vstupu zesilovače přiváděn vícefázový signál se stejnou amplitudou, pak je zisk nulový a výstup zůstává také na nominální úrovni. Pokud je však mezi vstupními signály fázový rozdíl, začne docházet k zesílení signálu a výstupní úroveň se zvyšuje.
Výstupní úroveň signálu přímo závisí na zesílení diferenciálního zesilovače a amplitudy rozdílu mezi vstupními signály. Čím větší je amplituda rozdílu mezi signály, tím větší je výstupní úroveň signálu.
Diferenciální zesilovač umožňuje výstup zesílený na dvojnásobek rozdílu vstupních signálů. To je zvláště užitečné v případech, kdy je nutné zvýšit rozdíl mezi dvěma signály a ponechat celkovou složku beze změny.
Výhody diferenciálního zesilovače
- Absence stejnosměrného offsetu: Diferenciální zesilovač zabraňuje stejnosměrnému posunu ve výstupním signálu. To umožňuje zlepšit přesnost a stabilitu zesilovače.
- Potlačení rušení: Diferenciální zesilovač má schopnost potlačit běžné rušení, jako jsou signály z elektromagnetických polí nebo stejnosměrný posun ve zdroji signálu. To je zvláště užitečné při práci s malými signály nebo v hlučném prostředí.
- Zvýšení úrovně signálu: Diferenciální zesilovač je schopen zvýšit rozdíl vstupních signálů, což umožňuje zvýšit úroveň jejich výstupního signálu. To je zvláště užitečné při práci se slabými signály nebo v případě potřeby potlačení hluku.
- Vysoká lineárnost: Diferenciální zesilovač má vysokou linearitu v širokém rozsahu vstupních signálů. To znamená, že je schopen reprezentovat vstupní signál na výstupu s vysokou přesností a malým zkreslením.
- Pohodlí v designu: Diferenciální zesilovač má jednoduchou strukturu a snadno se integruje do jiných elektronických obvodů. Díky tomu je uživatelsky přívětivý a flexibilní při navrhování různých zařízení.
Výhody diferenciálního zesilovače z něj činí nepostradatelnou součást v mnoha aplikacích, kde je vyžadována vysoká přesnost a spolehlivost zesílení signálů.