Informatie

Wat zijn staartstromen?


Dit is een spanningsklem op een ionenkanaal. Wanneer de spanning wordt gestopt is er nog een stroom aan het einde (de staartstroom). Ik begrijp dat de poorten niet helemaal gesloten zijn waardoor er toch nog wat stroom vloeit.

Wat ik niet begrijp is dat waarom de stroom plotseling naar een kleine waarde springt? Moet het niet geleidelijk naar beneden?


OK, ik weet dat dit oud is, maar hier komt het. De staartstroom is de stroom bij -55mV na de spanningsstap, hier:

De stroom krimpt als de spanning verandert, dit veroorzaakt een enorme verschuiving in de drijvende kracht voor de ionen aan weerszijden van het celmembraan. Van -125 naar -55 mV voor de grootste stap. Zoals opgemerkt, zijn de dichte verticale banden aan weerszijden van de trede te wijten aan snelle capaciteitsmetingen, in principe negeren, tenzij je een heel andere weg wilt inslaan.

De reden voor de staartstromen is dat sommige kanalen open blijven en geleidelijk sluiten nadat de stap eindigt met "staarten". We kunnen niet echt zeggen welke kanalen dit zijn, omdat we niets weten over de opnameomstandigheden/cellen die erbij betrokken zijn. Deze stromen zijn echter groot, dus hoogstwaarschijnlijk natrium/kalium.


Ik denk dat ik de vraag nu iets beter begrijp. Toen de spanning toenam, verwachtte OP een exponentieel verval, maar zag in plaats daarvan een piek naar een positieve waarde en ging vervolgens terug naar een negatieve waarde waarbij exponentieel verval plaatsvindt.

Zie dit min of meer als twee huidige bronnen die op elkaar liggen. Een daarvan is de stroom die wordt veroorzaakt door het verschil in spanning (Ih). Ih is een mengsel van kalium- en natriumstroom. Hoewel het spanningsafhankelijk is, volgt het niet de eenvoudige wet van Ohm, omdat dit te maken heeft met activering van kanalen in plaats van membraan. bron De andere is stroom veroorzaakt door capacitieve eigenschap van het membraan. Omdat capacitieve stroom evenredig is met de snelheid van verandering in spanning, resulteert een toename van de spanning in een positieve capacitieve stroom.

Dus wanneer de spanning toenam van -125 naar -55 mV, is er zowel een positieve capacitieve stroom als een exponentieel afnemende Ih. Deze twee die elkaar overlappen, leiden bijna tot het beeld dat we in de vraag van OP zien. Ik kan echter niet verklaren waarom er een enorme negatieve stroompiek is na de kleine positieve piek.

Bron: Ik heb dit een jaar geleden in de klas geleerd.

en mooie animatie van wat er gebeurt tijdens het spanningsklemexperiment


Staartstromen worden waargenomen omdat de stroom $I = g(V-E)$ plotseling verandert met $V$, terwijl $g$ geleidelijk verandert volgens enige kinetiek. Dus bij een plotselinge overgang van spanning $ V $, verandert $ I $ met een factor, die wordt waargenomen als staartstroom met een sprong.


Zeepaardje

EEN zeepaardje (ook geschreven zeepaardje en zeepaardje) is een van de 46 soorten kleine zeevissen in het geslacht Zeepaardje. "Hippocampus" komt uit het Oudgrieks hippókampos ( ἱππόκαμπος ), zelf van nijlpaarden ( ) wat "paard" betekent en kámpos ( ) wat "zeemonster" betekent. [4] [5] Met een hoofd en nek die doen denken aan een paard, hebben zeepaardjes ook een gesegmenteerd benig pantser, een rechtopstaande houding en een gekrulde grijpstaart. [6] Samen met de zeenaalden en zeedraken (Phycodurus en Phyllopteryx) ze vormen de familie Syngnathidae.

