Enkelzijdige en differentiële versterkers

Voor het gemak van het tekenen van complexe schakelschema's, worden elektronische versterkers vaak gesymboliseerd door een eenvoudige driehoekige vorm, waarbij de interne componenten niet afzonderlijk worden weergegeven. Deze symboliek is erg handig voor gevallen waarin de constructie van een versterker niet relevant is voor de grotere functie van het algehele circuit, en het is het waard om vertrouwd te raken:

De +V- en -V-aansluitingen geven de positieve en negatieve kanten van de gelijkstroomvoeding aan, respectievelijk. De ingangs- en uitgangsspanningsaansluitingen worden weergegeven als enkele geleiders, omdat wordt aangenomen dat alle signaalspanningen worden verwezen naar een gemeenschappelijke aansluiting in het circuit genaamd aarde . Vaak (maar niet altijd!), is één pool van de gelijkstroomvoeding, positief of negatief, dat aardingsreferentiepunt. Een praktisch versterkercircuit (met de ingangsspanningsbron, belastingsweerstand en voeding) kan er als volgt uitzien:

Functie versterkercircuit

Zonder het eigenlijke transistorontwerp van de versterker te hoeven analyseren, kun je gemakkelijk de functie van het hele circuit onderscheiden:een ingangssignaal nemen (V_in ), versterken en een belastingsweerstand aandrijven (R_belasting ). Om het bovenstaande schema compleet te maken, zou het goed zijn om de versterkingen van die versterker te specificeren (A_V , A_Ik , A_P ) en het Q (bias) punt voor elke benodigde wiskundige analyse.

Als het voor een versterker nodig is om echte wisselspanning (omgekeerde polariteit) naar de belasting te sturen, kan een gesplitste gelijkstroomvoeding worden gebruikt, waarbij het aardingspunt elektrisch "gecentreerd" is tussen +V en -V. Soms wordt naar de configuratie van de gesplitste voeding verwezen als een dual voeding.

De versterker wordt nog steeds geleverd met in totaal 30 volt, maar met de gelijkstroomvoeding met gesplitste spanning , kan de uitgangsspanning over de belastingsweerstand nu schommelen van een theoretisch maximum van +15 volt naar -15 volt, in plaats van +30 volt naar 0 volt. Dit is een gemakkelijke manier om echte wisselstroom (AC) output van een versterker te krijgen zonder toevlucht te nemen tot capacitieve of inductieve (transformator) koppeling op de output. De piek-tot-piek-amplitude van de output van deze versterker tussen cutoff en verzadiging blijft ongewijzigd.

Differentiële versterker

Door een transistorversterker binnen een groter circuit aan te duiden met een driehoeksymbool, verlichten we de taak van het bestuderen en analyseren van complexere versterkers en circuits. Een van deze meer complexe versterkertypes die we zullen bestuderen, wordt de differentiële versterker genoemd . In tegenstelling tot normale versterkers, die een enkel ingangssignaal versterken (vaak single-ended genoemd versterkers), differentiële versterkers versterken het spanningsverschil tussen twee ingangssignalen. Met behulp van het vereenvoudigde driehoekige versterkersymbool ziet een differentiële versterker er als volgt uit:

De twee ingangskabels zijn te zien aan de linkerkant van het driehoekige versterkersymbool, de uitgangskabel aan de rechterkant en de +V en -V voedingskabels aan de boven- en onderkant. Net als bij het andere voorbeeld, hebben alle spanningen betrekking op het aardingspunt van het circuit. Merk op dat één ingangsdraad is gemarkeerd met een (-) en de andere is gemarkeerd met een (+). Omdat een differentiële versterker het verschil in spanning tussen de twee ingangen versterkt, beïnvloedt elke ingang de uitgangsspanning op tegengestelde manieren. Bekijk de volgende tabel met ingangs-/uitgangsspanningen voor een differentiële versterker met een spanningsversterking van 4:

Een steeds positievere spanning op de (+) ingang heeft de neiging om de uitgangsspanning positiever te maken, en een steeds positievere spanning op de (-) ingang heeft de neiging om de uitgangsspanning negatiever te maken. Evenzo heeft een steeds negatievere spanning op de (+) ingang de neiging om ook de uitgang negatief te sturen, en een steeds negatievere spanning op de (-) ingang doet precies het tegenovergestelde. Vanwege deze relatie tussen ingangen en polariteiten, wordt de (-) ingang gewoonlijk de inverterende genoemd. invoer en de (+) als de niet-inverterende invoer. Het kan handig zijn om een ​​differentiële versterker te zien als een variabele spanningsbron die wordt bestuurd door een gevoelige voltmeter, als zodanig:

Houd er rekening mee dat de bovenstaande afbeelding slechts een model is om te helpen bij het begrijpen van het gedrag van een differentiële versterker. Het is geen realistisch schema van het werkelijke ontwerp. Het "G"-symbool staat voor een galvanometer, een gevoelige voltmeterbeweging. De potentiometer die is aangesloten tussen +V en -V levert een variabele spanning aan de uitgangspen (met verwijzing naar één kant van de gelijkstroomvoeding), die variabele spanning wordt ingesteld door de aflezing van de galvanometer. Het moet duidelijk zijn dat elke belasting die wordt aangedreven door de uitgang van een differentiële versterker, wordt gevoed door de gelijkstroombron (batterij), niet door het ingangssignaal. Het ingangssignaal (naar de galvanometer) stuurt alleen het resultaat. Dit concept kan in eerste instantie verwarrend zijn voor studenten die nieuw zijn met versterkers. Met al deze polariteiten en polariteitsmarkeringen (- en +) rond, is het gemakkelijk om in de war te raken en niet te weten wat de output van een differentiële versterker zal zijn. Om deze mogelijke verwarring aan te pakken, is hier een eenvoudige regel om te onthouden:

Relatie van ingangs- en uitgangspolariteit

Wanneer de polariteit van het differentieel spanning overeenkomt met de markeringen voor inverterende en niet-inverterende ingangen, zal de uitgang positief zijn. Wanneer de polariteit van de differentiële spanning botst met de ingangsmarkeringen, zal de uitgang negatief zijn. Dit vertoont enige gelijkenis met het wiskundige teken dat wordt weergegeven door digitale voltmeters op basis van de polariteit van de ingangsspanning. Het rode testsnoer van de voltmeter (vaak het "positieve" snoer genoemd vanwege de populaire associatie van de kleur rood met de positieve kant van een voeding in elektronische bedrading) is positiever dan het zwarte, de meter geeft een positief spanningscijfer weer, en vice versa:

Net zoals een voltmeter alleen de spanning tussen . weergeeft zijn twee meetsnoeren, een ideale differentiële versterker versterkt alleen het potentiaalverschil tussen de twee ingangsaansluitingen, niet de spanning tussen een van die aansluitingen en aarde. De uitgangspolariteit van een differentiële versterker hangt, net als de getekende indicatie van een digitale voltmeter, af van de relatieve polariteit van de differentiële spanning tussen de twee ingangsaansluitingen.

Gebruik van differentiële versterker

Als de ingangsspanningen naar deze versterker wiskundige grootheden vertegenwoordigen (zoals het geval is bij analoge computerschakelingen), of fysieke procesmetingen (zoals het geval is bij analoge elektronische instrumentatieschakelingen), kunt u zien hoe een apparaat zoals een differentiële versterker zou kunnen zijn zeer nuttig. We zouden het kunnen gebruiken om twee hoeveelheden te vergelijken om te zien welke groter is (door de polariteit van de uitgangsspanning), of misschien kunnen we het verschil tussen twee hoeveelheden vergelijken (zoals het vloeistofniveau in twee tanks) en een alarm markeren (gebaseerd op op de absolute waarde van het versterkervermogen) als het verschil te groot wordt. In basis automatische regelcircuits, de hoeveelheid die wordt gecontroleerd (de procesvariabele . genoemd) ) wordt vergeleken met een doelwaarde (genaamd het instelpunt ), en beslissingen worden genomen over hoe te handelen op basis van de discrepantie tussen deze twee waarden. De eerste stap bij het elektronisch regelen van een dergelijk schema is om het verschil tussen de procesvariabele en het setpoint te versterken met een differentiële versterker. In eenvoudige controllerontwerpen kan de output van deze differentiële versterker direct worden gebruikt om het laatste regelelement (zoals een klep) aan te sturen en het proces redelijk dicht bij het instelpunt te houden.

BEOORDELING:

• Een "steno" symbool voor een elektronische versterker is een driehoek, waarbij het brede uiteinde de invoerzijde aangeeft en het smalle uiteinde de uitvoer. Voedingskabels zijn voor de eenvoud vaak weggelaten in de tekening.
• Om echte AC-uitvoer van een versterker mogelijk te maken, kunnen we een zogenaamde split . gebruiken of dubbel voeding, met twee gelijkspanningsbronnen die in serie zijn geschakeld met het middelpunt geaard, wat een positieve spanning naar aarde (+V) en een negatieve spanning naar aarde (-V) geeft. Dergelijke gesplitste voedingen worden vaak gebruikt in differentiële versterkerschakelingen.
• De meeste versterkers hebben één ingang en één uitgang. Differentiële versterkers hebben twee ingangen en één uitgang, waarbij het uitgangssignaal evenredig is met het verschil in signalen tussen de twee ingangen.
• De uitgangsspanning van een differentiële versterker wordt bepaald door de volgende vergelijking:V_out =A_V (V_noninv - V_inv )

GERELATEERD WERKBLAD:

• Werkblad voor eenvoudige operationele versterkers