Differenzverstärker-Transistorpaar

Sie können die Verzerrung als unerwünschte Signale am Ausgang sehen, die am Eingang des Verstärkers nicht vorhanden waren.

Und im Allgemeinen reduziert die negative Rückkopplung immer Verzerrungen.

In Ihrem Verstärker arbeitet der Q1, Q2, wie der Name schon sagt, als Differenzverstärker. Und die Aufgabe dieses Diff-Verstärkers besteht darin, (nur) die Differenz zwischen seinen beiden Eingängen zu verstärken.

Der Q1-Transistor "beobachtet/überwacht" das Eingangssignal und der Q2-Transistor "beobachtet/überwacht" die Ausgangssignalrückkopplung über den R5-Widerstand.

Und wenn am Ausgang eine "Verzerrung" zu sehen ist (der erzeugte Ausgang entspricht nicht dem gewünschten Ausgang). Das Fehlersignal wird im Diff-Amp "erzeugt". Und das um 180 Grad phasenverschobene Signal wird "erzeugt", um die Verzerrungen am Ausgang aufzuheben (z. B. um +1 V aufzuheben, versucht der Verstärker, -1 V zu erzeugen).

Wenn Vout größer als erwartet ist (Vin), reduziert Q2 seinen Ic-Strom. Aber gleichzeitig steigt der Ic-Strom von Q1 an. Und der Strom von Q3 und Q4 steigt ebenfalls an, sodass die Vout-Spannung abfällt.

Und um Ihnen zu zeigen, wie dieses "Fehlersignal" am Diff-Amp-Eingang aussieht.

Ich habe diese einfache Schaltung in LTspice gemacht.

Und die Ausgangsspannung für "reinen" Sinus am Eingang sieht so aus (zusammen mit dem Signalfehler in Rot):

Es scheint, als hätten Sie Probleme beim Verständnis von Differenzverstärkern und negativer Rückkopplung im Allgemeinen und nicht von dieser speziellen Schaltung. Lassen Sie uns das also verallgemeinern.

Als erstes müssen wir die Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang identifizieren und dann die Schaltung ohne sie betrachten. Ich habe das Feedback-Netzwerk hier hervorgehoben:

Ich werde auch C7 ignorieren, den Kompensationskondensator, der sehr wichtig ist, aber später / separat darüber nachgedacht werden kann.

Ich möchte hier nicht die vollständige Analyse durchführen, aber der kleine Signalwiderstand, der in die Eingänge schaut, ist ungefähr$\beta R1$, der Ausgangswiderstand beträgt etwa 15 k (und ist proportional zur Early-Spannung von Q4) und die Differenzverstärkung$A_{diff} \approx 15\cdot\beta$(Ich werde vorerst auch die Gleichtaktverstärkung ignorieren).

Dann können wir dies durch ein Äquivalent ersetzen, das so aussieht:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Was ist also das Problem mit diesem Verstärker? Es hat eine sehr hohe Verstärkung von etwa 1500, es hat einen ziemlich hohen Eingangswiderstand von 150 k. Das Problem ist, dass seine Eigenschaften stark von den Transistoren abhängen. Ein Transistor mit einem β = 200 im kalten Zustand könnte im heißen Zustand einen β = 50 haben. Eine Charge von Transistoren weist große Schwankungen in β auf. Sie möchten zum Beispiel nicht, dass Ihre Lautsprecher an einem heißen Tag viermal lauter sind als an einem kalten Tag. 1500 (oder 3000 oder 750, abhängig von β) ist auch eine Menge Verstärkung. Auch der Ausgangswiderstand ist mit 15k ziemlich hoch.

Jetzt, da wir ein einfacheres Modell haben, fügen wir die Rückkopplungsschleife wieder hinzu. Ich gehe davon aus, dass bei der Frequenz, an der wir interessiert sind, C5 ein offener Stromkreis und C6 ein Kurzschluss ist.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Alles, was wir hier hinzugefügt haben, ist ein Spannungsteiler. Da Rin=150k so viel größer ist als R7, zu dem es parallel ist, können wir es ignorieren. So,

$$V_-=V_o \frac{\mathit{R7}}{\mathit{R5}+\mathit{R7}}$$

Dann

$$A_{diff}(V_+-V_-) = A_{diff}(V_{in} - V_o\frac{\mathit{R7}}{\mathit{R5}+\mathit{R7}})$$

Der Ausgangsstrom$I_o$Ist

$$I_o = \frac{V_o}{R5+R7}$$ $$V_o = A_{diff}(V_+-V_-)-R_oI_o$$

also endlich haben wir

$$V_o = A_{diff}(V_{in} - V_o\frac{\mathit{R7}}{\mathit{R5}+\mathit{R7}})-V_o\frac{R_o}{R5+R7}$$

Bewegen Sie dann Vo auf die linke Seite,

$$V_o + A_{diff}V_o\frac{\mathit{R7}}{\mathit{R5}+\mathit{R7}} + V_o\frac{R_o}{R5+R7} = A_{diff}V_{in}$$

und löse nach Vo auf

$$V_o = \frac{A_{diff}V_{in}}{(1 + \frac{R_o}{R5+R7} + A_{diff}\frac{\mathit{R7}}{\mathit{R5}+\mathit{R7}})}$$

Aber Adiff (1500 oder so) ist wirklich groß im Vergleich zu 1 und Ro/R5+R7 auch. Also lassen Sie uns diese Begriffe ignorieren.

$$V_o = \frac{A_{diff}V_{in}}{A_{diff}\frac{\mathit{R7}}{\mathit{R5}+\mathit{R7}}}=V_{in}\frac{\mathit{R5}+\mathit{R7}}{\mathit{R7}} = V_{in}(1+\frac{\mathit{R5}}{\mathit{R7}})$$

Adiff ist überhaupt nicht enthalten! Denken Sie daran, dass Adiff stark von Beta abhängig war, was dazu geführt hätte, dass der Verstärker sehr inkonsistente Eigenschaften hatte. Durch die Einführung von Feedback haben wir also die Verstärkung fast ausschließlich vom Wert einiger Widerstände abhängig gemacht, die sehr konsistent sein können.

Ich habe hier jetzt nur von Gain gesprochen, aber das gilt auch für Distortion. Überlegen Sie, ob der Verstärker eine Open-Loop-Verstärkung von 1000 für Vo = 0 V und 2000 für Vo = 5 V hätte. Ein Signal, das groß genug ist, um beide Punkte zu durchlaufen, würde verzerrt, da die Teile über Vo = 5 V nur halb so stark verstärkt würden. Mit der negativen Rückkopplung würde sich die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis sehr wenig ändern, wenn Vo über 5 V geht, sie wäre immer noch ungefähr 1 + R5/R7.

Der Faktor, um den dies reduziert wird, ist um wie viel größer$A_{diff}\frac{\mathit{R7}}{\mathit{R5}+\mathit{R7}}$war als 1, als wir beschlossen, den Term 1 zu ignorieren (und den Term des Ausgangswiderstands, obwohl wir darauf zurückkommen können). Dies ist die Open-Loop-Verstärkung dividiert durch die Closed-Loop-Verstärkung.