  • AcentronuraKaup, 1853
  • FarlapiscisWhitley, 1931 [3]
  • JamsusGinsburg, 1937
  • MacleayinaFowler, 1907
  • PhyllopteryxSwainson 1839

Inhoud

De output van een ideale differentiële versterker wordt gegeven door:

De common-mode onderdrukkingsverhouding (CMRR), gewoonlijk gedefinieerd als de verhouding tussen differentiële modusversterking en common-modeversterking, geeft het vermogen van de versterker aan om spanningen die voor beide ingangen gemeenschappelijk zijn, nauwkeurig te annuleren. De common-mode weigeringsverhouding wordt gedefinieerd als:

Historische achtergrond Bewerken

Moderne differentiële versterkers worden meestal geïmplementeerd met een basiscircuit met twee transistoren genaamd a "langstaartig" paar of differentieel paar. Dit circuit werd oorspronkelijk geïmplementeerd met behulp van een paar vacuümbuizen. Het circuit werkt op dezelfde manier voor alle apparaten met drie aansluitingen met stroomversterking. De voorspanningspunten van de "long tail" weerstandscircuits worden grotendeels bepaald door de wet van Ohm en minder door de kenmerken van actieve componenten.

Het langstaartpaar is ontwikkeld op basis van eerdere kennis van push-pull-circuittechnieken en meetbruggen. [2] Een vroeg circuit dat sterk lijkt op een langstaartpaar werd gepubliceerd door de Britse neuroloog Bryan Matthews in 1934, [3] en het lijkt waarschijnlijk dat dit bedoeld was als een echt langstaartpaar, maar werd gepubliceerd met een tekenfout . Het vroegste definitieve circuit met lange staarten komt voor in een patent ingediend door Alan Blumlein in 1936. [4] Tegen het einde van de jaren dertig was de topologie goed ingeburgerd en beschreven door verschillende auteurs, waaronder Frank Offner (1937), [5] Otto Schmitt (1937) [6] en Jan Friedrich Toennies (1938) [7] en werd vooral gebruikt voor de detectie en meting van fysiologische impulsen. [8]

Het langstaartpaar werd zeer succesvol gebruikt in de vroege Britse computertechnologie, met name het Pilot ACE-model en nakomelingen, [nb 1] Maurice Wilkes' EDSAC, en waarschijnlijk andere ontworpen door mensen die met Blumlein of zijn collega's werkten. Het langstaartpaar heeft veel gunstige eigenschappen als het als schakelaar wordt gebruikt: grotendeels ongevoelig voor buis (transistor) variaties (van groot belang wanneer machines 1.000 buizen of meer bevatten), hoge versterking, versterkingsstabiliteit, hoge ingangsimpedantie, gemiddelde/lage uitgang impedantie, goede clipper (met een niet al te lange staart), niet-inverterend (EDSAC bevatte geen omvormers!) en grote schommelingen in de uitgangsspanning. Een nadeel is dat de uitgangsspanningszwaai (meestal ±10–20 V) werd opgelegd aan een hoge gelijkspanning (200 V of zo), waardoor voorzichtigheid vereist was bij de signaalkoppeling, meestal een vorm van breedbandige gelijkstroomkoppeling. Veel computers van deze tijd probeerden dit probleem te vermijden door alleen AC-gekoppelde pulslogica te gebruiken, waardoor ze erg groot en te complex werden (ENIAC: 18.000 buizen voor een 20-cijferige rekenmachine) of onbetrouwbaar. DC-gekoppelde schakelingen werden de norm na de eerste generatie vacuümbuiscomputers.

Configuraties bewerken

Een differentiële (langstaartige, [nb 2] emittergekoppelde) paarversterker bestaat uit twee versterkertrappen met gemeenschappelijke (emitter, bron of kathode) degeneratie.

