Single-Ended- und Differentialverstärker

Um das Zeichnen komplexer Schaltpläne zu erleichtern, werden elektronische Verstärker oft durch eine einfache Dreiecksform symbolisiert, bei der die internen Komponenten nicht einzeln dargestellt werden. Diese Symbologie ist sehr praktisch für Fälle, in denen die Konstruktion eines Verstärkers für die übergeordnete Funktion der Gesamtschaltung irrelevant ist, und es lohnt sich, sie kennen zu lernen:

Die +V- und -V-Anschlüsse bezeichnen die positiven und negativen Seiten der Gleichstromversorgung. bzw. Die Eingangs- und Ausgangsspannungsanschlüsse sind als einzelne Leiter dargestellt, da davon ausgegangen wird, dass alle Signalspannungen auf einen gemeinsamen Anschluss in der Schaltung namens Masse bezogen sind . Oft (aber nicht immer!) ist ein Pol der Gleichstromversorgung, entweder positiv oder negativ, dieser Massebezugspunkt. Eine praktische Verstärkerschaltung (die Eingangsspannungsquelle, Lastwiderstand und Stromversorgung zeigt) könnte so aussehen:

Funktion der Verstärkerschaltung

Ohne das eigentliche Transistordesign des Verstärkers analysieren zu müssen, können Sie die Funktion der gesamten Schaltung leicht erkennen:ein Eingangssignal (V_in ), verstärken es und treiben einen Lastwiderstand (R_load ). Um das obige Schema zu vervollständigen, wäre es gut, die Verstärkungen dieses Verstärkers anzugeben (A_V , A_Ich , A_P ) und den Q-Punkt (Bias) für jede erforderliche mathematische Analyse.

Wenn ein Verstärker echte Wechselspannung (Umpolung) an die Last ausgeben muss, kann ein geteiltes DC-Netzteil verwendet werden, wobei der Massepunkt zwischen +V und -V elektrisch „zentriert“ ist. Manchmal wird die Konfiguration mit geteiltem Netzteil als dual bezeichnet Netzteil.

Der Verstärker wird weiterhin mit insgesamt 30 Volt versorgt, jedoch mit dem Split Voltage DC Netzteil , kann die Ausgangsspannung am Lastwiderstand nun von einem theoretischen Maximum von +15 Volt auf -15 Volt statt von +30 Volt auf 0 Volt schwingen. Dies ist eine einfache Möglichkeit, einen echten Wechselstrom (AC)-Ausgang von einem Verstärker zu erhalten, ohne auf kapazitive oder induktive (Transformator) Kopplung am Ausgang zurückgreifen zu müssen. Die Spitze-Spitze-Amplitude des Ausgangs dieses Verstärkers zwischen Cutoff und Sättigung bleibt unverändert.

Differenzverstärker

Indem wir einen Transistorverstärker innerhalb einer größeren Schaltung mit einem Dreieckssymbol kennzeichnen, erleichtern wir das Studium und die Analyse komplexerer Verstärker und Schaltungen. Einer dieser komplexeren Verstärkertypen, den wir untersuchen werden, heißt Differentialverstärker . Im Gegensatz zu normalen Verstärkern, die ein einzelnes Eingangssignal verstärken (oft als single-ended bezeichnet) Verstärker), Differenzverstärker verstärken die Spannungsdifferenz zwischen zwei Eingangssignalen. Unter Verwendung des vereinfachten Dreiecksverstärkersymbols sieht ein Differenzverstärker wie folgt aus:

Auf der linken Seite des dreieckigen Verstärkersymbols sind die beiden Eingangsleitungen zu sehen, rechts die Ausgangsleitungen und oben und unten die Versorgungsleitungen +V und -V. Wie im anderen Beispiel beziehen sich alle Spannungen auf den Massepunkt der Schaltung. Beachten Sie, dass ein Eingangskabel mit einem (-) und das andere mit einem (+) gekennzeichnet ist. Da ein Differenzverstärker die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen verstärkt, beeinflusst jeder Eingang die Ausgangsspannung auf entgegengesetzte Weise. Betrachten Sie die folgende Tabelle mit Eingangs-/Ausgangsspannungen für einen Differenzverstärker mit einer Spannungsverstärkung von 4:

Eine zunehmend positive Spannung am (+)-Eingang tendiert dazu, die Ausgangsspannung positiver zu treiben, und eine zunehmend positive Spannung am (–)-Eingang tendiert dazu, die Ausgangsspannung negativer zu treiben. Ebenso tendiert eine zunehmend negative Spannung am (+)-Eingang dazu, den Ausgang ebenfalls negativ zu treiben, und eine zunehmend negative Spannung am (-)-Eingang bewirkt genau das Gegenteil. Aufgrund dieser Beziehung zwischen Eingängen und Polaritäten wird der (-) Eingang allgemein als der invertierende bezeichnet Eingang und das (+) als nichtinvertierendes Eingang. Es kann hilfreich sein, sich einen Differenzverstärker als eine variable Spannungsquelle vorzustellen, die von einem empfindlichen Voltmeter gesteuert wird:

Denken Sie daran, dass die obige Abbildung nur ein Modell ist um das Verhalten eines Differenzverstärkers zu verstehen. Es ist kein realistisches Schema seines tatsächlichen Designs. Das „G“-Symbol steht für ein Galvanometer, ein empfindliches Voltmeter-Uhrwerk. Das zwischen +V und -V geschaltete Potentiometer liefert eine variable Spannung am Ausgangspin (bezogen auf eine Seite der Gleichstromversorgung), diese variable Spannung, die durch das Ablesen des Galvanometers eingestellt wird. Es ist zu beachten, dass jede vom Ausgang eines Differenzverstärkers gespeiste Last ihren Strom von der Gleichstromquelle (Batterie) bezieht, nicht vom Eingangssignal. Das Eingangssignal (zum Galvanometer) kontrolliert die Ausgabe. Dieses Konzept mag für Studenten, die mit Verstärkern noch nicht vertraut sind, zunächst verwirrend sein. Bei all diesen Polaritäten und Polaritätsmarkierungen (- und +) kann man leicht verwirrt werden und nicht wissen, wie der Ausgang eines Differenzverstärkers sein wird. Um dieser möglichen Verwirrung entgegenzuwirken, ist hier eine einfache Regel, die Sie sich merken sollten:

Beziehung von Eingangs- und Ausgangspolarität

Wenn die Polarität des Differentials Spannung mit den Markierungen für invertierende und nichtinvertierende Eingänge übereinstimmt, ist der Ausgang positiv. Wenn die Polarität der Differenzspannung mit den Eingangsmarkierungen kollidiert, ist der Ausgang negativ. Dies weist eine gewisse Ähnlichkeit mit dem mathematischen Vorzeichen auf, das von digitalen Voltmetern basierend auf der Polarität der Eingangsspannung angezeigt wird. Die rote Messleitung des Voltmeters (die wegen der beliebten Assoziation der Farbe Rot mit der positiven Seite einer Stromversorgung in der elektronischen Verkabelung oft als „positive“ Leitung bezeichnet) ist positiver als die schwarze, das Messgerät zeigt einen positiven Spannungswert an. und umgekehrt:

So wie ein Voltmeter nur die Spannung zwischen . anzeigt seiner beiden Messleitungen verstärkt ein idealer Differenzverstärker nur die Potenzialdifferenz zwischen seinen beiden Eingangsanschlüssen, nicht die Spannung zwischen einem dieser Anschlüsse und Masse. Die Ausgangspolarität eines Differenzverstärkers hängt ebenso wie die Vorzeichenanzeige eines Digitalvoltmeters von den relativen Polaritäten der Differenzspannung zwischen den beiden Eingangsanschlüssen ab.

Verwendung von Differenzverstärkern

Wenn die Eingangsspannungen dieses Verstärkers mathematische Größen darstellen (wie es bei analogen Computerschaltkreisen der Fall ist) oder physikalische Prozessmessungen (wie es bei analogen elektronischen Instrumentenschaltkreisen der Fall ist), können Sie sehen, wie ein Gerät wie ein Differenzverstärker sein könnte sehr hilfreich. Wir könnten es verwenden, um zwei Größen zu vergleichen, um zu sehen, welche größer ist (durch die Polarität der Ausgangsspannung), oder vielleicht könnten wir die Differenz zwischen zwei Größen vergleichen (z. B. den Flüssigkeitsstand in zwei Tanks) und einen Alarm melden (basierend auf auf den Absolutwert des Verstärkerausgangs), wenn die Differenz zu groß wurde. In grundlegenden automatischen Regelkreisen ist die zu steuernde Größe (die als Prozessvariable bezeichnet wird) ) wird mit einem Zielwert (der als Sollwert bezeichnet wird) verglichen ) und aufgrund der Diskrepanz zwischen diesen beiden Werten werden Handlungsentscheidungen getroffen. Der erste Schritt bei der elektronischen Steuerung eines solchen Schemas besteht darin, die Differenz zwischen der Prozessvariablen und dem Sollwert mit einem Differenzverstärker zu verstärken. In einfachen Reglerdesigns kann der Ausgang dieses Differenzverstärkers direkt verwendet werden, um das Stellglied (z. B. ein Ventil) anzusteuern und den Prozess relativ nahe am Sollwert zu halten.

RÜCKBLICK:

• Ein „Kurzzeichen“ für einen elektronischen Verstärker ist ein Dreieck, wobei das breite Ende die Eingangsseite und das schmale Ende den Ausgang bezeichnet. Der Einfachheit halber werden Stromleitungen in der Zeichnung oft weggelassen.
• Um eine echte AC-Ausgabe von einem Verstärker zu ermöglichen, können wir einen sogenannten Split . verwenden oder dual Stromversorgung, mit zwei in Reihe geschalteten Gleichspannungsquellen mit geerdetem Mittelpunkt, die eine positive Spannung an Masse (+V) und eine negative Spannung an Masse (-V) liefern. Split-Netzteile wie diese werden häufig in Differenzverstärkerschaltungen verwendet.
• Die meisten Verstärker haben einen Eingang und einen Ausgang. Differenzverstärker haben zwei Eingänge und einen Ausgang, wobei das Ausgangssignal proportional zur Signaldifferenz zwischen den beiden Eingängen ist.
• Der Spannungsausgang eines Differenzverstärkers wird durch die folgende Gleichung bestimmt:V_out =A_V (V_nichtinv - V_inv )

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für grundlegende Operationsverstärker