Усилитель мощности схема. Усилитель мощности: принцип работы, типы и особенности

Что такое усилитель мощности. Каковы основные типы усилителей мощности. Чем отличаются усилители класса A, B, AB и C. Какими характеристиками обладают различные усилители мощности.

Содержание

Что такое усилитель мощности и для чего он нужен

Усилитель мощности — это специальный тип усилителя, предназначенный для усиления электрических сигналов до уровня, достаточного для питания нагрузки большой мощности, например громкоговорителя. Основные задачи усилителя мощности:

  • Обеспечить высокую выходную мощность сигнала
  • Согласовать выходной импеданс с нагрузкой для максимальной передачи мощности
  • Минимизировать искажения при усилении больших сигналов

Усилители мощности обычно используются в качестве выходных каскадов в аудиосистемах, радиопередатчиках, системах громкой связи и других устройствах, требующих высокой выходной мощности.

Основные характеристики усилителей мощности

Ключевые параметры усилителей мощности включают:

  • Выходную мощность (измеряется в ваттах)
  • КПД (отношение выходной мощности к потребляемой)
  • Коэффициент нелинейных искажений
  • Частотный диапазон
  • Входное и выходное сопротивление
  • Коэффициент усиления по мощности

В отличие от усилителей напряжения, для усилителей мощности коэффициент усиления по напряжению не является критичным параметром.


Классификация усилителей мощности

В зависимости от положения рабочей точки (точки Q) на нагрузочной характеристике усилители мощности подразделяются на следующие основные классы:

  • Класс A
  • Класс B
  • Класс AB
  • Класс C

Каждый класс имеет свои особенности, преимущества и недостатки.

Усилитель класса A

Усилитель класса A имеет следующие ключевые особенности:

  • Рабочая точка находится в центре нагрузочной характеристики
  • Ток через транзистор протекает в течение всего периода входного сигнала (360°)
  • Обеспечивает минимальные искажения сигнала
  • Имеет низкий КПД (обычно не более 25-30%)
  • Выходная мощность ограничена

Усилители класса A применяются там, где требуется высокая линейность усиления, например в предварительных каскадах и маломощных усилителях.

Усилитель класса B

Основные характеристики усилителя класса B:

  • Рабочая точка находится на границе отсечки тока
  • Ток через транзистор протекает только половину периода входного сигнала (180°)
  • Более высокий КПД по сравнению с классом A (до 50-60%)
  • Возникают искажения при переходе через ноль (crossover distortion)
  • Обычно используется двухтактная схема

Усилители класса B применяются в мощных выходных каскадах, где допустимы небольшие искажения.


Усилитель класса AB

Усилитель класса AB сочетает преимущества классов A и B:

  • Рабочая точка смещена немного выше границы отсечки
  • Ток через транзистор протекает более половины периода (180-360°)
  • Меньшие искажения по сравнению с классом B
  • КПД выше, чем у класса A, но ниже, чем у класса B
  • Хороший компромисс между линейностью и эффективностью

Усилители класса AB широко используются в аудиотехнике, обеспечивая хорошее качество звука при достаточно высоком КПД.

Усилитель класса C

Ключевые особенности усилителя класса C:

  • Рабочая точка находится ниже границы отсечки
  • Ток через транзистор протекает менее половины периода (< 180°)
  • Высокий КПД (до 80-90%)
  • Сильные нелинейные искажения выходного сигнала
  • Применяется только для усиления гармонических сигналов

Усилители класса C используются в основном в радиопередатчиках, где искажения формы сигнала не критичны.

Выбор типа усилителя мощности

При выборе класса усилителя мощности необходимо учитывать следующие факторы:

  • Требуемая выходная мощность
  • Допустимый уровень искажений
  • Желаемый КПД
  • Тип усиливаемого сигнала
  • Стоимость и сложность реализации

Для большинства аудиоприложений оптимальным выбором являются усилители класса AB, обеспечивающие хороший баланс качества и эффективности. В профессиональной аудиотехнике часто применяются усилители класса A. Для радиопередатчиков подходят усилители класса C.