Differentiële uitgang Bewerken

Met twee ingangen en twee uitgangen vormt dit een differentiële versterkertrap (Figuur 2). De twee bases (of roosters of poorten) zijn ingangen die differentieel worden versterkt (afgetrokken en vermenigvuldigd) met het transistorpaar. Ze kunnen worden gevoed met een differentieel (gebalanceerd) ingangssignaal, of één ingang kan worden geaard om een ​​fasesplitsercircuit te vormen. Een versterker met differentiële uitgang kan een zwevende belasting of een andere trap met differentiële ingang aansturen.

Single-ended uitgang Bewerken

Als de differentiële uitgang niet gewenst is, kan slechts één uitgang worden gebruikt (genomen van slechts één van de collectoren (of anodes of drains), afgezien van de andere uitgang wordt deze configuratie aangeduid als enkelzijdige uitgang. De versterking is de helft van die van het podium met differentiële output. Om te voorkomen dat de versterking wordt opgeofferd, kan een differentieel naar enkelzijdige converter worden gebruikt. Dit wordt vaak geïmplementeerd als een huidige spiegel (figuur 3 hieronder).

Single-ended invoer Bewerken

Het differentiële paar kan worden gebruikt als een versterker met een single-ended ingang als een van de ingangen is geaard of vast op een referentiespanning (meestal wordt de andere collector gebruikt als een single-ended uitgang) Deze opstelling kan worden gezien als gecascadeerde common-collector en common-base trappen of als een gebufferde common-base trap. [nr 3]

De emittergekoppelde versterker wordt gecompenseerd voor temperatuurafwijkingen, VZIJN wordt geannuleerd en het Miller-effect en de transistorverzadiging worden vermeden. Dat is de reden waarom het wordt gebruikt om emittergekoppelde versterkers te vormen (waardoor het Miller-effect wordt vermeden), fasesplittercircuits (waardoor twee inverse spanningen worden verkregen), ECL-poorten en -schakelaars (waardoor transistorverzadiging wordt vermeden), enz.

Operatie Bewerken

Om de werking van de schakeling uit te leggen, worden hieronder vier specifieke modi geïsoleerd, hoewel in de praktijk sommige ervan gelijktijdig werken en hun effecten worden gesuperponeerd.

Biasing bewerken

In tegenstelling tot klassieke versterkingstrappen die voorgespannen zijn vanaf de zijkant van de basis (en dus sterk β-afhankelijk zijn), wordt het differentiële paar direct voorgespannen vanaf de zijkant van de emitters door de totale ruststroom te laten zinken/injecteren. De serie negatieve feedback (de emitterdegeneratie) zorgt ervoor dat de transistors fungeren als spanningsstabilisatoren en dwingt hen om hun V . aan te passenZIJN spanningen (basisstromen) om de ruststroom door hun collector-emitterovergangen te laten gaan. [nb 4] Door de negatieve terugkoppeling hangt de ruststroom dus maar in geringe mate af van de β van de transistor.

De voorinstellende basisstromen die nodig zijn om de rustige collectorstromen op te roepen, komen meestal van de grond, gaan door de ingangsbronnen en komen de bases binnen. De bronnen moeten dus galvanisch (DC) zijn om te zorgen voor paden voor de voorspanning en laagohmig genoeg om geen significante spanningsdalingen over hen te veroorzaken. Anders moeten extra DC-elementen worden aangesloten tussen de basis en de aarde (of de positieve voeding).

Algemene modus Bewerken

In de gemeenschappelijke modus (de twee ingangsspanningen veranderen in dezelfde richting), werken de twee spanningsvolgers (emitter) met elkaar samen en werken ze samen aan de gemeenschappelijke hoogohmige emitterbelasting (de "lange staart"). Ze verhogen of verlagen allemaal samen de spanning van het gemeenschappelijke emitterpunt (figuurlijk gesproken, ze "trekken het omhoog" of "trekken het naar beneden" zodat het beweegt). Bovendien "helpt" de dynamische belasting hen door de onmiddellijke ohmse weerstand in dezelfde richting als de ingangsspanningen te veranderen (deze neemt toe wanneer de spanning toeneemt en vice versa), waardoor de totale weerstand tussen de twee voedingsrails constant blijft. Er is een volledige (100%) negatieve feedback, de twee ingangsbasisspanningen en de emitterspanning veranderen tegelijkertijd terwijl de collectorstromen en de totale stroom niet veranderen. Als gevolg hiervan veranderen de uitgangscollectorspanningen niet zo goed.

