Anplifikadore diferentzial

Anplifikadore diferentzialaren sinboloa. Elikadura-tentsioak $V_{\text{S+}}$ eta $V_{\text{S-}}$ dituelarik.

Anplifikadore diferentziala sarrerako bi tentsioen arteko diferentzia anplifikatzen duen gailua da, eta sarrera horiekiko komuna den edozein tentsio deuseztatzen du. Zirkuitu analogikoa da, bi sarrerez osatua: sarrera inbertsorea ($V_{in}^{-}$), batetik, eta sarrera ez-inbertsorea ($V_{in}^{+}$), bestetik. Era berean, zirkuitu honek irteera bakarra du, ($V_{O}$), zein idealki proportzionala den aurreko bi tentsioen diferentziarekiko. Hurrengo ekuazioaren bitartez, ($V_{O}$), kalkulatu daiteke:

$V_{O}=A_{d}(V_{in}^{+}-V_{in}^{-})$

non ($V_{in}^{-}$) eta ($V_{in}^{+}$) sarrerako tentsioak diren, eta proportzionaltasun-faktorea, $A_{d}$, anplifikadorearen irabazi diferentziala den.

Teoria

Praktikan, ordea, bi sarreretako irabazia ez da guztiz berdina. Hau da, bi sarrerak berdinak badira, anplifikadorearen irteera ez da zero izango. Kasu idealean, aldiz, irteera zero izango litzateke. Efektu hau kontutan hartzeko, bigarren termino bat gehitzen zaio anplifikadorearen irteera-tentsioko ekuazioari:

$$V_{\text{out}}=A_{\text{d}}(V_{\text{in}}^{+}-V_{\text{in}}^{-})+A_{\text{c}}\left({\frac {V_{\text{in}}^{+}+V_{\text{in}}^{-}}{2}}\right)$$

Ekuazio honetan ageri den Ac terminoari, modu komuneko irabazia deritzo, hau da, anplifikadoreak duen irabazia sarrerek tentsio berdina daukatenean. Bestalde, anplifikadore mota honek askotan zarata, edota sarrera bakoitzean agertzen diren polarizazio-tentsioak, ezeztatzen ditu. Orokorrean, modu komuneko irabazi baxua bilatzen da. Honekin lotuta, modu komuneko ezeztapen-erlazioa dago (CMRR, ingelesez Common-mode reject ratio), funtsezko balio bat dena. Termino hau, modu diferentzialaren irabaziaren eta modu komuneko irabaziaren arteko erlazio modura defini daiteke. Modu komuneko ezeztapen-erlazioak, anplifikadorearen ahalmena neurtzen du, bi sarreretan agertzen diren tentsio komunak zehaztasunez ezeztatzeko. Hurrengo ekuazioaren bitartez definitzen da:

$\mathrm {CMRR} =10\log _{10}\left({\frac {A_{\mathrm {d} }}{A_{\mathrm {c} }}}\right)^{2}=20\log _{10}\left({\frac {A_{\mathrm {d} }}{|A_{\mathrm {c} }|}}\right)$

anplifikadore diferentzial bat guztiz simetrikoa denean, zero da, eta CMRRa, aldiz, infinitua. Irabazi diferentziala modu komuneko irabazia baino handiagoa izan behar da, eta zenbat eta handiagoa izan, orduan eta hobeto. Kasu honetan, CMRRa zenbaki positibo bat izango da; zenbaki honen kasuan ere, zenbat eta altuagoa izan hobeto. Kasu askotan, CMRRen balioa seinalearen frekuentziaren araberakoa da, eta honen menpe dagoen funtzio baten modura espezifikatu beharra dago.

Aurrekari historikoak

Anplifikadore diferentzialak, gehien bat, bi transistorez osaturiko oinarrizko zirkuituen bitartez inplementatzen dira. Transistore hauek indar-pare diferentziala edo buztan luzeko indar-pare izenez ezagutzen dira. Zirkuitu hau, jatorriz, huts-hodi pare bat erabiliz inplementatu zen. Zirkuituak berdin funtzionatzen du intentsitate-irabazia duten hiru terminaletako dispositiboetan. Buztan luzeko zirkuituan, aldiz, polarizazio-puntuak Ohmen legearen arabera zehazten dira, eta neurri txikiago batean, osagaien eraginagatik.

Push-pull zirkuitua eta neurketa-zubiaren teoria oinarritzat hartuz, buztan luzeko indar-parea garatu zen. Buztan luzeko indar-parea sortu baino lehen, Bryan Matthew, neurologo britaniarrak, 1934an antzekotasun handiko zirkuitu bat sortu zuen. Baina marrazki batean zuen akats baten ondorioz, ez zuen behar bezain besteko arrakasta eduki. Buztan luzeko indar-pareko lehengo zirkuitua 1936an argitaratu zen, Alan Blumlein asmatzailearen eskutik. Baina 1930ko hamarkadako azken urteetan, behin topologia ondo ezarri izan zenean, beste hainbat asmatzailek jorratu zuten gaia. Horien artean honako asmatzaileak zeuden: Frank Offner (1937), Schmitt (1937) eta Jan Friedrich Toennies (1938). Garai horretan, zirkuitua bulkada fisiologikoen neurketa eta antzematerako erabili izan zen.

Buztan luzeko indar-pareak, arrakasta handia izan zuen Erresuma Batuetako informatika arloko lehenengo urratsetan, pilot ACE ordenagailuan eta ondorengoetan gehienbat. Honen adibidea da Maurice Wilkenen EDSAC. Buztan luzeko indar-pareak ezaugarri on ugari dauzka etengailu bezala erabiltzeko, irteerako inpedantzia baxua/txikia baitu, eta sarrerako inpedantzia oso altua baitu. Hauetaz gain, beste arrazoi ugari ere badaude.

Bestalde, huts-hodietako bertsioak zenbait desabantaila ere dauzka. Horren adibide bezala, hasieran ±10/±20 V-ko irteera-tentsioa zenez, eta 200 V-tara pasatu nahi izan zutenean, arazo asko eduki zituzten seinale-akoplamenduetan. Arazo hau gehien bat korronte zuzeneko akoplamenduetan ematen zen. Ekipo askotan korronte alternoko akoplamenduak erabiltzen saiatu ziren arazo hau konpontzeko. Ez zen irtenbide on bat izan ordea, huts-hodiak handiegiak eta konplexuegiak baitziren. Esaterako, 18.000 hodi erabili behar izan ziren 20 digituko kalkulagailu bat egiteko. Hortik aurrera, korronte zuzeneko akoplamenduak arau bihurtu ziren.

Teknologia

Anplifikadore diferentziala edota momentu diferentziala, bi transistorez osaturik dago. Transistore hauek igorle-konexio berdina daukate, bertatik polarizazio-korrontea sartzen delarik. Transistoreen baseak I+ eta I− dira, kolektoreak aldiz, irteerak dira. Bestalde, irteera hauek erresistentzietan amaitzen badira, irteera diferentzial bat edukiko du. Hortaz, momentuaren irabazia bikoiztu egin daiteke, bi kolektoreen arteko korronte-ispilu bati esker. Aurreko garapen hau, elkarketa bipolarreko transistoreetan datza, baina MOS eta CMOS teknologiarekin ere egin daiteke.

Aplikazioak

Indar-pare diferentziala elektronika analogikoan funtsezkoa izan da. Azken finean, anplifikadore operazionalak eta tentsio konparatzaileak metodo honetan oinarritzen dira. Indar-pare diferentziala biderkatzaile analogikoetan ageri da, zeintzuk kalkulagailu analogikoetan eta nahasgailuetan erabiltzen diren. Hauek ere, indar-pare diferentzialetan oinarrituta daude. Aipagarria da elektronika digitalean eta ECL teknologian ere maiz erabiliak direla.

Erreferentziak

1.Eglin, J.M. (1 de mayo de 1929). «A Direct-Current Amplifier for Measuring Small Currents». Journal of the Optical Society of America 18 (5): 393 https://www.osapublishing.org/josa/abstract.cfm?uri=josa-18-5-393.

2.US Patent 2185367 https://docs.google.com/viewer?url=patentimages.storage.googleapis.com/pdfs/US21 85367.pdf Google Inc. 1940ko urtarrilak 2. 2016ko maiatzaren 15ean kontsultatua.

3.US Patent 2147940 https://docs.google.com/viewer?url=patentimages.storage.googleapis.com/pdfs/US21 47940.pdf(ingelesez). Google Inc. 1939ko otsailaren 21. 2016ko maiatzaren 16an kontsultatua

Kanpo estekak

• Datuak: Q1056298