Amplificadores diferenciales y de un solo extremo

Para facilitar la elaboración de diagramas de circuitos complejos, los amplificadores electrónicos a menudo se simbolizan con una forma de triángulo simple, donde los componentes internos no están representados individualmente. Esta simbología es muy útil para los casos en los que la construcción de un amplificador es irrelevante para la función principal del circuito general y es digno de familiarizarse:

Las conexiones + V y -V indican los lados positivo y negativo de la fuente de alimentación de CC, respectivamente. Las conexiones de voltaje de entrada y salida se muestran como conductores únicos, porque se supone que todos los voltajes de señal están referenciados a una conexión común en el circuito llamado tierra . A menudo (¡pero no siempre!), Un polo de la fuente de alimentación de CC, ya sea positivo o negativo, es ese punto de referencia a tierra. Un circuito amplificador práctico (que muestra la fuente de voltaje de entrada, la resistencia de carga y la fuente de alimentación) podría verse así:

Función del circuito del amplificador

Sin tener que analizar el diseño real del transistor del amplificador, puede discernir fácilmente la función de todo el circuito:tomar una señal de entrada (V _in ), amplificarlo e impulsar una resistencia de carga (R _load ). Para completar el esquema anterior, sería bueno especificar las ganancias de ese amplificador (A _V , A _I , A _P ) y el punto Q (sesgo) para cualquier análisis matemático necesario.

Si es necesario que un amplificador pueda enviar voltaje de CA verdadero (polaridad inversa) a la carga, se puede usar una fuente de alimentación de CC dividida, por lo que el punto de tierra está eléctricamente "centrado" entre + V y -V. A veces, la configuración de la fuente de alimentación dividida se denomina dual fuente de alimentación.

El amplificador todavía recibe 30 voltios en total, pero con la fuente de alimentación de CC de voltaje dividido , el voltaje de salida a través de la resistencia de carga ahora puede oscilar desde un máximo teórico de +15 voltios a -15 voltios, en lugar de +30 voltios a 0 voltios. Esta es una manera fácil de obtener una verdadera salida de corriente alterna (CA) de un amplificador sin tener que recurrir al acoplamiento capacitivo o inductivo (transformador) en la salida. La amplitud pico a pico de la salida de este amplificador entre el corte y la saturación permanece sin cambios.

Amplificador diferencial

Al significar un amplificador de transistor dentro de un circuito más grande con un símbolo de triángulo, facilitamos la tarea de estudiar y analizar amplificadores y circuitos más complejos. Uno de estos tipos de amplificadores más complejos que estudiaremos se llama amplificador diferencial . A diferencia de los amplificadores normales, que amplifican una única señal de entrada (a menudo denominada de un solo extremo amplificadores), los amplificadores diferenciales amplifican la diferencia de voltaje entre dos señales de entrada. Usando el símbolo del amplificador triangular simplificado, un amplificador diferencial se ve así:

Los dos cables de entrada se pueden ver en el lado izquierdo del símbolo del amplificador triangular, el cable de salida en el lado derecho y los cables de alimentación + V y -V en la parte superior e inferior. Como en el otro ejemplo, todos los voltajes se refieren al punto de tierra del circuito. Observe que un cable de entrada está marcado con un (-) y el otro está marcado con un (+). Debido a que un amplificador diferencial amplifica la diferencia de voltaje entre las dos entradas, cada entrada influye en el voltaje de salida de manera opuesta. Considere la siguiente tabla de voltajes de entrada / salida para un amplificador diferencial con una ganancia de voltaje de 4:

Un voltaje cada vez más positivo en la entrada (+) tiende a hacer que el voltaje de salida sea más positivo, y un voltaje cada vez más positivo en la entrada (-) tiende a hacer que el voltaje de salida sea más negativo. Del mismo modo, un voltaje cada vez más negativo en la entrada (+) tiende a conducir a la salida negativa también, y un voltaje cada vez más negativo en la entrada (-) hace todo lo contrario. Debido a esta relación entre las entradas y las polaridades, la entrada (-) se conoce comúnmente como inversión entrada y el (+) como el no inversor aporte. Puede ser útil pensar en un amplificador diferencial como una fuente de voltaje variable controlada por un voltímetro sensible, como tal:

Tenga en cuenta que la ilustración anterior es solo un modelo para ayudar a comprender el comportamiento de un amplificador diferencial. No es un esquema realista de su diseño real. El símbolo "G" representa un galvanómetro, un movimiento voltímetro sensible. El potenciómetro conectado entre + V y -V proporciona un voltaje variable en el pin de salida (con referencia a un lado de la fuente de alimentación de CC), ese voltaje variable establecido por la lectura del galvanómetro. Debe entenderse que cualquier carga alimentada por la salida de un amplificador diferencial obtiene su corriente de la fuente de alimentación de CC (batería), no de la señal de entrada. La señal de entrada (al galvanómetro) simplemente controla La salida. Este concepto puede resultar confuso al principio para los estudiantes nuevos en amplificadores. Con todas estas polaridades y marcas de polaridad (- y +) alrededor, es fácil confundirse y no saber cuál será la salida de un amplificador diferencial. Para abordar esta posible confusión, aquí hay una regla simple para recordar:

Relación de polaridad de entrada y salida

Cuando la polaridad del diferencial voltaje coincide con las marcas para entradas inversoras y no inversoras, la salida será positiva. Cuando la polaridad del voltaje diferencial choca con las marcas de entrada, la salida será negativa. Esto tiene cierta similitud con el signo matemático que muestran los voltímetros digitales basados ​​en la polaridad del voltaje de entrada. El cable de prueba rojo del voltímetro (a menudo llamado cable "positivo" debido a la asociación popular del color rojo con el lado positivo de una fuente de alimentación en el cableado electrónico) es más positivo que el negro, el medidor mostrará una cifra de voltaje positivo, y viceversa:

Así como un voltímetro solo mostrará el voltaje entre sus dos cables de prueba, un amplificador diferencial ideal solo amplifica la diferencia de potencial entre sus dos conexiones de entrada, no el voltaje entre cualquiera de esas conexiones y tierra. La polaridad de salida de un amplificador diferencial, al igual que la indicación con signo de un voltímetro digital, depende de las polaridades relativas del voltaje diferencial entre las dos conexiones de entrada.

Usos del amplificador diferencial

Si los voltajes de entrada a este amplificador representan cantidades matemáticas (como es el caso dentro de los circuitos de computadora analógica), o medidas de proceso físico (como es el caso dentro de los circuitos de instrumentación electrónica analógica), puede ver cómo un dispositivo como un amplificador diferencial podría ser muy útil. Podríamos usarlo para comparar dos cantidades para ver cuál es mayor (por la polaridad del voltaje de salida), o quizás podríamos comparar la diferencia entre dos cantidades (como el nivel de líquido en dos tanques) y marcar una alarma (basada en sobre el valor absoluto de la salida del amplificador) si la diferencia es demasiado grande. En los circuitos básicos de control automático, la cantidad que se controla (denominada variable de proceso ) se compara con un valor objetivo (llamado punto de ajuste ), y las decisiones sobre cómo actuar se basan en la discrepancia entre estos dos valores. El primer paso para controlar electrónicamente tal esquema es amplificar la diferencia entre la variable del proceso y el punto de ajuste con un amplificador diferencial. En diseños de controladores simples, la salida de este amplificador diferencial se puede utilizar directamente para impulsar el elemento de control final (como una válvula) y mantener el proceso razonablemente cerca del punto de ajuste.

REVISAR:

• Un símbolo "abreviado" para un amplificador electrónico es un triángulo, el extremo ancho significa el lado de entrada y el extremo estrecho significa la salida. Las líneas de suministro de energía a menudo se omiten en el dibujo por simplicidad.
• Para facilitar la salida de CA real de un amplificador, podemos usar lo que se llama una división o dual fuente de alimentación, con dos fuentes de voltaje DC conectadas en serie con el punto medio conectado a tierra, dando un voltaje positivo a tierra (+ V) y un voltaje negativo a tierra (-V). Las fuentes de alimentación divididas como esta se utilizan con frecuencia en circuitos amplificadores diferenciales.
• La mayoría de los amplificadores tienen una entrada y una salida. Amplificadores diferenciales tienen dos entradas y una salida, la señal de salida es proporcional a la diferencia de señales entre las dos entradas.
• La salida de voltaje de un amplificador diferencial está determinada por la siguiente ecuación:V _out =A _V (V _noninv - V _inv )

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de amplificadores operacionales básicos