بررسی جامع عملکرد، محدودیت ها و تکنیک های بهبود تقویت کننده ی تفاضلی مبتنی بر ترانزیستور دوقطبی پیوندی برای کاربردهای مدرن آنالوگ

تقویت کننده ی تفاضلی مبتنی بر ترانزیستور دوقطبی پیوندی به عنوان یکی از اساسی ترین بلوک های ساختمانی در الکترونیک آنالوگ، با بیش از شش دهه تکامل از نخستین ساختارهای گسسته تا مدارات مجتمع پیچیده، همچنان در کاربردهای تخصصی نظیر تقویت کننده های کم نویز، مدارات صوتی با کیفیت بالا و سیستم های اندازه گیری دقیق جایگاه بی رقابتی دارد. این مقاله به ارزیابی جامع ساختار، عملکرد، تاریخچه ی پژوهشی و داده های تجربی منتشرشده در مورد تقویت کننده ی تفاضلی BJT می پردازد. بررسی ها نشان می دهند که بهره ی ولتاژ تفاضلی با جریان بایاس ۱ میلی آمپر و بار ۱۰ کیلواهم حدود ۳۸۰ است که حدود ۸ برابر بهره ی نوع ماسفت در شرایط مشابه می باشد. نسبت رد مود مشترک در فرکانس ۱ کیلوهرتز حدود ۹۰ دسیبل است و با افزایش فرکانس با شیب ۲۰ دسیبل بر دکاد کاهش می یابد به طوری که در ۱ مگاهرتز به ۵۰ دسیبل می رسد. داده های آنالیزشده از پژوهش های پیشین حاکی از آن است که عدم تطابق ترانزیستورها در فرآیند یکپارچه، ولتاژ افست ورودی با انحراف معیار ۱٫۵ میلی ولت ایجاد می کند و تکنیک های قطع و وصل این مقدار را به ۸ میکروولت کاهش می دهند. چگالی طیفی نویز ولتاژ ورودی در فرکانس ۱ کیلوهرتز حدود ۲ نانوولت بر ریشه ی هرتز و نقطه ی گوشه ی ۱ بر f بین ۱۰۰ هرتز تا ۱ کیلوهرتز است. نرخ چرخش تقویت کننده ی تفاضلی با جریان بایاس ۱ میلی آمپر و بار ۱۰ پیکوفاراد حدود ۵۰ ولت بر میکروثانیه است. فناوری سیلیسیم ژرمانیوم پهنای باند ۵۰ مگاهرتز و نرخ چرخش ۲۰۰ ولت بر میکروثانیه را با مصرف ۱۰ میلی وات امکان پذیر ساخته است. تقویت کننده های تفاضلی BJT با ولتاژ تغذیه ۱ ولت و مصرف ۵۰ میکرووات برای کاربردهای باتری خور توسعه یافته اند. فناوری سیلیسیم کاربید دمای کاری ۲۵۰ درجه را با حفظ CMRR ۶۵ دسیبل فراهم می کند. یافته ها نشان می دهد که تقویت کننده ی تفاضلی BJT به دلیل ترارسانایی ذاتی بالاتر نسبت به ماسفت، نویز پایین تر و بهره ی ولتاژ بزرگ تر، در کاربردهای حساس به نویز و اعوجاج کماکان گزینه ی برتر است، اما نیاز به مدیریت دقیق عدم تطابق و طراحی منبع جریان با امپدانس بالا برای دستیابی به CMRR مطلوب دارد.

کلیدواژه ها:

تقویت کننده تفاضلی ، ترانزیستور دوقطبی پیوندی ، نسبت رد مود مشترک ، ولتاژ افست ورودی ، جفت ترانزیستور تطبیق شده ، منبع جریان ویلسون ، نویز ۱ بر f ، سیلیسیم ژرمانیوم