Wo fließen Eingangsruheströme und welche Spannungsabfälle erzeugen sie?

Wie ich schon oft erklärt habe, besteht das Problem bei der Beantwortung dieser Frage darin, dass in den Eingangsdifferenzstufen von Operationsverstärkern eine ungewöhnliche Vorspannungstechnik verwendet wird.

Biasing-Techniken

Von der Seite der Basis. Die klassische Vorspannung von Single-Ended-Transistorstufen (und einigen anspruchsvolleren Schaltungen wie dem Stromrückkopplungsverstärker CFA) erfolgt von der Seite des Eingangs (Basis) . Es wird implementiert, indem eine konstante Vorspannung in Reihe zur Eingangsspannung hinzugefügt wird ... oder ein konstanter Vorstrom parallel zur Eingangsstromquelle (Spannungsquelle und Widerstand). Beachten Sie zwei Merkmale dieser Anordnung: Der Eingangsvorspannungsstrom ist Beta -mal kleiner als der Ausgangs-(Ruhe-)Kollektorstrom; Es gibt kein negatives Feedback.

Von der Seite der Emitter. In Operationsverstärker-Eingangsstufen wird die Vorspannung von der Seite des Ausgangs (Emitter) durch eine stärkere Stromquelle (normalerweise Senke) implementiert. Es stellt direkt den Ausgangs-(Ruhe-)Emitterstrom ein ( 2 x Beta -mal größer als der Eingangsvorspannungsstrom). Aber das ist keine leichte Aufgabe und wird mit Hilfe eines negativen Feedbacks erledigt. Es bewirkt, dass die Transistoren ihre gemeinsame Emitterspannung so einstellen, dass sie den 1/2-Vorspannungs-Emitterstrom passieren lassen. Dazu passen sie ihr Beta anmal kleinere Basisströme, die von derselben Emitterstromquelle erzeugt werden. Dieser Trick ist hier möglich, da die Spannung des gemeinsamen Knotens zwischen den verbundenen Emittern auf den Differenzmodus festgelegt ist; Wir können es nicht in der Stufe mit einem gemeinsamen Emitter verwenden, da die Emitterspannung der Basisspannung folgt und keine Verstärkung erfolgt.

Wo Eingangsruheströme fließen

Irgendwohin müssen die Eingangsruheströme gehen ... und Designer haben eine ungewöhnliche Lösung gewählt - sie durch die Eingangsspannungsquellen zu leiten . Dazu müssen diese Quellen „galvanisch“ (leitend) sein; Wenn dies nicht der Fall ist, müssen sie mit (hoch)ohmigen Elementen überbrückt werden, um einen Pfad für den Vorspannungsstrom sicherzustellen.

Dies ist also die Situation - Eingangsruheströme fließen durch die Eingangsspannungsquellen und erzeugen Spannungsabfälle an ihren Innenwiderständen . Wenn zusätzliche Widerstände in Reihe geschaltet sind, fließen Vorströme durch sie und erzeugen zusätzliche Spannungsabfälle an diesen Widerständen.

Ein Beispiel - BJT-Differentialpaar

Wir können es im klassischen Differenzialpaar mit Emitterstromsenke ("Tail") sehen; Es gibt keinen grundlegenden Unterschied zu Eingangsstufen von Operationsverstärkern. Ich habe unten vier Bilder dieser Stufe gezeichnet, um die Spannungsabfälle und Strompfade in allen Fällen attraktiver zu zeigen - ohne und mit Basiswiderständen. Um die Bilder schöner und vollständig symmetrischer zu machen, habe ich auf der linken Seite in helleren Farben die gleichen Versorgungsspannungsquellen V+ und V- eingezeichnet. Ich hoffe, das macht es Ihnen nicht schwer.

1. Differentialpaar ohne RB1 und RB2. Betrachten wir zunächst den Fall mit Null-Eingangsspannungsquellen und ohne enthaltene Basiswiderstände (Abb. 1):

Abb. 1. Differentialpaar ohne RB1 und RB2 enthalten (geerdete Eingänge)

Wie Sie sehen können, "zieht" die negative Stromversorgung V- durch die Emittersenke, dh die Transistoremitter ... und sie "gehen" unter Masse mit VBE "herunter". Zum richtigen Verständnis ist es notwendig zu erkennen, dass IE keine "Quelle" im wörtlichen Sinne des Wortes ist (dh ein Element, das Strom liefert), sondern nur ein "dynamischer Widerstand", der die Leistung "dosiert", so dass a Konstantstrom fließt. Somit werden die Eingangsruheströme IB1 und IB2 durch die negative Versorgung V– erzeugt und durch das Stromstabilisierungselement IE bestimmt (die positive Quelle V+ ist nicht an der Erzeugung von Ruheströmen beteiligt). Was Anfänger überrascht, ist, dass sie nur Bias-Ströme sehen, die aus dem Boden kommen, ohne zu sehen, wo die Spannung ist, die sie erzeugt ... als ob der Boden sie erzeugt.