Заключение

Усилители мощности играют ключевую роль во многих электронных устройствах, обеспечивая усиление сигналов до уровней, необходимых для питания мощных нагрузок. Разнообразие классов усилителей позволяет выбрать оптимальное решение для конкретной задачи, учитывая требования к качеству сигнала, эффективности и стоимости. Понимание особенностей различных типов усилителей мощности помогает разработчикам создавать высококачественные и энергоэффективные электронные устройства.


Схема усилителя мощности

УНЧ  Усилители на микросхемах

   В данном материале мы рассмотрим создание мощного автомобильного усилителя — моноблока. УНЧ содержит 3 блока – усилитель мощности, преобразователя напряжения и блок коммутации с выпрямителями.

   Усилитель мощности звука. Схема усилителя с использованием микросхема TDA7293 и выходных транзисторов 2sc5200 приведена на рисунке. 


   Собрана она на плате размерами 125х70мм. Скачать рисунки плат можно тут. Выходные транзисторы прижаты к плате так, что их корпуса расположены параллельно плате, а их теплоотводная часть через диэлектрическую прокладку прижата к радиатору. Корпуса транзисторов должны быть изолированы один от другого и от радиатора.

Катушка L1 бескаркасная, намотанная проводом диаметром 1мм в два слоя и содержит 25 витков, внутренний диаметр 5мм.

   Преобразователь напряжения является самой сложной частью данного усилителя. Схема преобразователя приведена ниже. 


   Основой преобразователя является генератор импульсов на микросхеме TL494. Частота генерации можно изменить варьируя номиналом резистора R3. Диод VD1 на входе поставлен для защиты от переплюсовки. Дроссель L1 в моем случае намотан на феритовом кольце диаметром около 2см из компьютерного блока питания и содержит 10 витков сдвоенным проводом диаметром 1мм которые распределены по всему кольцу. Его можно намотать и на феритовом стержне диаметром 8-10 мм и длиной 3 см. От правильного изготовление трансформатора сильно зависит роботоспособность блока в целом. Он намотан на феритовом кольце марки 2000НМ размерами 40*25*11. Сначала напильником закруглил все грани, и внешние и внутренние и обмотал его полотняной изолентой.

Первичная обмотка намотана жгутом который состоит из 5 жил толщиной 0,7мм и содержит 2*6 витков, то есть 12. Способ намотки: берем одну жилу и мотаем ею 6 витков равномерно распределенных по кольцу, потом следующую мотаем вплотну к первой и так все 5 жил. На выводах жилы скручюются. Потом на свободной от проводов части кольца начинаем мотать вторую половину первичной обмотки таким же образом. Получаем две равноценных обмотки. После этого опять аккуратно ообматываем кольцо изолентой и мотаем вторичную обмотку проводом 1,5мм 2*18 витков так же как и первичку.


   Блок коммутации и выпрямителя состоит из двух отделенных частей, блока коммутации, и блока выпрямителя, в который входят фильтрующие конденсаторы для питания усилителя мощности и стабилизатор напряжения для питания блока обработки сигнала. 
В блоке выпрямителя все просто. Напряжение от преобразователя попадает на фильтрующие конденсаторы, сглаживается и идет к усилителю мощности, а также на стабилизатор напряжения. Транзисторы понижают напряжение к +-26В после чего кренки стабилизируют его до 15. Нагревание транзисторов или кренок я не наблюдал, потому на радиатор не ставил.


   Блок коммутации работает следующим образом: когда на крайные по схеме клеммы подается напряжение 12В (силовые линии) зажигаеться красный светодиод, напряжение на преобразователь напряжения не поступает, усилитель не использует энергию. Когда от внешнего источника (от автомагнитолы или замка) подается +12В на клемму REM срабатывает реле, отключая красный диод, при этом подается напряжение на преобразователь и загорается зеленый светодиод, усилитель готов к работе. 

