Amplificateurs asymétriques et différentiels

Pour faciliter le dessin de schémas de circuits complexes, les amplificateurs électroniques sont souvent symbolisés par une simple forme de triangle, où les composants internes ne sont pas représentés individuellement. Cette symbologie est très pratique pour les cas où la construction d'un amplificateur n'a aucun rapport avec la fonction supérieure du circuit global, et elle mérite d'être familiarisée :

Les connexions +V et -V désignent les côtés positif et négatif de l'alimentation CC, respectivement. Les connexions de tension d'entrée et de sortie sont représentées comme des conducteurs simples, car il est supposé que toutes les tensions de signal sont référencées à une connexion commune dans le circuit appelée terre . Souvent (mais pas toujours !), un pôle de l'alimentation CC, positif ou négatif, est ce point de référence à la terre. Un circuit amplificateur pratique (montrant la source de tension d'entrée, la résistance de charge et l'alimentation) pourrait ressembler à ceci :

Fonction du circuit de l'amplificateur

Sans avoir à analyser la conception réelle du transistor de l'amplificateur, vous pouvez facilement discerner la fonction de l'ensemble du circuit :prendre un signal d'entrée (V_in ), l'amplifier et entraîner une résistance de charge (R_load ). Pour compléter le schéma ci-dessus, il serait bon de préciser les gains de cet amplificateur (A_V , A_Je , A_P ) et le point Q (biais) pour toute analyse mathématique nécessaire.

S'il est nécessaire qu'un amplificateur puisse fournir une véritable tension alternative (inversion de polarité) à la charge, une alimentation continue divisée peut être utilisée, le point de masse étant électriquement « centré » entre +V et -V. Parfois, la configuration de l'alimentation divisée est appelée double alimentation.

L'amplificateur est toujours alimenté en 30 volts au total, mais avec l'alimentation CC à tension divisée , la tension de sortie aux bornes de la résistance de charge peut désormais passer d'un maximum théorique de +15 volts à -15 volts, au lieu de +30 volts à 0 volts. C'est un moyen facile d'obtenir une véritable sortie de courant alternatif (CA) à partir d'un amplificateur sans recourir à un couplage capacitif ou inductif (transformateur) sur la sortie. L'amplitude crête à crête de la sortie de cet amplificateur entre la coupure et la saturation reste inchangée.

Amplificateur différentiel

En signifiant un amplificateur à transistor dans un circuit plus grand avec un symbole triangulaire, nous facilitons la tâche d'étudier et d'analyser des amplificateurs et des circuits plus complexes. L'un de ces types d'amplificateurs les plus complexes que nous étudierons est appelé amplificateur différentiel . Contrairement aux amplificateurs normaux, qui amplifient un seul signal d'entrée (souvent appelé single-ended amplificateurs), les amplificateurs différentiels amplifient la différence de tension entre deux signaux d'entrée. En utilisant le symbole d'amplificateur triangulaire simplifié, un amplificateur différentiel ressemble à ceci :

Les deux fils d'entrée sont visibles sur le côté gauche du symbole de l'amplificateur triangulaire, le fil de sortie sur le côté droit et les fils d'alimentation +V et -V en haut et en bas. Comme dans l'autre exemple, toutes les tensions sont référencées au point de masse du circuit. Notez qu'un fil d'entrée est marqué d'un (-) et l'autre est marqué d'un (+). Parce qu'un amplificateur différentiel amplifie la différence de tension entre les deux entrées, chaque entrée influence la tension de sortie de manière opposée. Considérez le tableau suivant des tensions d'entrée/sortie pour un amplificateur différentiel avec un gain de tension de 4 :

Une tension de plus en plus positive sur l'entrée (+) a tendance à conduire la tension de sortie plus positive, et une tension de plus en plus positive sur l'entrée (-) a tendance à conduire la tension de sortie plus négative. De même, une tension de plus en plus négative sur l'entrée (+) a également tendance à entraîner la sortie négative, et une tension de plus en plus négative sur l'entrée (-) fait exactement le contraire. En raison de cette relation entre les entrées et les polarités, l'entrée (-) est communément appelée l'inversion entrée et le (+) comme non inverseur saisir. Il peut être utile de considérer un amplificateur différentiel comme une source de tension variable contrôlée par un voltmètre sensible, en tant que tel :