Der Emitterstrom wird gleichmäßig zwischen den beiden Transistoren aufgeteilt und erzeugt gleiche Spannungsabfälle an den beiden Kollektorwiderständen. Die Kollektorspannungen sind gleich und ihre Differenz ist Null.

In Operationsverstärker-Eingangsstufen (z. B. in 741) bleiben ausgefeiltere Schaltungsstrukturen (Stufen mit gemeinsamer Basis, Stromspiegel) zwischen den Emittern und der negativen Versorgung ... aber die Bias-Strompfade sind die gleichen.

2. Differentialpaar mit RB1. Lassen Sie uns nun einen Basiswiderstand RB1 einschließen (er kann als Innenwiderstand der Null-Eingangsspannungsquelle VIN1 betrachtet werden) - Abb. 2:

Abb. 2. Differentialpaar mit RB1 enthalten (geerdeter Eingang 2)

Der Eingangsvorspannungsstrom IB1 "erzeugt" einen Spannungsabfall ("Eingangsspannung") VRB1 darüber ... und die T1-Basis "geht" mit VRB1 unter Masse. Da die Basis von T2 auf Nullspannung (geerdet) festgelegt ist, versucht der Emitter von T2, "unbeweglich" zu bleiben, während T1 ihn "herunterzieht". Als Ergebnis dieses "Armdrückens" wird VBE1 abnehmen und VBE2 ansteigen. Dementsprechend steigt VOUT1 und VOUT2 sinkt ... und es erscheint eine differentielle Ausgangsspannung dVOUT.

3. Differentialpaar mit RB2. Wenn wir in ähnlicher Weise einen Basiswiderstand RB2 einbeziehen (es kann der Innenwiderstand der Null-Eingangsspannungsquelle VIN2 sein) – Fig. 3, „erzeugt“ der Eingangsvorstrom IB2 einen Spannungsabfall („Eingangsspannung“) VRB2 darüber ... und jetzt wird die T2-Basis mit VRB2 unter die Erde "untergehen":

Abb. 3. Differentialpaar mit RB2 enthalten (geerdeter Eingang 1)

Da die Basis von T1 auf Nullspannung (geerdet) festgelegt ist, versucht der Emitter von T1, "unbeweglich" zu bleiben, während T2 ihn "herunterzieht". Als Ergebnis dieses "Armdrückens" wird VBE1 ansteigen und VBE2 abfallen. Dementsprechend sinkt VOUT1 und VOUT2 steigt ... und es erscheint wieder eine differentielle Ausgangsspannung dVOUT mit entgegengesetzter Polarität.

4. Differentialpaar mit RB1 und RB2. Lassen Sie uns zum Schluss die beiden Basiswiderstände RB1 und RB2 einbeziehen - Abb. 4:

Abb. 4. Differentialpaar mit RB1 und RB2 enthalten

Die Eingangsvorspannungsströme IB1 und IB2 "erzeugen" gleiche Spannungsabfälle ("Eingangsspannungen") VRB1 und VRB2 über ihnen ... und beide Transistorbasen "gehen" unter Masse mit VRB1 = VRB2 "ab". Der "dynamische Widerstand" (auch bekannt als Stromsenke ) IE verringert jedoch seinen Widerstand, um den Emitterstrom unverändert zu halten ... und die Emitter "gehen" auch unter Basen mit VRB1 = VRB2 "unter". Der Emitterstrom wird gleichmäßig zwischen den beiden Transistoren aufgeteilt (wie in Abb. 1) und die Kollektorströme erzeugen gleiche Spannungsabfälle an den Kollektorwiderständen. Die Kollektorspannungen sind gleich und ihre Differenz ist Null. Das Ergebnis ist dasselbe wie in Fig. 1, wo beide Basen geerdet wurden.

Die beiden Spannungsabfälle neutralisieren sich also gegenseitig. Dieser Trick (wir können ihn "passive Spannungskompensation" nennen) wird verwendet , um den Einfluss von Eingangsruheströmen zu kompensieren .