   Корпус усилителя мощности сделан из ламинируемого МДФ толщиной 8мм, боковые стенки из ДСП 16. Передняя и задняя панели – алюминиевые пластины толщиной 3мм. На передней панели сделаны 3 отверстия через которые отверткой можно крутить регуляторы громкости, фазы и частоты среза, а также два светодиода. На задней панели находятся все разъемы, входы, выход и зажимы для подаче напряжения и клема REM, все они, кроме входных, хорошо изолированны от пластины. Верхняя крышка – пластиковая решетка, по моему от акустической системы Аккорд. Все платы крепятся к нижней панели корпуса, кроме блока обработки сигнала, в котором переменные резисторы закрепляются дополнительно на алюминиевую пластинку. Микросхема TDA7294 и транзисторы из преобразователя напряжения смонтированы на одном радиатое, что крепится к боковой панели. Транзисторы и микросхема изолированы от радиатора. В корпусе также находится небольшой куллер.

Понравилась схема — лайкни!

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ

Смотреть ещё схемы усилителей

       УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ          УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ  

   

УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ          СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ   

    




Гибридный УМЗЧ

Однотактный ламповый

Ламповый на КТ88

Усилитель для наушников

Усилитель на 100 Вт

Усилитель на LM3875

Схема LM386

Как сделать УНЧ для наушников

Интегрированные схемы управления усилителями мощности в базовых станциях и схемы управления на дискретных компонентах Analog Devices

Введение

Усилитель мощности (УМ) вносит доминирующий вклад в такие показатели сигнального тракта базовых станций беспроводных систем связи, как рассеиваемая мощность, линейность, КПД и стоимость. Мониторинг и управление характеристиками УМ базовых станций делает возможной максимизацию выходной мощности при достижении оптимальных значений линейности и КПД.

Компания Analog Devices выпускает широкий спектр компонентов, которые идеально подходят для решения подобных задач. Многоканальные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), аналого-цифровые преобразователи (АЦП), датчики температуры и тока, а также однокристальные интегрированные решения применяются в базовых станциях для мониторинга и управления разнообразными аналоговыми сигналами. Дискретные датчики и преобразователи данных обеспечивают наилучшие характеристики и максимальную гибкость конфигурации, в то время как интегрированные решения обладают меньшей стоимостью, меньшими размерами и большей надежностью.

Оптимизация КПД базовых станций по мощности является ключевым вопросом с точки зрения защиты окружающей среды для компаний, работающих в сфере телекоммуникационной промышленности. Прилагаются значительные усилия, направленные на снижение суммарного энергопотребления базовых станций и, как следствие, уменьшения их воздействия на окружающую среду. Электроэнергия является основным источником повседневных расходов на эксплуатацию базовых станций, и УМ может быть ответственен более чем за половину потребляемой мощности. Таким образом, оптимизация КПД УМ по мощности улучшает его рабочие характеристики, снижает вред, наносимый окружающей среде, и приносит экономическую выгоду.

 

Управление УМ при помощи дискретных компонентов

На рис. 1 показана базовая схема каскада усиления мощности на основе транзистора, выполненного по технологии металл-оксид-полупроводник с поперечной диффузией (lateral-diffused metal-oxide semiconductor — LDMOS). Оптимальные условия смещения транзистора УМ определяются путем поиска компромиссного варианта между линейностью, КПД и усилением. Поддержание тока смещения стока на оптимальном уровне в диапазоне температур и во времени может значительно улучшить суммарные показатели качества УМ, что гарантирует его работу в пределах регулируемых уровней выходной мощности. Один из способов управления током смещения затвора заключается в применении резистивного делителя, устанавливающего напряжение на затворе на фиксированном оптимальном уровне, определенном на этапе отладки схемы.

К сожалению, подобное решение с фиксацией напряжения на затворе, которое может быть достаточно эффективным с точки зрения стоимости, обладает серьезным недостатком: оно не учитывает изменения условий окружающей среды, разброс технологических параметров при производстве и флуктуации напряжения питания. Два основных фактора, воздействующих на ток смещения стока УМ, — это изменения напряжения в цепи положительного питания и температуры на кристалле.

Лучшим подходом является динамическое управление напряжением на затворе транзистора УМ, которое можно обеспечить применением алгоритма цифрового управления, измеряющего ток стока, оцифровывающего его с помощью АЦП и устанавливающего требуемое смещение с помощью ЦАП или, при некотором ухудшении разрешения, с помощью цифрового потенциометра. Подобная система управления позволяет поддерживать необходимое для достижения оптимальных характеристик смещение УМ, невзирая на изменения напряжения, температуры и других параметров среды, при помощи задаваемых пользователем программируемых контрольных точек.

Ключевым моментом в этом подходе является точное измерение тока, подаваемого на LDMOS-транзистор по цепи положительного питания, которое обеспечивается при помощи резистора, включаемого в эту цепь, и усилителя AD8211. При диапазоне синфазного входного напряжения до +65 В AD8211 обеспечивает фиксированное усиление 20 В/В. Внешний резистор задает значение тока полной шкалы. Выходной сигнал усилителя может быть мультиплексирован на вход АЦП для формирования цифрового сигнала, подаваемого затем на схему мониторинга и управления. Выходное напряжение усилителя, используемого для измерения тока, следует задать таким, чтобы оно было как можно ближе к значению напряжения полной шкалы АЦП. Постоянный мониторинг цепи положительного питания позволяет непрерывно подстраивать напряжение на затворе усилителя мощности даже при появлении импульсных выбросов, обеспечивая оптимальные условия смещения.

Зависимость тока сток-исток LDMOS-транзистора (IDS) от напряжения затвор-исток (Vgs) имеет два компонента, зависящих от температуры: средняя подвижность электронов (μ) и пороговое напряжение (Vth):

С ростом температуры Vth и μ уменьшаются, и, следовательно, изменения температуры будут приводить к изменениям выходной мощности. Для мониторинга температурных изменений на плате можно измерять температуру окружающей среды и внутреннюю температуру УМ при помощи одного или нескольких 12-разрядных температурных датчиков ADT75. ИС ADT75 представляет собой полнофункциональную систему мониторинга температуры в 8-выводном корпусе MSOP, которая обладает погрешностью ±1 °С в диапазоне температур от 0 до 70 °С.

Мультиплексирование выходного напряжения температурного датчика вместе с напряжением, соответствующим измеренному значению тока стока, и другими данными в АЦП позволяет преобразовать замеры температуры в цифровой вид для последующего мониторинга. В зависимости от конфигурации системы может возникает необходимость разместить на плате несколько температурных датчиков. Например, если используется два и более УМ или несколько предварительных драйверов во входном каскаде, то применение отдельных датчиков на каждый усилитель повысит эффективность управления системой. Для преобразования аналоговых измерений в цифровые данные при проведении одновременного мониторинга и датчиков тока, и датчиков температуры можно воспользоваться многоканальными 12-разрядными АЦП AD7992, AD7994 и AD7998.

Цифровую информацию, собираемую с датчиков тока и температурных датчиков, можно отслеживать в непрерывном режиме дискретной логикой управления или микроконтроллером. Динамическое управление напряжением на затворе УМ при помощи цифрового потенциометра или ЦАП по результатам мониторинга позволяет поддерживать условия смещения на оптимальном уровне. Разрешение ЦАП будет определяться требуемой степенью точности регулировки напряжения на затворе. Телекоммуникационные компании в проектах базовых станций обычно используют сразу несколько УМ, как показано на рис. 2. Делается это исходя из соображений увеличения гибкости при выборе УМ для каждой ВЧ несущей и возможности оптимизации каждого УМ под конкретный формат модуляции. Кроме того, объединение выходов нескольких параллельно включенных УМ улучшает линейность и общий КПД. В таких случаях для обеспечения требований к усилению и КПД УМ может потребоваться несколько каскадов усиления, состоящих из усилителя с переменным коэффициентом усиления (VGA, variable gain amplifier) и предварительного драйвера. Для управления их усилением и задания различных настроечных уровней можно применить многоканальный ЦАП.

Для обеспечения точного управления затвором УМ могут применяться 12-разрядные одиночный, сдвоенный и четырехканальный ЦАП — AD5622, AD5627 и AD5625 соответственно. Они имеют внутренние буферы с превосходной нагрузочной способностью, что позволяет в большинстве приложений избежать применения внешних буферов. Комбинация низкого энергопотребления, гарантированной монотонности и быстрого времени установления делает эти компоненты идеальным выбором для точной настройки рабочих уровней.

Для задач, в которых точность не является ключевым параметром и достаточно 8-битного разрешения, можно применить менее дорогие цифровые потенциометры. Такие резисторы с цифровым управлением выполняют те же функции регулировки, что и механические потенциометры или переменные резисторы, но обладают при этом более высокой точностью, надежностью, характерной для полупроводниковых компонентов, и превосходными температурными характеристиками. Энергонезависимые и однократно программируемые (OTP, onetime-programmable) цифровые потенциометры идеально подходят для ВЧ-систем с организацией дуплексной передачи по принципу разделения во времени (TDD, time-division duplexing), где УМ отключается на период приема и включается фиксированным напряжением, подаваемым на затвор, на период передачи. Заранее запрограммированное значение напряжения запуска сокращает задержку включения и улучшает КПД при включении транзистора УМ в фазе передачи сигнала. Возможность отключения транзистора УМ в фазе приема предотвращает искажение принимаемого сигнала шумом цепи передатчика и улучшает общий КПД УМ. Для решения этой задачи существует большое количество разнообразных потенциометров, и выбор конкретного устройства определяется количеством каналов, типом интерфейса, разрешением и требованиями к энергонезависимой памяти. Например, для задания рабочих уровней в ВЧ-усилителях хорошо подходит 256-позиционный однократно программируемый двухканальный потенциометр с интерфейсом I2C — AD5172.

Для поддержания оптимальных значений линейности и КПД при мониторинге и управлении коэффициентом усиления требуется обеспечить точное измерение уровней мощности ВЧ-сигналов сложной формы на выходе УМ. Детектор среднеквадратической мощности TruePowr AD8362 обладает динамическим диапазоном 65 дБ на частотах от 50 Гц до 3,8 ГГц, что позволяет очень точно измерять среднеквадратическую мощность ВЧ-сигналов, характерных для базовых станций сотовых систем связи W-CDMA, EDGE и UMTS.

На рис. 3 выход детектора мощности VOUT подключен к выводу управления усилением УМ. Сигнал с выхода УМ поступает на антенну. Часть выходного сигнала снимается при помощи направленного ответвителя, ослабляется на заданное значение и подается на детектор мощности. Выходной сигнал детектора мощности, являющийся мерой среднеквадратического уровня выходного сигнала передатчика, сравнивается со значением VSET, запрограммированным при помощи ЦАП, и коэффициент усиления УМ подстраивается таким образом, чтобы разность между двумя напряжениями стала равна нулю. Таким образом, VSET точно задает величину коэффициента усиления по мощности. Оцифрованное значение сигнала VOUT поступает в цепь обратной связи, которая может, отслеживая уровень излучаемой мощности на основании измерений AD8362 с выхода АЦП, управлять значением VSET и коэффициентом усиления системы.

Подобный метод регулировки усиления можно использовать также для усилителей с переменным усилением, которые применяются в предшествующих усилителю мощности каскадах сигнального тракта. Для одновременного измерения мощностей передаваемого и принимаемого сигналов можно воспользоваться сдвоенным детектором AD8364, одновременно измеряющим уровни двух входных сигналов сложной формы. В системах, где усилителю мощности предшествует VGA или предварительный драйвер и допускается применение только одного детектора мощности, усиление одного из устройств фиксируется, а VOUT подается на управляющий вход второго устройства. Если в процессе работы контура управления обнаруживается, что ток в цепи питания слишком велик, то контур посылает в ЦАП команду для уменьшения напряжения на затворе или отключения УМ. Однако в некоторых приложениях при появлении в цепи положительного питания бросков напряжения или неприемлемо высоких токов время, затрачиваемое цифровым контуром управления на считывание значения тока, преобразование его в цифровую форму и обработку оцифрованных данных, может быть слишком велико для предотвращения повреждения устройства.

