Дабы не перегружать чертежи 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 самого усилителя не имеет отношения к функциональности всей схемы в целом, и на этом стоит остановиться подробнее:
Рис. 1. Хотя ОУ состоит из нескольких отдельных элементов, на схемах он обозначается простым треугольником.
Подключения +V и -V обозначают положительную и отрицательную полярности 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 заземлением. Часто (но далеко 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, к примеру, так:
Не анализируя фактическую конструкцию транзистора усилителя, можно легко различить функцию всей схемы: принять входной сигнал (VВход), усилить его и управлять сопротивлением нагрузки (RНагрузка). Чтобы приведённая выше схема была полной, желательно указывать коэффициенты усиления (AV, AI, AP) и точку Q (смещение), чтобы можно было произвести необходимый математический анализ.
Если необходимо, чтобы усилитель выдавал истинное напряжение переменного тока (с изменением полярности), подаваемое на нагрузку, можно использовать раздельный источник питания постоянного тока, при котором точка заземления электрически «центрируется» между +V и -V. Иногда конфигурацию раздельного источника питания называют двойным источником питания.
Рис. 3. Двойной источник питания на усилительной схеме.
Усилитель по-прежнему получает общее напряжение 30 вольт, но с разделённым напряжением питания постоянного тока выходное напряжение на нагрузочном резисторе теперь может колебаться от теоретического максимума +15 вольт до -15 вольт вместо +30 вольт до нуля вольт. Это простой способ получить с помощью усилителя настоящий переменный ток (AC), не прибегая к ёмкостной или индуктивной (трансформаторной) связи на выходе. Размах амплитуды выходного сигнала этого усилителя между отсечкой и насыщением остаётся таким же.
Дифференциальный усилитель
Обозначая транзисторный усилитель в более крупной схеме символом треугольника, мы упрощаем задачу изучения и анализа более сложных (комплексных) усилителей и схем. Один из этих более сложных типов усилителей, которые мы будем изучать, называется дифференциальным усилителем. В отличие от обычных усилителей, которые усиливают одиночный входной сигнал (часто называемые несимметричными усилителями), дифференциальные усилители усиливают разность напряжений между двумя входными сигналами. Используя упрощённый символ усилителя в виде треугольника, дифференциальный усилитель выглядит так:
Рис. 4. Обозначение дифференциального усилителя на схемах.
Два входных провода слева от треугольного символа усилителя, выходной провод справа, а выводы питания +V и -V сверху и снизу. Как и в предыдущем 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 оказывает на выходное напряжение противоположное влияние. 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 входного напряжения:
VВыход = AV(Вход2 - Вход1)
или
VВыход = AV(Вход(+) - Вход(-))
Увеличивающееся положительное напряжение на (+) входе склонно приводить к более положительному выходному напряжению, а всё более положительное напряжение на (-) входе приводит к более отрицательному выходному напряжению. Точно так же всё более отрицательное напряжение на (+) входе приводит к отрицательному выходу, а всё более отрицательное напряжение на (-) входе делает прямо противоположное. Из-за этой связи между входами и полярностями вход (-) обычно называют инвертирующим входом, а (+) – неинвертирующим входом. Полезно представить себе дифференциальный усилитель как источник переменного напряжения, управляемый чувствительным вольтметром:
Рис. 5. Эквивалентная схема, где ОУ представлен в виде источника переменного напряжения, управляемого чувствительным вольтметром.
Имейте в виду, что приведённая выше иллюстрация является лишь условной моделью, помогающей понять поведение дифференциального усилителя. Это эквивалентная схема, а не совпадающая с реальной конструкцией. Символ «Г» представляет собой гальванометр, чувствительный движитель вольтметра. Потенциометр, подключенный между +V и -V, обеспечивает переменное напряжение на выходном контакте (по отношению к одной из сторон 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. Со всеми этими полярностями и маркировками полярности (- и +) легко запутаться и не знать, какой будет выход дифференциального усилителя. Чтобы устранить эту потенциальную путаницу, запомните простое правило:
Рис. 6. Правило выходного напряжения (в зависимости от того, как подсоединить дифференциальное входное напряжение к усилителю).
Соотношение полярности входа и выхода
Когда полярность дифференциального напряжения совпадает с маркировкой для инвертирующих и неинвертирующих 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 того, что красный цвет у всех ассоциируется с положительной стороной источника питания в электронной проводке) более положителен, чем чёрный, измеритель будет отображать положительное значение напряжения, и наоборот:
Рис. 7. Для понимания, что именно будет на выходе ОУ, можно также представить красные и чёрные тестовые провода для соответствующих подключений входного напряжения к выводам измерителя.
Подобно тому, как вольтметр будет отображать только напряжение между двумя измерительными проводами, идеальный дифференциальный усилитель только усиливает разность потенциалов между двумя входными соединениями, а не напряжение между любым из этих соединений и «землёй». 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 физических процессов (как в случае аналоговой электронной измерительной схемы), вы видите, что такое устройство, как дифференциальный усилитель, могло бы работать с огромной пользой. 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 забить тревогу (на основе от абсолютного значения выхода усилителя), если разница слишком большая. В базовой схеме автоматического управления контролируемая величина (так называемая переменная процесса) сравнивается с целевым значением (так называемая заданная точка), 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 заданной точкой с помощью дифференциального усилителя. В простых конструкциях регуляторов выход этого дифференциального усилителя можно напрямую использовать для управления конечным элементом управления (например, клапаном) и поддерживать параметры процесса, достаточно близким к заданным значениям.
Итог
«Сокращающий» символ электронного усилителя представляет собой треугольник, основание которого означает сторону входа, а противоположный основанию угол означает выход. Провода со стороны электропитания для простоты на чертеже часто опускаются.
Чтобы обеспечить на выходе усилителя реальный переменный ток, можно использовать так называемый раздельный/двойной источник питания, с двумя источниками постоянного напряжения, подключёнными последовательно с заземлённой средней точкой, что даёт на «землю» положительное (+V) или отрицательное напряжение (-V). Подобные раздельные 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 разности сигналов между двумя входами.
Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется следующим уравнением:
