Несимметричные и дифференциальные усилители

Для облегчения рисования сложных принципиальных схем электронные усилители часто обозначаются простым треугольником, в котором внутренние компоненты не представлены по отдельности. Эта символика очень удобна в случаях, когда конструкция усилителя не имеет отношения к большей функции всей схемы, и заслуживает ознакомления:

Подключения + V и -V обозначают положительную и отрицательную стороны источника питания постоянного тока. соответственно. Подключения входного и выходного напряжения показаны как однопроводные, поскольку предполагается, что все напряжения сигналов относятся к общему подключению в цепи, называемому землей . . Часто (но не всегда!) Опорной точкой заземления является один полюс источника питания постоянного тока, положительный или отрицательный. Практическая схема усилителя (показывающая источник входного напряжения, сопротивление нагрузки и источник питания) может выглядеть следующим образом:

Функция схемы усилителя

Не анализируя фактическую конструкцию транзисторов усилителя, вы можете легко определить функцию всей схемы:принимать входной сигнал (V _in ), усилить его и установить сопротивление нагрузки (R _load ). Чтобы завершить приведенную выше схему, было бы хорошо указать коэффициенты усиления этого усилителя (A _V , A _I , A _P ) и точку Q (смещение) для любого необходимого математического анализа.

Если необходимо, чтобы усилитель мог выдавать истинное напряжение переменного тока (с изменением полярности) на нагрузку, можно использовать раздельный источник питания постоянного тока, при котором точка заземления электрически «центрируется» между + V и -V. Иногда конфигурацию раздельного блока питания называют сдвоенным . блок питания.

На усилитель по-прежнему подается общее напряжение 30 В, но с разделенным напряжением питания постоянного тока. , выходное напряжение на нагрузочном резисторе теперь может колебаться от теоретического максимума +15 вольт до -15 вольт вместо +30 вольт до 0 вольт. Это простой способ получить от усилителя истинный переменный ток (AC), не прибегая к емкостной или индуктивной (трансформаторной) связи на выходе. Размах амплитуды выходного сигнала этого усилителя между отсечкой и насыщением остается неизменным.

Дифференциальный усилитель

Обозначая транзисторный усилитель в более крупной схеме символом треугольника, мы упрощаем задачу изучения и анализа более сложных усилителей и схем. Один из этих более сложных типов усилителей, которые мы будем изучать, называется дифференциальный усилитель . . В отличие от обычных усилителей, которые усиливают один входной сигнал (часто называемый несимметричным усилители), дифференциальные усилители усиливают разницу напряжений между двумя входными сигналами. Используя упрощенный символ треугольного усилителя, дифференциальный усилитель выглядит следующим образом:

Два входных провода можно увидеть слева от треугольного символа усилителя, выходной провод справа, а выводы питания + V и -V сверху и снизу. Как и в другом примере, все напряжения относятся к точке заземления цепи. Обратите внимание, что один входной вывод отмечен знаком (-), а другой - знаком (+). Поскольку дифференциальный усилитель усиливает разницу в напряжении между двумя входами, каждый вход влияет на выходное напряжение противоположным образом. Рассмотрим следующую таблицу входных / выходных напряжений для дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 4:

Увеличивающееся положительное напряжение на (+) входе имеет тенденцию приводить к более положительному выходному напряжению, а все более положительное напряжение на (-) входе имеет тенденцию приводить к более отрицательному выходному напряжению. Точно так же все более отрицательное напряжение на (+) входе имеет тенденцию приводить к отрицательному выходу, а все более отрицательное напряжение на (-) входе делает прямо противоположное. Из-за этой связи между входами и полярностями вход (-) обычно называют инвертирующим вход и (+) как неинвертирующий Вход. Может быть полезно представить себе дифференциальный усилитель как источник переменного напряжения, управляемый чувствительным вольтметром, как таковой:

Имейте в виду, что приведенная выше иллюстрация является всего лишь моделью . чтобы помочь понять поведение дифференциального усилителя. Это нереалистичная схема его реального дизайна. Символ «G» представляет собой гальванометр, чувствительный механизм вольтметра. Потенциометр, подключенный между + V и -V, обеспечивает переменное напряжение на выходном контакте (по отношению к одной стороне источника питания постоянного тока), это переменное напряжение, устанавливаемое показаниями гальванометра. Следует понимать, что любая нагрузка, питаемая от выхода дифференциального усилителя, получает ток от источника постоянного тока (батареи), а не от входного сигнала. Входной сигнал (на гальванометр) просто контролирует выход. Эта концепция может сначала сбить с толку студентов, плохо знакомых с усилителями. С учетом всех этих полярностей и обозначений полярности (- и +) легко запутаться и не знать, какой будет выход дифференциального усилителя. Чтобы устранить эту потенциальную путаницу, запомните простое правило:

Соотношение полярности входа и выхода

Когда полярность дифференциала напряжение соответствует маркировке инвертирующего и неинвертирующего входов, выход будет положительным. Когда полярность дифференциального напряжения не соответствует маркировке входа, выход будет отрицательным. Это имеет некоторое сходство с математическим знаком, отображаемым цифровыми вольтметрами в зависимости от полярности входного напряжения. Красный тестовый провод вольтметра (часто называемый «положительным» проводом из-за популярной ассоциации красного цвета с положительной стороной источника питания в электронной проводке) более положительный, чем черный, измеритель будет отображать положительное значение напряжения, и наоборот:

Так же, как вольтметр будет отображать только напряжение между Два тестовых провода идеального дифференциального усилителя усиливают только разность потенциалов между двумя входными соединениями, а не напряжение между любым из этих соединений и землей. Выходная полярность дифференциального усилителя, как и показание со знаком цифрового вольтметра, зависит от относительной полярности дифференциального напряжения между двумя входными соединениями.

Использование дифференциального усилителя

Если входные напряжения этого усилителя представляют собой математические величины (как в случае аналоговой компьютерной схемы) или измерения физического процесса (как в случае аналоговой электронной измерительной схемы), вы можете увидеть, как такое устройство, как дифференциальный усилитель, могло бы работать. очень полезно. Мы могли бы использовать его для сравнения двух величин, чтобы увидеть, какая из них больше (по полярности выходного напряжения), или, возможно, мы могли бы сравнить разницу между двумя величинами (например, уровень жидкости в двух резервуарах) и отметить тревогу (на основе от абсолютного значения выхода усилителя), если разница стала слишком большой. В базовой схеме автоматического управления контролируемое количество (называемое переменной процесса ) сравнивается с целевым значением (называемым уставкой ), и решения о том, как действовать, принимаются на основе несоответствия между этими двумя значениями. Первым шагом в электронном управлении такой схемой является усиление разницы между переменной процесса и уставкой с помощью дифференциального усилителя. В простых конструкциях контроллеров выход этого дифференциального усилителя можно напрямую использовать для управления конечным элементом управления (например, клапаном) и поддерживать процесс, достаточно близкий к заданному значению.

ОБЗОР:

• «Сокращенным» обозначением электронного усилителя является треугольник, широкий конец которого означает входную сторону, а узкий конец означает выход. Линии электропитания часто для простоты опускаются на чертеже.
• Чтобы обеспечить истинный выход переменного тока из усилителя, мы можем использовать так называемый сплит или двойной источник питания, с двумя источниками постоянного напряжения, подключенными последовательно с заземленной средней точкой, подающей положительное напряжение на землю (+ V) и отрицательное напряжение на землю (-V). Подобные разделенные источники питания часто используются в схемах дифференциальных усилителей.
• Большинство усилителей имеют один вход и один выход. Дифференциальные усилители имеют два входа и один выход, причем выходной сигнал пропорционален разнице сигналов между двумя входами.
• Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется следующим уравнением:V _out =A _V (V _noninv - V _inv )

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Базовая таблица операционных усилителей