Differentiële modus Bewerken

Normaal. In differentiële modus (de twee ingangsspanningen veranderen in tegengestelde richtingen), staan ​​de twee spanningsvolgers (emitter) tegenover elkaar - terwijl een van hen probeert de spanning van het gemeenschappelijke emitterpunt te verhogen, de andere probeert deze te verlagen (figuurlijk gesproken, een van hen "trekt het gemeenschappelijke punt omhoog", terwijl de ander het "naar beneden trekt" zodat het onbeweeglijk blijft) en vice versa. Het gemeenschappelijke punt verandert dus zijn spanning niet, het gedraagt ​​​​zich als een virtuele aarde met een grootte die wordt bepaald door de common-mode ingangsspanningen. Het emitterelement met hoge weerstand speelt geen enkele rol - het wordt overbrugd door de andere emittervolger met lage weerstand. Er is geen negatieve feedback, omdat de emitterspanning helemaal niet verandert wanneer de ingangsbasisspanningen veranderen. De gemeenschappelijke ruststroom stuurt krachtig tussen de twee transistoren en de uitgangscollectorspanningen veranderen krachtig. De twee transistoren aarden hun emitters onderling, dus hoewel het common-collector-trappen zijn, werken ze in feite als common-emitter-trappen met maximale versterking. Biasstabiliteit en onafhankelijkheid van variaties in apparaatparameters kunnen worden verbeterd door negatieve feedback die wordt geïntroduceerd via kathode/emitterweerstanden met relatief kleine weerstanden.

Overdreven. Als de differentiële ingangsspanning aanzienlijk verandert (meer dan ongeveer honderd millivolt), wordt de transistor die wordt aangedreven door de lagere ingangsspanning uitgeschakeld en bereikt de collectorspanning de positieve voedingsrail. Bij hoge overdrive wordt de basis-emitterovergang omgekeerd. De andere transistor (aangedreven door de hogere ingangsspanning) stuurt alle stroom aan. Als de weerstand bij de collector relatief groot is, zal de transistor verzadigen. Met een relatief kleine collectorweerstand en matige overdrive kan de emitter het ingangssignaal nog steeds volgen zonder verzadiging. Deze modus wordt gebruikt in differentieelschakelaars en ECL-poorten.

Afbreken. Als de ingangsspanning blijft stijgen en de doorslagspanning van de basis-emitter overschrijdt, breekt de basis-emitter-overgang van de transistor die wordt aangedreven door de lagere ingangsspanning. Als de ingangsbronnen een lage weerstand hebben, zal er een onbeperkte stroom rechtstreeks door de "diodebrug" tussen de twee ingangsbronnen vloeien en deze beschadigen.

In de gewone modus volgt de emitterspanning de variaties van de ingangsspanning, er is een volledige negatieve feedback en de versterking is minimaal. In differentiële modus is de emitterspanning vast (gelijk aan de huidige gemeenschappelijke ingangsspanning), er is geen negatieve feedback en de versterking is maximaal.