Для управления ВЧ-сигналом на УМ может быть применена аналоговая схема на базе компаратора ADCMP371 и ВЧ-ключа, которая показана на рис. 4. Выходное напряжение усилителя, считывающего ток, сравнивается непосредственно с фиксированным напряжением, которое задается при помощи ЦАП. Если на выходе измерителя тока из-за броска тока или напряжения появляется напряжение, превышающее заданную фиксированную величину, то компаратор может переключить сигнал на управляющем выводе ВЧ-ключа для прекращения подачи ВЧ-сигнала на затвор УМ практически мгновенно, предотвратив повреждение УМ. Такое непосредственное управление без применения цифровой обработки намного быстрее и обеспечивает лучшую защиту, чем цифровой контур управления.

Объединив обсуждавшиеся выше элементы, мы получим типовую систему мониторинга и управления УМ, составленную из дискретных компонентов, которая показана на рис. 5. В этом примере единственным объектом мониторинга и управления является УМ, однако схожий принцип будет распространяться и на любые другие усилители сигнального тракта. Всеми дискретными компонентами в схеме управляет единственный контроллер по одной шине I2C.

В зависимости от требований, предъявляемых к сигнальному тракту, для увеличения суммарного коэффициента усиления сигнала по мощности может потребоваться несколько усилителей в предварительных и основных каскадах усиления. К несчастью, эти дополнительные каскады усиления мощности оказывают негативный эффект на суммарный КПД УМ, поэтому для минимизации ухудшения КПД и оптимизации характеристик необходимо также отслеживать и управлять преддрайверами. Например, для мониторинга температуры, мощности и уровней напряжения VGA, двух преддрайверов и двух УМ, которые используются для усиления сигнала на рис. 2, пользователю потребуется достаточно большое количество дискретных компонентов.

 

Интегрированная схема мониторинга и управления

Для решения проблемы увеличения количества компонентов компания Analog Devices разработала микросхему AD7294 — интегрированную систему мониторинга и управления (рис. 6). Она содержит на одном кристалле все узлы, которые необходимы для типовых задач мониторинга тока, напряжения и температуры.

Микросхема AD7294 состоит из 9-канального 12-разрядного АЦП и 4-канального ЦАП с втекающим/вытекающим током 10 мА. Она производится по технологии DMOS 0,6 мкм, что позволяет датчику тока работать с синфазными уровнями вплоть до 59,4 В. АЦП имеет два выделенных канала измерения тока, два канала измерения температуры «внешняя среда–переход», один канал для измерения внутренней температуры кристалла и четыре неспециализированных входа.

Дополнительным плюсом каналов ЦАП в микросхеме AD7294 является наличие регистра гистерезиса и регистров верхнего и нижнего пределов сигнала (которые также имеются в микросхемах AD7992/AD7994/AD7998). Пользователь может запрограммировать верхний и нижний пределы для сигнала в канале АЦП, и при его выходе за эти пределы будет выдан флаг оповещения. Регистр гистерезиса дает пользователю дополнительную возможность определять точку сброса флага оповещения при нарушении границ диапазона входного сигнала. Гистерезис предотвращает непрерывное переключение флага оповещения при считывании температуры или тока в условиях высоких шумов.

Аналогово-цифровые преобразования могут быть инициированы двумя способами. Режим команд позволяет пользователю выполнять преобразование в канале или последовательности каналов по требованию. В режиме autocycle преобразование в последовательности заранее заданных каналов осуществляется автоматически, и выдаются только сигналы оповещения при нарушении верхней или нижней границы диапазона. Этот режим отлично подходит для мониторинга реальных систем, и особенно для непрерывного мониторинга мощности сигнала или тока.

В микросхеме интегрированы два усилителя для считывания тока (рис. 7). При протекании тока стока УМ через шунтирующий резистор небольшое дифференциальное входное напряжение усиливается. Интегрированные усилители подавляют синфазные напряжения вплоть до 59,4 В и выдают усиленный аналоговый сигнал на один из мультиплексируемых каналов АЦП. Оба усилителя имеют фиксированный коэффициент усиления, равный 12,5, и работают от внутреннего опорного напряжения смещения выхода, равного 2,5 В. Каждый из усилителей сопровождается аналоговым компаратором, который обнаруживает сбои при превышении порога, заданного по уровню 1,2×напряжение полной шкалы.

