Однотактные и дифференциальные усилители: конструкция, принцип работы и применение

Однотактные и дифференциальные усилители

В схемотехнике сложная внутренняя структура усилителя часто заменяют единым символом треугольника. Такая абстракция сохраняет читаемость схем, сохраняя при этом сущность функции устройства.

На символе показаны два вывода питания (+V и –V) и одиночные вход и выход. Поскольку все сигнальные узлы отсчитываются от общей точки — земли, вход и выход изображаются как одиночные проводники. Во многих практических схемах одна шина питания соединена с землёй.

Реалистичная схема усилителя с источником сигнала, нагрузочным резистором и блоком питания выглядит так:

Как работает усилитель

Со схемы сразу видно: входное напряжение V_in усиливается и управляет нагрузкой R_load. Для детального анализа добавляют коэффициенты усиления по напряжению A_V, по току A_I, по мощности A_P, а также смещение (Q-точку).

Когда усилитель должен выдавать настоящую переменную волну — то есть качаться и в положительную, и в отрицательную сторону — применяют раздвоенное (двойное) питание. Земля располагается посередине между положительной и отрицательной шинами, обеспечивая симметричный опорный потенциал.

При общем напряжении питания 30 В раздвоенное питание даёт шины ±15 В, позволяя выходу качаться от +15 В до –15 В. Пико-пиковое значение амплитуды не меняется, но выход теперь может переходить через ноль без дополнительных развязывающих компонентов.

Дифференциальные усилители

В отличие от однотактных, дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между двумя входами. В условном обозначении треугольника его схема выглядит так:

Два входных вывода помечены (–) и (+), что отражает их противоположное влияние на выход. Выходной вывод справа, шины питания — сверху и снизу.

Для дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 4 соотношения вход-выход приведены в таблице:

Основные выводы:

• Растущее напряжение на входе (+) поднимает выход вверх.
• Растущее напряжение на входе (–) опускает выход вниз.
• Вывод (–) — инвертирующий вход; вывод (+) — неинвертирующий вход.

Для наглядности инженеры часто моделируют дифференциальный усилитель как управляемый источник напряжения, которым управляет чувствительный вольтметр:

В этой абстракции гальванометр (чувствительный вольтметр) задаёт выходное напряжение, а входные сигналы лишь влияют на эту установку. Реальный выходной ток берется от источника питания, а не от входных сигналов.

Правила полярности

Когда дифференциальное напряжение соответствует маркировке входов, выход положителен. При конфликте полярностей — отрицателен. Это аналогично показаниям цифрового вольтметра: красный щуп считается положительным.

Поскольку дифференциальный усилитель усиливает только разность своих двух входов, полярность выхода зависит исключительно от относительных знаков этих входов, а не от одного входа относительно земли.

Практическое применение

Дифференциальные усилители повсеместно используются в измерительной технике и системах управления:

• В аналоговых компьютерах они сравнивают два математических сигнала.
• В промышленной инструментации измеряют разность физических величин (например, уровней жидкости в двух баках) и могут сигнализировать при превышении порога.
• В обратных связях сравнивают технологическую переменную с уставкой. Полученный дифференциальный сигнал управляет исполнительным механизмом (клапаном, двигателем), удерживая процесс у уставки.

Краткий обзор

• Треугольник — условное обозначение усилителя; широкая сторона — вход, узкая — выход.
• Раздвоенное питание даёт шины +V и –V с землёй посередине, позволяя получать настоящий переменный сигнал на выходе.
• Большинство усилителей имеют один вход и один выход; дифференциальные — два входа и один выход, выход пропорционален разности входов.
• Выходное напряжение дифференциального усилителя: V_out = A_V (V_неинв – V_инв).

Связанный лист работы

• Базовый лист работы по операционным усилителям