Differentiële versterker

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Twee 6-volt batterijen
• Twee NPN-transistoren - modellen 2N2222 of 2N3403 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-1617 is een pakket van vijftien NPN-transistoren, ideaal voor deze en andere experimenten)
• Twee 10 kΩ potentiometers, single-turn, lineaire taper (Radio Shack-catalogus # 271-1715)
• Twee weerstanden van 22 kΩ
• Twee weerstanden van 10 kΩ
• Eén weerstand van 100 kΩ
• Eén weerstand van 1,5 kΩ

Weerstandswaarden zijn niet bijzonder kritisch in dit experiment, maar zijn gekozen om een ​​hoge spanningsversterking te bieden voor een "comparatorachtig" differentieel versterkergedrag.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 4:"Bipolaire junctietransistoren" Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 8:"Operationele versterkers"

LEERDOELSTELLINGEN

• Basisontwerp van een differentiële versterkerschakeling.
• Werkdefinities van differentieel en gewone modus spanningen

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Dit circuit vormt het hart van de meeste operationele versterkercircuits:het differentiële paar . In de hier getoonde vorm is het een nogal ruwe differentiële versterker, vrij niet-lineair en asymmetrisch met betrekking tot uitgangsspanning versus ingangsspanning(en).

Met een hoge spanningsversterking die wordt gecreëerd door een grote collector/emitter-weerstandsverhouding (100 kΩ/1,5 kΩ), werkt het echter voornamelijk als een comparator:de uitgangsspanning verandert snel van waarde naarmate de twee ingangsspanningssignalen gelijkheid naderen. Meet de uitgangsspanning (spanning op de collector van Q₂ met betrekking tot aarde) omdat de ingangsspanningen variëren.

Merk op hoe de twee potentiometers verschillende effecten hebben op de uitgangsspanning:de ene ingang heeft de neiging om de uitgangsspanning in dezelfde richting te sturen (niet-inverterend), terwijl de andere de neiging heeft om de uitgangsspanning in de tegenovergestelde richting te sturen (inverterend). Dit is de essentie van een differentiële versterker :twee complementaire ingangen, met tegengestelde effecten op het uitgangssignaal.

Idealiter is de uitgangsspanning van een dergelijke versterker strikt een functie van het verschil tussen de twee ingangssignalen. Dit circuit voldoet aanzienlijk niet aan het ideaal, zoals zelfs een vluchtige test zal uitwijzen.

Een ideale differentiële versterker negeert alle common-mode spanning , wat het spanningsniveau is dat beide ingangen gemeen hebben. Als de inverterende ingang bijvoorbeeld 3 volt is en de niet-inverterende ingang 2,5 volt, zal de differentiële spanning 0,5 volt (3 - 2,5) zijn, maar de common-mode-spanning zal 2,5 volt zijn, aangezien dat het laagste ingangssignaalniveau is.

Idealiter zou deze toestand dezelfde uitgangssignaalspanning moeten produceren alsof de ingangen waren ingesteld op respectievelijk 3,5 en 3 volt (0,5 volt differentieel, met een common-mode-spanning van 3 volt). Dit circuit doet echter niet geven hetzelfde resultaat voor de twee verschillende ingangssignaalscenario's. Met andere woorden, de uitgangsspanning hangt af van zowel de differentiële spanning en de common-mode spanning.

Hoe onvolmaakt deze differentiële versterker ook is, zijn gedrag kan erger zijn. Merk op hoe de potentiometers van het ingangssignaal zijn beperkt door weerstanden van 22 kΩ tot een instelbaar bereik van ongeveer 0 tot 4 volt, gegeven een voedingsspanning van 12 volt.

Als je wilt zien hoe dit circuit zich gedraagt ​​zonder enige beperking van het ingangssignaal, omzeil dan de 22 kΩ-weerstanden met jumperdraden, waardoor een volledig instelbereik van 0 tot 12 volt van elke potentiometer mogelijk is. Maak je geen zorgen over het opbouwen van overmatige hitte tijdens het afstellen van potentiometers in dit circuit!

In tegenstelling tot het stroomspiegelcircuit, wordt dit circuit beschermd tegen thermische uitschakeling door de emitterweerstand (1,5 kΩ), die niet genoeg transistorstroom toelaat om problemen te veroorzaken.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Differentiële transistorversterkers werkblad