Differentiële versterker verbeteringen Bewerken

Zender constante stroombron Bewerken

De ruststroom moet constant zijn om constante collectorspanningen in de gewone modus te garanderen. Deze vereiste is niet zo belangrijk in het geval van een differentiële uitgang, aangezien de twee collectorspanningen gelijktijdig zullen variëren, maar hun verschil (de uitgangsspanning) niet zal variëren. Maar in het geval van een single-ended uitgang is het uiterst belangrijk om een ​​constante stroom te behouden, aangezien de uitgangscollectorspanning zal variëren. Dus hoe hoger de weerstand van de stroombron R e >> , hoe lager (beter) is de common-mode versterking A c >> . De benodigde constante stroom kan worden geproduceerd door een element (weerstand) met een zeer hoge weerstand aan te sluiten tussen het gedeelde emitterknooppunt en de voedingsrail (negatief voor NPN en positief voor PNP-transistoren), maar hiervoor is een hoge voedingsspanning vereist. Dat is de reden waarom, in meer geavanceerde ontwerpen, een element met een hoge differentiële (dynamische) weerstand die een constante stroombron/sink benadert, wordt vervangen door de "lange staart" (Figuur 3). Het wordt meestal geïmplementeerd door een stroomspiegel vanwege de hoge compliantiespanning (kleine spanningsval over de uitgangstransistor).

Collector huidige spiegel Bewerken

De collectorweerstanden kunnen worden vervangen door een stroomspiegel, waarvan het uitgangsgedeelte fungeert als een actieve belasting (Fig. 3). Het differentiële collectorstroomsignaal wordt dus omgezet in een spanningssignaal met enkel einde zonder de intrinsieke verliezen van 50% en de versterking wordt aanzienlijk verhoogd. Dit wordt bereikt door de ingangscollectorstroom van links naar rechts te kopiëren, waar de grootten van de twee ingangssignalen optellen. Hiertoe wordt de ingang van de stroomspiegel met de linkeruitgang en de uitgang van de stroomspiegel met de rechteruitgang van de verschilversterker verbonden.

De stroomspiegel kopieert de linkercollectorstroom en leidt deze door de rechtertransistor die de rechtercollectorstroom produceert. Aan deze rechteruitgang van de verschilversterker worden de twee signaalstromen (pos. en neg. stroomveranderingen) afgetrokken. In dit geval (differentieel ingangssignaal) zijn ze gelijk en tegengesteld. Het verschil is dus tweemaal de individuele signaalstromen (ΔI - (-ΔI) = 2ΔI) en de differentiële naar single-ended conversie wordt voltooid zonder versterkingsverliezen. Fig. 4 toont de transmissiekarakteristiek van deze schakeling.

Overwegingen voor interfaces Bewerken

Zwevende invoerbron Bewerken

Het is mogelijk om een ​​zwevende bron tussen de twee bases aan te sluiten, maar het is noodzakelijk om te zorgen voor paden voor de voorinstellende basisstromen. In het geval van een galvanische bron hoeft slechts één weerstand te worden aangesloten tussen een van de bases en de aarde. De voorspanningsstroom zal direct deze basis binnenkomen en indirect (via de ingangsbron) de andere. Als de bron capacitief is, moeten twee weerstanden worden aangesloten tussen de twee bases en de aarde om verschillende paden voor de basisstromen te garanderen.

Ingang/uitgangsimpedantie Bewerken

De ingangsimpedantie van het differentiële paar is sterk afhankelijk van de ingangsmodus. In de gemeenschappelijke modus gedragen de twee delen zich als gemeenschappelijke collectortrappen met hoge emitterbelastingen, dus de ingangsimpedanties zijn extreem hoog. In differentiële modus gedragen ze zich als common-emitter-trappen met geaarde emitters, dus de ingangsimpedanties zijn laag.

De uitgangsimpedantie van het differentiële paar is hoog (vooral voor het verbeterde differentiële paar met een stroomspiegel zoals weergegeven in figuur 3).

Invoer-/uitvoerbereik Bewerken

De common-mode ingangsspanning kan variëren tussen de twee voedingsrails, maar kan deze niet dichtbij bereiken omdat er enige spanningsdalingen (minimaal 1 volt) over de uitgangstransistoren van de twee stroomspiegels moeten blijven.