Четыре 12-разрядных АЦП вырабатывают напряжение, задаваемое цифровым кодом (с разрешением 1,2 мВ), для управления токами смещения транзисторов УМ. Они также могут использоваться в задаче формирования управляющих напряжений для усилителей с переменным коэффициентом усиления. Каждый из этих преобразователей представляет собой тонкопленочный монотонный по определению 12-разрядный ЦАП «цепочечного» типа (string DAC) с опорным напряжением 2,5 В и размахом выходного напряжения 5 В. Выходной буфер ЦАП подключен к выходному каскаду цепи положительного питания. Изменяя входное смещение, выходной диапазон ЦАП можно сместить в любой интервал в пределах от 0 до 15 В. Это дает пользователю возможность обеспечить 12-разрядную точность при размахе сигнала 5 В и при этом подавать напряжение смещения до 15 В. Это актуально в связи с тенденцией к повышению значений управляющего напряжения на затворе транзисторов в каскадах УМ. Кроме того, буферы этих четырех ЦАП обеспечивают входные и выходные токи до 10 мА, и это позволяет отказаться от внешних буферов.

 

Заключение

Производители УМ разрабатывают устройства со все более сложными входными трактами, применяя различные сочетания каскадов усиления и методов управления. Выпускаемые компанией Analog Devices семейства многоканальных АЦП и ЦАП, а также аналоговых ВЧ-компонентов хорошо подходят для построения самых разнообразных архитектур, что дает возможность разработчикам реализовывать на их основе распределенные системы управления, эффективные с финансовой точки зрения. В качестве альтернативы можно использовать однокристальные решения, наподобие AD7294, которые обеспечивают значительный выигрыш по площади, занимаемой на печатной плате, надежности и стоимости системы. Наличие большого спектра дискретных компонентов и составных частей интегрированных систем также значительно увеличивает возможности разработчиков, создающих свои собственные нестандартные схемы усиления мощности.

Усилитель мощности | Типы усилителей мощности

Поиск

Усилители мощности

Для подачи большой мощности на нагрузку в качестве заключительного каскада используется специально разработанный усилитель, называемый «усилитель мощности», как показано на рисунке ниже.

Он называется «усилитель большого сигнала», потому что он способен подавать на нагрузку достаточно большую мощность, например, громкоговоритель.

Основной задачей усилителя мощности является подача большой мощности, поэтому коэффициент усиления по напряжению не важен.

Усилители мощности используются в качестве последней ступени в системе громкой связи, радиоприемниках, телевизионных приемниках и т. д.

Некоторые из важных характеристик усилителей мощности:

  • Согласование импеданса с нагрузкой, необходимое для максимальной передачи власти.
  • Используются силовые транзисторы.
  • Усилители мощности громоздки из-за использования радиаторов.
  • На выходе присутствуют гармонические искажения.
  • Они способны работать с большой мощностью.

В зависимости от положения точки Q или рабочей точки на линии нагрузки усилители мощности подразделяются на следующие четыре категории:

  1. Усилители класса A
  2. Усилители класса B
  3. Усилители класса C
  4. Усилители класса AB

Подробнее: Классификация различных усилителей

Эта классификация была сделана на основе точки Q на линии нагрузки.

Типы усилителей и расположение Q-точки указаны в таблице ниже:

Sr. NO Type of amplifier Position of Q-point
1. Class-A At the center of the load line
2. Class-B в области отсечки
3. Class-AB чуть выше отсечения
4. Class-C ниже.

