Amplificador diferencial y señales diferenciales en análisis de señales pequeñas

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Estoy estudiando el amplificador diferencial en diferentes libros (Razavi y Sedra-Smith).

He entendido cómo funciona este circuito, pero tengo algunas preguntas. Cuando los autores analizan este circuito (2 mosfets idénticos o dos BJT idénticos con una fuente de corriente debajo de ellos, como se muestra en la figura) para señales pequeñas, siempre asumen entradas diferenciales, es decir: v1 = -v2

Pregunta: ¿por qué se requiere esta suposición? Cuando este circuito se usa como la primera etapa de un amplificador operacional en una forma de retroalimentación negativa, ¿quién dice que los terminales de inversión y de no inversión tendrán v1 = -v2? La retroalimentación negativa dice que la entrada diferencial de entrada del amplificador operacional es muy muy pequeña (y para un colector de entrada diferencial muy pequeño, las corrientes del amplificador diferencial son lineales), no entiendo por qué v1 debería ser igual a -v2 . Los análisis de señales pequeñas deberían (en mi opinión) considerar el caso en el que v1-v2 es muy pequeño, pero no necesariamente v1 = -v2

Gracias

    
pregunta Stefanino

2 respuestas

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El fondo para el supuesto (V1-V2) es simple: cálculo de ganancia.

Considere lo siguiente: Tenemos dos voltajes de entrada arbitrarios Vx y Vy.

Estos voltajes se pueden dividir en dos partes:

  • Voltaje en modo común; Vcm = (Vx + Vy) / 2 ;

  • Voltaje push-pull: Vpp = (Vx-Vy) / 2 ;

  • Por lo tanto, es fácil mostrar que Vx = Vcm + Vpp y Vy=Vcm-Vpp

Ahora es fácil calcular la ganancia:

  • Vcm se amplifica con la ganancia de modo común Acm (que es muy baja y se acerca a cero si la resistencia del emisor dinámico común es infinita > > > fuente de corriente ideal).

  • Vpp se amplifica con la aplicación de ganancia push-pull que se puede dar de inmediato porque Vpp se aplica a ambas entradas, pero con signo opuesto . Como consecuencia, el aumento de la corriente del colector en un transistor será compensado por una disminución correspondiente en el otro transistor. Como consecuencia, no habrá un efecto de retroalimentación negativa, y la App de ganancia es idéntica a la ganancia clásica de una etapa de emisor sin retroalimentación: App = -gm * Rc .

  • Por lo tanto, los voltajes de salida son:

(1) Vout1=AcmVcm+AppVpp=VcmAcm+gmRc(Vx-Vy)/2

(2) Vout2=AcmVcm-AppVpp=VcmAcm-gmRc(Vx-Vy)/2

  • Para una fuente de corriente de emisor ideal, tenemos Acm = 0 y los voltajes de salida son:

Vout1,2 = (+ -) Vd * (Vx-Vy) con la ganancia diferencial Vd = -gmRc / 2 .

Fazit : el cálculo de la ganancia combinada es muy simple si dividimos cada uno de los dos voltajes de entrada Vx, Vy en dos partes (modo común resp. modo push-pull). Por supuesto, el modo push-pull domina para una diferencia de alta calidad. amplificador - y la ganancia para los voltajes push-pull es muy fácil de calcular porque estas partes son iguales en magnitud, pero opuestas en signo .

Tenga en cuenta que los voltajes V1, V2 mencionados en la pregunta original son idénticos a Vx y Vy, respectivamente: V1 = Vx = Vcm + Vpp y V2 = Vy = Vcm-Vpp .

Sin embargo, si consideramos la DIFERENCIA V1-V2 solamente (y suponiendo Acm = 0), las partes del modo común no desempeñan ningún papel (no están amplificadas) y es suficiente considerar esta diferencia solamente:

V1-V2 = Vpp - (- Vpp)

    
respondido por el LvW
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Los análisis de señales pequeñas deben (en mi opinión) considerar el caso en el que v1-v2 es muy pequeño, pero no necesariamente v1 = -v2

Estoy de acuerdo con eso, sin embargo, cuando \ $ V_1 \ ne -V_2 \ $ las cosas se vuelven un poco más complicadas, ya que entonces su señal de entrada ya no es realmente diferencial , ya que al hacer \ $ V_1 \ ne -V_2 \ $ introduce una señal de modo común . Es más fácil considerar la señal de modo común por separado evaluando \ $ V_1 = V_2 \ $

Supongamos que comenzamos con \ $ V_ {in} = 0 mV \ $ so \ $ V_1 = V_2 = 0 mV \ $ y luego evaluamos lo que sucede cuando aplicamos una señal no realmente diferencial.

Digamos que aplicamos \ $ V_1 - V_2 = 4 mV \ $ pero lo hacemos al hacer \ $ V_1 = 3 mV \ $ y \ $ V_2 = -1 mV \ $ luego \ $ V_1 \ ne -V_2 \ $ es cierto, esta señal no es realmente diferencial.

En el modelo de pequeña señal, la tensión en el emisor común de las NPN estará aproximadamente entre esa tensión. Entonces cuando \ $ V_1 = V_2  = 0 mV \ $ habrá 0 mV en los emisores, pero cuando \ $ V_1 = 3 mV \ $ y \ $ V_2 = -1 mV \ $ habrá +1 mV en los emisores.

Ese + 1mV es el voltaje de modo común. Supongamos que la fuente actual \ $ I_ {EE} \ $ tiene una impedancia de salida, entonces esa corriente cambiará un poco. Así que los transistores estarán sesgados de manera ligeramente diferente. ¡Eso hace las cosas complejas!

Dado que el modelo de pequeña señal es una linealización, simplemente podemos dividirlo en dos casos: comportamiento de señal diferencial y comportamiento de señal en modo común. Y para que sea realmente diferencial necesitamos \ $ V_1 = V_2 \ $.

    
respondido por el Bimpelrekkie

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