Сегодня, думается, будет снова небольшой «день разрыва шаблонов» :-D — по крайней мере, для тех, кто не в курсе вопроса, который мы будем обсуждать далее…
Если поразмыслить, то вся деятельность человека, так или иначе, построена на паттернах, — то бишь образчиках мышления, поведения, одним из которых является, казалось бы, непреложный факт (просто, потому что мы так привыкли), что питание электронных схем, питаемых от постоянного источника тока, обычно требует: а) заземления, б) некоего положительного полюса.
Частенько, их обозначают как VCC и GND или «+» и «-». Факт? «Ну, как бы, да!» — ответят многие.
Однако, что, если я скажу вам, что иногда может потребоваться… ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ напряжение?! О_о
С непривычки, понимаю, что выглядит это очень странно, так как мы привыкли, что в своей обыденной деятельности, наверное, в процентах 99,9% са��оделок, нам приходится иметь дело с различными манипуляциями питания от постоянного источника тока, где большинство из них сводится к тому, что реализуются пульсации положительного полюса, относительно заземления.
И сам факт рассмотрения «отрицательного питающего напряжения» выглядит…ну, мягко скажем, «шизофренично» :-D однако, это только на первый взгляд, так как подобный подход довольно широко распространён!
Но, для начала, давайте посмотрим на техническую сторону вопроса, с самого начала…
До объяснения надо будет оговориться, что сначала я приведу более классический подход, а потом более простой, понятный для понимания ;-)
Оба по-своему важны и интересны, поэтому, не обессудьте, это, на мой взгляд, всё равно имеет смысл …
Итак, что такое напряжение? С точки зрения физики, это не что иное, как разница потенциалов между двумя условными точками, где одна точка означает зону избытка электронов, а другая, — зону недостатка электронов.
Небольшой ребус (и об этом мы говорили в одной из прошлых статей): а где что? :-) То есть, у источника постоянного источника тока, что является зоной избытка электронов, а что зоной недостатка электронов: плюс или минус? И, в более общем смысле, — в каком направлении течёт ток? От плюса к минусу или от минуса к плюсу? :-D
Чем больше электронов в одной точке, и чем меньше их другой — тем сильнее электроны из зоны избытка, стремятся переместиться в зону недостатка: другими словами, тем больше и ток!
Причём, в некоторых случаях, разница потенциалов может приве��ти и к тому, что движение электронов начнётся даже через не предназначенное для этого пространство (другими словами, через зону с большим сопротивлением): и примеры хорошо известны: коронный, искровой, дуговой разряды — то есть, пробой промежутка между проводниками.
Однако, это мы несколько отвлеклись от темы, и поэтому, если мы снова вернёмся к сути нашего вопроса, то во всём этом «электрическом великолепии» нас интересует только один момент: осознание того, что разница потенциалов равномерно распределена между этими двумя точками, которые мы взяли для себя в качестве опорных, то есть, своеобразных «точек отсчёта», если хотите.
Осознание этого момента сразу поднимает и второй вопрос: а можем ли мы, на этом промежутке, взять и ещё какие-то другие точки, после чего принять их в качестве опорных?
Собственно говоря, а кто нам помешает, родители то всё равно уехали на все выходные… :-B
По крайней мере, теория нам в этом никак не противоречит, так как в электронике, всё, по сути, относительно и, очень сильно зависит от точки отсчёта — это можно сравнить с тем, как, если бы вы стояли около 10-этажного дома, и, смотрели на самый верхний этаж, задрав голову: с вашей точки зрения, когда вы находитесь на земле, на нулевом уровне, самый верхний этаж находится от вас на 10 этаже.
А теперь, предположим, что вы сели в лифт, и проехали некоторое количество этажей вверх, после чего вышли, например, на 5 этаже, и снова посмотрели на последний этаж — тут вы обнаружите, что находитесь ровно на половине пути до верха.
То есть, вы переместились на некое расстояние от начала диапазона до его конца, и, с этой новой точки отсчёта — вам до верхней точки осталось ровно вполовину меньше. Логично? Вполне!
То есть, мы всё ещё находимся в границах диапазона, всё ещё несколько ниже верхней точки и, относительно нашего нового положения, если мы его примем в качестве 0, самый последний этаж здания находится на +5 этаже.
А теперь, ради интереса, посмотрим вниз, на уровень земли, — с которого мы только что начали движение. Он ведь тоже является частью этого диапазона, под названием, условно говоря «Дом»? Именно так!
На каком уровне, относительно нашей новой точки отсчёта находится уровень земли? Нетрудно понять, что он находится на -5 этаже!
Но задумаемся, а разве бывают -5 этажи?! (ну, если не иметь в виду развитую систему подвалов или многоуровневые парковки:-D, — что, впрочем, редкость в обычных жилых домах).
Таким образом, мы видим, что принципиально ничего не изменилось, — не был построен какой-то «гипотетический дом», с -5 этажом (непонятно кем построенный и для чего :-D) — вместо этого, всего лишь изменилась наша точка отсчёта: мы переместились на пятый этаж, что сразу для нас изменило всё!
Теперь, если мы вернёмся к электронике от наших домов, то нетрудно увидеть и аналогию: что если в качестве одного из контактов питания мы возьмём 0, а в качестве другого — точку максимального потенциала, например, по аналогии с нашим домом, точку в +10В, то мы получим нашу стандартную ситуацию, к которой мы все привыкли.