Gardez à l'esprit que l'illustration ci-dessus n'est qu'un modèle pour aider à comprendre le comportement d'un amplificateur différentiel. Ce n'est pas un schéma réaliste de sa conception réelle. Le symbole « G » représente un galvanomètre, un mouvement sensible de voltmètre. Le potentiomètre connecté entre +V et -V fournit une tension variable à la broche de sortie (en référence à un côté de l'alimentation CC), cette tension variable définie par la lecture du galvanomètre. Il faut comprendre que toute charge alimentée par la sortie d'un amplificateur différentiel tire son courant de la source d'alimentation CC (batterie), et non du signal d'entrée. Le signal d'entrée (vers le galvanomètre) ne fait que contrôler le résultat. Ce concept peut d'abord être déroutant pour les étudiants qui découvrent les amplificateurs. Avec toutes ces polarités et marques de polarité (- et +) autour, il est facile de se perdre et de ne pas savoir quelle sera la sortie d'un amplificateur différentiel. Pour remédier à cette confusion potentielle, voici une règle simple à retenir :

Relation entre la polarité d'entrée et de sortie

Lorsque la polarité du différentiel la tension correspond aux marquages ​​pour les entrées inverseuses et non inverseuses, la sortie sera positive. Lorsque la polarité de la tension différentielle entre en conflit avec les marques d'entrée, la sortie sera négative. Cela présente une certaine similitude avec le signe mathématique affiché par les voltmètres numériques en fonction de la polarité de la tension d'entrée. Le fil de test rouge du voltmètre (souvent appelé le fil "positif" en raison de l'association populaire de la couleur rouge avec le côté positif d'une alimentation dans le câblage électronique) est plus positif que le noir, le compteur affichera un chiffre de tension positif, et vice versa :

Tout comme un voltmètre n'affichera que la tension entre ses deux cordons de test, un amplificateur différentiel idéal amplifie uniquement la différence de potentiel entre ses deux connexions d'entrée, et non la tension entre l'une de ces connexions et la terre. La polarité de sortie d'un amplificateur différentiel, tout comme l'indication signée d'un voltmètre numérique, dépend des polarités relatives de la tension différentielle entre les deux connexions d'entrée.

Utilisations de l'amplificateur différentiel

Si les tensions d'entrée de cet amplificateur représentaient des quantités mathématiques (comme c'est le cas dans les circuits informatiques analogiques) ou des mesures de processus physiques (comme c'est le cas dans les circuits d'instrumentation électroniques analogiques), vous pouvez voir comment un dispositif tel qu'un amplificateur différentiel pourrait être très utile. Nous pourrions l'utiliser pour comparer deux quantités pour voir laquelle est la plus grande (par la polarité de la tension de sortie), ou peut-être pourrions-nous comparer la différence entre deux quantités (comme le niveau de liquide dans deux réservoirs) et signaler une alarme (basée sur sur la valeur absolue de la sortie de l'amplificateur) si la différence devenait trop importante. Dans les circuits de contrôle automatique de base, la quantité contrôlée (appelée variable de processus ) est comparé à une valeur cible (appelée consigne ), et des décisions sont prises quant à la manière d'agir en fonction de l'écart entre ces deux valeurs. La première étape du contrôle électronique d'un tel schéma consiste à amplifier la différence entre la variable de processus et le point de consigne avec un amplificateur différentiel. Dans les conceptions de contrôleurs simples, la sortie de cet amplificateur différentiel peut être directement utilisée pour piloter l'élément de contrôle final (comme une vanne) et maintenir le processus raisonnablement proche du point de consigne.

AVIS :

• Un symbole "abrégé" pour un amplificateur électronique est un triangle, l'extrémité large signifiant le côté entrée et l'extrémité étroite signifiant la sortie. Les lignes d'alimentation sont souvent omises dans le dessin pour plus de simplicité.
• Pour faciliter la véritable sortie CA d'un amplificateur, nous pouvons utiliser ce qu'on appelle un split ou double alimentation, avec deux sources de tension continue connectées en série avec le point médian mis à la terre, donnant une tension positive à la terre (+V) et une tension négative à la terre (-V). Des alimentations séparées comme celle-ci sont fréquemment utilisées dans les circuits d'amplificateur différentiel.
• La plupart des amplificateurs ont une entrée et une sortie. Amplificateurs différentiels ont deux entrées et une sortie, le signal de sortie étant proportionnel à la différence de signaux entre les deux entrées.
• La tension de sortie d'un amplificateur différentiel est déterminée par l'équation suivante :V_out =A_V (V_{non inv} - V_inv )

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur les amplificateurs opérationnels de base