Усилители с несимметричным выходом и дифференциальные усилители
Соединения +V и -V представляют соответственно положительную и отрицательную линии источника питания постоянного тока. Линии входного и выходного напряжения показаны в виде отдельных проводников, поскольку предполагается, что напряжение сигнала определяется по отношению к общей линии, то есть к земле . Часто (но не всегда!), один из полюсов источника постоянного тока, положительный или отрицательный, является данной общей линией. Практическая схема усилителя (с указанием источника входного напряжения, сопротивления нагрузки и источника питания), может выглядеть следующим образом:
Вы можно легко различить функции схемы в целом, не занимаясь анализом фактического устройства усилителя: приём входного сигнала (Vвх. ), его усиление и подача в нагрузку (R load. ). Для полноты приведённой выше схемы, было бы неплохо указать коэффициенты усиления (А V , А I , A P ) рабочую точку (смещение) для проведения необходимых математических вычислений.
Если необходимо, чтобы с выхода усилителя в нагрузку поступал сигнал напряжения переменного тока (со сменой полярности), то может быть использован двухполярный источник питания постоянного тока, в котором земля электрически «отцентрована» между + V и -V.
В подобной конфигурации общее питание усилителя по прежнему составляет 30 вольт, но выходное напряжение на нагрузке теперь колеблется от теоретического максимума в 15 вольт до -15 вольт, вместо колебаний от 0 вольт до 30 вольт. Это простой способ получить на выходе усилителя переменный ток, не прибегая к емкостной или индуктивной (трансформаторной) связи. Размах сигнала на выходе усилителя между точками отсечки и насыщения остаётся неизменным.
Обозначая транзисторные усилители в рамках более крупной схемы треугольным символом, мы облегчаем задачу изучения и анализа более сложных усилителей и схем. Один из таких более сложных усилителей называется дифференциальный усилителем . В отличие от обычных усилителей, которые усиливают один входной сигнал (их часто называютнесимметричными усилителями), дифференциальные усилители усиливают разность напряжений между двумя входными сигналами. При использовании упрощенного обозначения такого усилителя треугольником, его условное обозначение выглядит следующим образом:
С левой стороны треугольного символа усилителя изображены два проводника, в правой — выход, а на верхней и нижней сторонах линии питания + V и -V. Как и в остальных примерах, все напряжения даны по отношению к земле. Обратите внимание, что один вход отмечен знаком (-), а другой — знаком (+). Поскольку дифференциальный усилитель усиливает разность потенциалов двух входов, каждый из входов влияет на выходное напряжение в противоположных направлениях. Рассмотрим следующую таблицу входных / выходных напряжений для дифференциального усилителя с коэффициентом усиления по напряжению равным четырём (4):
Всё более возрастающее положительное напряжение на входе (+) приводит к повышению выходного напряжения, а всё более возрастающее напряжение на входе (-) приводит к понижению выходного напряжения. Подобным же образом, уменьшающее напряжение на входе (+) приводит к понижению выходного напряжения, тогда как и уменьшающееся напряжение на входе (-) приводит к обратному результату.
Будет удобно представить дифференциальный усилитель в качестве источника переменного напряжения, управляемого чувствительным вольтметром, следующим образом:
Имейте в виду, что показанная выше иллюстрация является лишьмоделью , помогающей понять принципы работы дифференциального усилителя. Она не является реальной функционирующей схемой. Символом «G» обозначен чувствительный вольтметр. Установленный между + V и -V потенциометр обеспечивает переменное напряжение на выходе (по отношению к одной из сторон источника постоянного тока), причём переменное напряжение устанавливается посредством показаний гальванометра. Следует понимать, что любая нагрузка, питание на которую поступает с выхода дифференциального усилителя, получает ток от источника постоянного тока (батареи), а не от входного сигнала. Входной сигнал (на гальванометр) просто контролирует сигнал на выходе.
Эта концепция может показаться странной для того, кто не очень хорошо знаком с усилителями. С учетом всех этих полярностей и их обозначений (- и +) вокруг, можно запутаться и не понять, каков будет сигнал на выходе дифференциального усилителя. Для решения этой потенциальной путаницы, можно использовать простые правила:
Когда полярность дифференциального напряжения соответствует обозначениям инвертирующего и неинвертирующего входов, выходной сигнал будет положительным. Если полярность дифференциального напряжения не соответствует полярности на входе, то выходной сигнал будет отрицательным. Это имеет некоторое сходство с математическими знаками, отображаемыми цифровыми вольтметрами на основе полярности входного напряжения. Если на красном щупе вольтметра будут более высокий потенциал по отношению к чёрному щупу, то показанное напряжение будет положительным, и наоборот:
Подобно вольтметру который показывает лишь напряжение между двумя щупами, идеальный дифференциальный усилитель усиливает только разность потенциалов между его двумя входами, а не напряжение между одним из входов и землёй. Полярность на выходе дифференциального усилителя, так же как и показания цифрового вольтметра, зависят от дифференциального напряжения между двумя входами.
Если бы потенциалы на входах этого усилителя были представлены математическими величинами (как это имеет место в рамках схем ЭВМ), или измерениями физических процессов (как это имеет место в рамках схем аналоговых электронных измерительных приборов), то стало бы понятно, как полезны могут быть устройства, такие как дифференциальный усилитель. Мы могли бы использовать их для сравнения двух величин, чтобы увидеть какая их них больше (по полярности выходного напряжения), или, возможно, мы могли бы сравнить разность между двумя величинами (такими, как уровень жидкости в двух ёмкостях) и получить предупреждение (на основе абсолютного значения на выходе усилителя), если разница стала слишком большой. В несложных схемах автоматического управления, подлежащее контролю количество (так называемая переменная процесса ) сравнивается с заданным значением, и затем принимается решение по поводу дальнейших действий, на основе полученных данных о разнице между этими двумя значениями. Первым шагом электронного контроля в подобных схемах является усиление разности между переменной процесса и заданным значением с помощью дифференциального усилителя. В схемах несложных контроллеров, выходной сигнал дифференциального усилителя может быть напрямую использован для подачи на заключительный элемент управления (например, клапан).
РЕЗЮМЕ:
На схемах символом для электронного усилителя выбран треугольник, причём его широкая сторона обозначает вход, а противоположная сторона — выход. Для простоты на схемах часто опускаются линии питания.
Для облегчения получения на выходе усилителя переменного тока, мы можем использовать то, что называется двухполярным питанием, когда используется два источника постоянного тока, включенных последовательно, а средняя точка является землёй, в результате чего мы будем иметь положительное напряжение относительно земли (+ V) и отрицательное напряжение относительно земли (-V). В схемах дифференциальных усилителей часто применяются подобные двухполярные источники питания.
В большинстве усилителей имеется один вход и один выход.Дифференциальные усилители имеют два входа и один выход, при этом выходной сигнал представляет собой усиленную разность потенциалов двух входных сигналов.
Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется по следующей формуле: V вых. = AV (V неинв. — Vинв.)