Однако, если мы сделаем отвод питания (т.е. третий провод), например, от середины потенциала между 0 и +10 В, который будет находиться, например, в точке +5 В, то, между этой точкой, и точкой в +10 В будет ровно половина потенциала, то есть, +5В!
А теперь, самое интересное: между этой точкой и 0 (если считать от этой точки, а не от 0) - у нас и будут наши -5В! То есть, отрицательное напряжение питания!
В ходе этих рассуждений, мы пришли к ещё более простому варианту, который я обещал выше: нетрудно заметить, что всё вышеописанное легко можно проиллюстрировать (и, наверняка, вы это неоднократно проделывали в своей практике) если мы просто-напросто возьмем две пальчиковые батарейки, соединим их последовательно, то нетрудно понять, что между крайними полюсами двух батареек будет +3В, между средней точ��ой батареек и полюсом верхней батарейки будет +1,5В, а между средней точкой и нижним полюсом нижней батарейки -1,5В.
Наглядно, и просто!
Но, остаётся практический вопрос: в теории, всё выглядит конечно красиво, но как же нам соединить плюс и минус, если мы имеем в виду некие абстрактные полюса источника питания, чтобы сделать средний отвод, а не рассмотренные выше батарейки, ведь мы знаем, что это моментально приведёт ни к чему иному, как к короткому замыканию!?
Самый простой вариант, который мы рассматривали в одной из статей ранее, это использование простого резистивного делителя:
Как можно видеть на картинке выше, он состоит всего лишь из двух резисторов, соединённых последовательно, и, даже невооружённым взглядом видно, что он имеет всё то, что нам нужно: три вывода справа!
Таким образом, мы видим, что, условно говоря, между серединой и верхом у нас будет положительное напряжение, а между серединой и низом отрицательное.
Но, там же мы рассмотрели, что подобная схема подключения годится только для слаботочных применений.
И раз уж мы затронули тему применений, то сразу становится интересно, а для чего может применяться такое напряжение?
Но для этого, посмотрим на картинку ниже:
На этой картинке, в нижней части, мы видим так называемую «дифференциальную передачу», или дифференциальный сигнал, который, как мы видим, существенно отличается от первого варианта, представленного в верхней части этой же картинки (несимметричная передача).
Как можно понять, он состоит из двух, абсолютно одинаковых по амплитуде сигналов, но инвертированных относительно друг друга по полярности (или фазе, если хотите).
При таком типе передачи, происходит вычисление разницы между сигналами, по формуле ниже, что позволяет понять, перед нами ноль или единица:
Vдифф = V(A) — V(B)
Причём, что интересно, в первой половине XX века, во время засилья аналоговой техники и необходимости в качественном отделении полезного сигнала от уровня шумов, превалировал «чистый» дифференциальный сигнал*.
*Разумеется, мы сейчас говорим исключительно об аналоговой передаче данных, а не нолей и единиц :-)
Под «чистым» (это не историческое название, это мы его условно назвали так сейчас здесь) дифференциальным сигналом подразумевается сигнал с большой амплитудой, где происходили колебания ниже нуля, на ту же величину, что и в положительную сторону.
Такие большие колебания позволили ещё больше усилить полезные свойства дифференциального сигнала, присущие ему изначально: хорошее отделение помех, так как помеха возникает одновременно на двух линиях, где при этом, не изменяет их разности, что также, как и раньше, до помехи, отлично считывается приёмником:
Таким образом, простое использование такого симметричного сигнала позволяет многократно увеличить помехозащищённость, и, соответственно, если использовать, например, витую пару для передачи данных, то можно существенно нарастить её длину.
Однако, такая большая амплитуда была особо важна в аналоговую эру, и, в значительной степени потеряла свой смысл, после перехода в цифру, так как современная цифровая техника отлично видит и гораздо меньшие перепады напряжения (достаточно даже уровня, например, до 0,4В), где кроме того, меньшие напряжения позволяют быстрее переключаться, и это уменьшает время нарастания сигнала, что является важным для высокоскоростных интерфейсов: говоря «меньшие напряжения», следует сделать небольшое пояснение, что мы не сказали главного — с помощью уже упомянутых выше делителей, например, на резисторах, вместо использования «честного нуля и честного минуса» (как раньше), стали использовать «виртуальный ноль» (или «относительный ноль», если его можно так назвать), то есть, например (цифры условные, просто для примера — к их уровню не надо привязываться): если раньше сигнал колебался от +6В до -6В, то теперь, виртуальный ноль появился, на точке в +3В, где таким образом, колебания сигнала происходят не с амплитудой в 12В (как раньше), а всего лишь в 6В (от +6В до 0 и от 0 до +6В).
Насколько известно, отрицательное напряжение требуется не только для подобной передачи, но и для питания, например операционных усилителей:
где, если не ошибаюсь, может применяться тот же подход, с делителями напряжения, и введением «нечестного» нуля :-D, и таким образом, все колебания происходят как бы в положительной зоне.
Тем не менее, насколько известно, применение «честного» нуля и колебаний относительно него, того же дифференциального сигнала, например, в аналоговых системах, не кануло до конца в лету и в наши дни, так как позволяет решать все те же задачи, например, в студийном оборудовании, где подобный подход позволяет сохранять высокую громкость передачи сигнала на большие расстояния, а также избавить его от потенциальных помех...
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
