Несимметричные и дифференциальные усилители
Для удобства рисования сложных схем электронные усилители часто обозначаются простым треугольником, где внутренние компоненты по отдельности не представлены. Это обозначение очень удобно для случаев, когда конструкция усилителя не имеет отношения к основному назначению общей схемы, и с ним стоит ознакомиться:
Подключения +V и -V обозначают соответственно положительный и отрицательный выводы источника питания постоянного напряжения. Подключения входного и выходного напряжений показаны как одиночные проводники, поскольку предполагается, что все сигнальные напряжения в качестве опорной точки используют общее подключение, называемое землей. Часто (но не всегда!) один из выводов источника питания постоянного напряжения, положительный или отрицательный, является этой опорной точкой земли. Практическая схема усилителя (показывающая источник входного напряжения, сопротивление нагрузки и источник питания) может выглядеть так:
Вы можете легко распознать назначение всей схемы без анализа реальной транзисторной конструкции усилителя: взять входной сигнал (Vвх), усилить его и подать на сопротивление нагрузки (Rнагр). Чтобы завершить приведенную выше схему, было бы полезно указать коэффициенты усиления этого усилителя (AV, AI, AP) и точки смещения Q для любого необходимого математического анализа.
Если необходимо, чтобы усилитель мог выводить на нагрузку настоящее переменное напряжение (с обратной полярностью), можно использовать раздельный источник питания постоянного напряжения, посредством чего точка земли электрически «центрируется» между +V и -V. Иногда раздельная конфигурация источников питания называется двуполярным источником питания.
Усилитель по-прежнему запитывается в целом от 30 вольт, но с раздельными источниками питания постоянного напряжения, а выходное напряжение на резисторе нагрузки может теперь колебаться от теоретического максимума +15 вольт до -15 вольт, вместо от +30 вольт до 0 вольт. Это простой способ получить от усилителя, не прибегая на выходе к емкостной или индуктивной (трансформаторной) связи, на его выходе настоящий переменный ток (AC). Пиковая амплитуда выходного сигнала этого усилителя между отсечкой и насыщением остается неизменной.
Благодаря обозначению транзисторного усилителя в большей схеме символом треугольника мы облегчаем задачу изучения и анализа более сложных усилителей и схем. Один из этих более сложных типов усилителей, который мы будем изучать, называется дифференциальным усилителем. В отличие от обычных усилителей, которые усиливают один входной сигнал (часто называемые несимметричными усилителями), дифференциальные усилители усиливают разность напряжений между двумя входными сигналами. При использовании упрощенного треугольного обозначения усилителя дифференциальный усилитель выглядит следующим образом:
С левой стороны треугольного символа усилителя можно увидеть два входных вывода, а сверху и снизу – выводы питания +V и -V. Как и в другом примере, все напряжения в качестве опорной используют точку земли схемы. Обратите внимание, что один входной вывод обозначен (-), а второй обозначен (+). Поскольку дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между двумя входными сигналами, каждый вход влияет на выходное напряжение противоположным способом. Рассмотрим следующую таблицу входных/выходных напряжений для дифференциального усилителя с коэффициентом усиления 4:
| (-) Вход1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2,5 | 7 | 3 | -3 | -2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (+) Вход2 | 0 | 1 | 2,5 | 7 | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 | -7 |
| Выход | 0 | 4 | 10 | 28 | -4 | -10 | -28 | 0 | 24 | -20 |
Формула выходного напряжения:
\(V_{вых} = A_V(Вход_2 - Вход_1)\)
или
\(V_{вых} = A_V(Вход_{(+)} - Вход_{(-)})\)
Увеличивающееся положительное напряжение на входе (+), как правило, приводит к более положительному выходному напряжению, и увеличивающееся положительное напряжение на входе (-), как правило, приводит к более отрицательному выходному напряжению. Аналогично, увеличивающееся отрицательное напряжение на входе (+) так же приводит к отрицательному выходному напряжению, а увеличивающееся отрицательное напряжение на входе (-) делает как раз наоборот. Из-за этой взаимосвязи между входами и полярностями вход (-) обычно называют инвертирующим входом, а вход (+) – неинвертирующим входом. Может быть, полезно подумать о дифференциальном усилителе как об источнике изменяемого напряжения, управляемом чувствительным вольтметром, таким образом:
Имейте в виду, что приведенная выше иллюстрация является лишь моделью, помогающей понять поведение дифференциального усилителя. Этот не реалистичная схема его фактической конструкции. Символ "G" представляет собой гальванометр, чувствительный вольтметр. Потенциометр, подключенный между +V и -V, обеспечивает изменяемое напряжение на выходном выводе (относительно одного из выводов источника питания постоянного напряжения); это изменяемое напряжение задается показанием гальванометра. Следует понимать, что любая нагрузка, запитываемая выходом дифференциального усилителя, получает ток от источника питания постоянного напряжения (батареи), а не от входного сигнала. Входной сигнал (на гальванометре) просто управляет выходом. Вначале эта концепция может смущать студентов, только начавших знакомство с усилителями. Со всеми этими полярностями и маркировками полярностей (- и +) вокруг легко запутаться и не узнать, что будет на выходе дифференциального усилителя. Чтобы устранить эту путаницу, вот простое правило для запоминания:
Когда полярность дифференциального напряжения соответствует маркировке инвертирующего и неинвертирующего входов, выходной сигнал будет положительным. Когда полярность дифференциального напряжения противоположна маркировкам входов, выходное напряжение будет отрицательным. Это имеет некоторое сходство с математическим знаком, отображаемым цифровыми вольтметрами на основе полярности входного напряжения. Если красный щуп вольтметра (часто называемый «положительным» выводом из-за популярности ассоциации красного цвета с положительным выводом источника питания в электронной проводке) более положителен, чем черный, вольтметр отобразит показания положительного напряжения, и наоборот:
Так же, как вольтметр только отображает напряжение между двумя измерительными щупами, идеальный дифференциальный усилитель только усиливает разность потенциалов между двумя входными выводами, а не напряжение между одним из этих выводов и землей. Полярность на выходе дифференциального усилителя точно так же, как знаковая индикация цифрового вольтметра, зависит от относительной полярности дифференциального напряжения между двумя входными выводами.
Если входные напряжения для данного усилителя представляют собой математические величины (как в случае аналоговых компьютерных схем) или показания измерений физических процессов (как в случае аналоговых электронных измерительных схем), вы можете видеть, как такое устройство, как дифференциальный усилитель, может быть очень полезно. Мы могли бы использовать его для сравнения двух величин, чтобы увидеть, что больше (по полярности выходного напряжения), или, возможно, мы могли бы сравнить разницу между двумя величинами (например, уровень жидкости в двух резервуарах) и просигнализировать об аварии (на основе абсолютного значения на выходе усилителя), если разница стала слишком большой. В базовых схемах автоматического управления контролируемое количество (называемое переменной процесса) сравнивается с целевым значением (называемым заданной точкой), и на основе несоответствия между этими двумя значениями принимается решение о том, как действовать. Первым шагом в электронном управлении такой схемой является усиление разницы между переменной процесса и заданным значением с помощью дифференциального усилителя. В простых конструкциях контроллера выход этого дифференциального усилителя может быть использован напрямую для управления конечным элементом управления (например, клапаном) и поддержания процесса достаточно близко к установленной точке.
Резюме
- Условным обозначением электронного усилителя является треугольник, широкий конец которого обозначает входную сторону, а противоположная вершина – выходную сторону. Линии питания часто отсутствуют на чертеже для простоты.
- Чтобы способствовать выдаче на выход усилителя настоящего переменного напряжения, мы можем использовать то, что называется раздельным или двуполярным источником питания, причем два источника питания постоянного напряжения соединены последовательно со средней точкой земли, обеспечивая положительно напряжение относительно земли (+V) и отрицательное напряжение относительно земли (-V). Раздельные источники питания, подобные этому, часто используются в схемах с дифференциальными усилителями.
- Большинство усилителей имеют один вход и один выход. Дифференциальные усилители имеют два входа и один выход, выходной сигнал пропорционален разности между двумя входными сигналами.
- Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется следующим уравнением: Vвых = AV(Vнеинверт – Vинверт).