Een operationele versterker, of op-amp, is een differentiële versterker met een zeer hoge differentiële modusversterking, een zeer hoge ingangsimpedantie en een lage uitgangsimpedantie. Een op-amp differentiële versterker kan worden gebouwd met voorspelbare en stabiele versterking door toepassing van negatief terugkoppeling (Figuur 5). [nb 5] Sommige soorten differentiële versterkers bevatten meestal meerdere eenvoudigere differentiële versterkers. Een volledig differentiële versterker, een instrumentatieversterker of een isolatieversterker zijn bijvoorbeeld vaak opgebouwd uit een combinatie van verschillende op-amps.

Differentiële versterkers zijn te vinden in veel circuits die gebruik maken van negatieve seriefeedback (op-amp-volger, niet-inverterende versterker, enz.), Waar een ingang wordt gebruikt voor het ingangssignaal, de andere voor het feedbacksignaal (meestal geïmplementeerd door operationele versterkers) . Ter vergelijking: de ouderwetse inverterende single-ended op-amps uit het begin van de jaren veertig konden alleen parallelle negatieve feedback realiseren door extra weerstandsnetwerken aan te sluiten (een op-amp inverterende versterker is het meest populaire voorbeeld). Een veel voorkomende toepassing is voor de besturing van motoren of servo's, evenals voor signaalversterkingstoepassingen. In discrete elektronica is een gebruikelijke opstelling voor het implementeren van een differentiële versterker het langstaartige paar, dat ook meestal wordt aangetroffen als het differentiële element in de meeste op-amp geïntegreerde schakelingen. Een paar met lange staart kan worden gebruikt als een analoge vermenigvuldiger met de differentiële spanning als een ingang en de voorspanning als een andere.

Een differentiële versterker wordt gebruikt als aan de ingangstrap gekoppelde logische poorten en als schakelaar. Bij gebruik als schakelaar wordt de "linker" basis/grid gebruikt als signaalingang en wordt de "rechter" basis/grid geaarde uitgang genomen van de rechter collector/plaat. Wanneer de invoer nul of negatief is, is de uitvoer bijna nul (maar kan niet verzadigd zijn) wanneer de invoer positief is, is de uitvoer het meest positief, waarbij de dynamische werking hetzelfde is als het hierboven beschreven gebruik van de versterker.

Symmetrisch feedbacknetwerk elimineert common-mode gain en common-mode bias

In het geval dat de (niet-ideale) ingangsbiasstroom of differentiële ingangsimpedantie van de operationele versterker een significant effect heeft, kan men een feedbacknetwerk selecteren dat het effect van common-mode ingangssignaal en bias verbetert. In figuur 6 modelleren stroomgeneratoren de ingangsbiasstroom bij elke terminal l + B en lB vertegenwoordigen de ingangsbiasstroom op de klemmen V + en V , respectievelijk.

Het Thévenin-equivalent voor het netwerk dat de V + klem heeft een spanning V +' en impedantie R +' :

terwijl voor het netwerk rijden de V − aansluiting,

De output van de opamp is gewoon de open-loop gain EENoud maal de differentiële ingangsstroom l maal de differentiële ingangsimpedantie 2RNS, daarom

waar R// is het gemiddelde van R + // en R//.

Deze vergelijkingen ondergaan een grote vereenvoudiging als

resulterend in de relatie,

wat impliceert dat de gesloten-lusversterking voor het differentiële signaal is V + in - Vin, maar de common-mode-versterking is identiek nul. Het houdt ook in dat de common-mode ingangsbiasstroom is opgeheven, waardoor alleen de ingangsoffsetstroom overblijft l Δ B = 'ik' + B - 'LB nog steeds aanwezig, en met een coëfficiënt van Rl. Het is alsof de ingangsoffsetstroom gelijk is aan een ingangsoffsetspanning die over een ingangsweerstand werkt Rl, wat de bronweerstand is van het feedbacknetwerk in de ingangsterminals. Tot slot, zolang de open-lus spanningsversterking EENoud veel groter is dan één, is de spanningsversterking in gesloten lus RF / Rl, de waarde die men zou verkrijgen door middel van de vuistregel-analyse die bekend staat als "virtuele grond". [nr 6]