1

Усилитель мощности класса А

  • Усилитель называется усилителем класса А, если транзистор, используемый для усиления, работает в течение всего цикла входного сигнала переменного тока.
  • Точка Q устанавливается точно по центру линии нагрузки, как показано на рисунке ниже.
  • Благодаря этому выходной сигнал получается для полного цикла переменного входа. то есть 360 или .
  • Силовой транзистор смещен таким образом, что рабочая точка (точка Q) находится примерно в центре линии нагрузки.
  • Теперь, когда мы подаем сигнал переменного тока на базу силового транзистора, ток базы изменяется синусоидально выше и ниже тока базы покоя I BQ .
  • В ответ на изменения I B ток коллектора изменяется синусоидально выше и ниже значения тока покоя I CQ . Ток коллектора и ток базы совпадают по фазе.
  • Из-за изменений в IC напряжение VCE также будет колебаться синусоидально.

Примечание: V CE и I C 180 o не совпадают по фазе.

Работа усилителя мощности класса А
  • Транзистор остается в « активной области » для всех значений входного сигнала и никогда не входит в области насыщения или отсечки. Таким образом, усилители мощности класса А являются линейными усилителями .
  • Транзистор проводит полный цикл входного переменного тока, т.е. на 360°. Таким образом, угол протекания тока коллектора составляет 360° или полный цикл.
  • Как показано на рисунке выше, входной сигнал усиливается правильно, без каких-либо искажений. Таким образом содержание гармоник на выходе будет низким.
  • Поскольку транзистор непрерывно работает в своей активной области, напряжение на нем V CE и ток I c . через него оба одновременно высоки.
  • Поэтому в транзисторе будет рассеиваться большая мощность в виде тепла.
  • Поэтому эффективность усилителей мощности класса А низкая. По сути, это самый низкий из всех усилителей мощности.
  • Обычно КПД (n) усилителя мощности класса А находится в пределах от 25% до 50% .
Преимущества усилителя мощности класса А
  1. Простая конструкция.
  2. Выходное напряжение без искажений.
Недостатки усилителя мощности класса А
  1. Очень низкий КПД (25% или 50%)
  2. Большое рассеивание мощности на силовых транзисторах.

2

Усилитель мощности класса B

  • Усилитель называется усилителем класса B, если выходной сигнал получается только в течение одного полупериода входного сигнала переменного тока.
  • Транзистор проводит ток только в течение полупериода входного и коллекторного тока, следовательно, течет только на 180°, как показано на рисунке ниже.
  • Для этого точка Q настраивается на отсечку. то есть по оси X, как показано на рисунке ниже. Таким образом, при отсутствии входного сигнала переменного тока транзистор остается в закрытом состоянии.
  • Координаты Q-точки (Vcc, 0).
Работа усилителя мощности класса B
  • Поскольку мы подаем синусоидальный входной сигнал на базу транзистора, переход B-E транзистора смещается в прямом направлении только во время положительного полупериода входа и базы ток начинает течь.
  • Транзистор остается в активной области только для положительного полупериода входного сигнала. В отрицательном полупериоде транзистор остается в выключенном состоянии. Таким образом, ток коллектора протекает только в течение 180° (полупериода) входного сигнала.
  • Как видно из рисунка выше, на выходе получается только один полупериод. Поэтому форма волны выходного напряжения искажается, потому что это больше не синусоида.
  • Искажение можно устранить, используя два транзистора в чередующихся полупериодах входного сигнала для получения полного цикла сигнала на выходе. Каждый транзистор проводит только 180°. Это называется двухтактным усилителем мощности класса B.
  • Поскольку транзистор остается закрытым в течение всего отрицательного полупериода, рассеиваемая мощность транзистора снижается по сравнению с усилителем мощности класса А.
  • Следовательно, эффективность усилителей класса B выше, чем у усилителей мощности класса A.
  • Максимальная эффективность конфигурации класса B может составлять 78,5%, что намного выше, чем у усилителя мощности класса A.
Искажение кроссовера
  • Искажение формы сигнала вблизи точек пересечения нуля наблюдается в усилителях мощности класса B.
  • Это происходит из-за смещения транзисторов при отсечке.
  • Искажение кроссовера можно устранить, используя усилитель мощности класса AB.
Преимущества усилителя мощности класса B
  1. Более высокий КПД (78,5%)
  2. Нулевое рассеивание мощности в спокойном состоянии.
  3. Возможно согласование импеданса с нагрузкой.
  4. Вторая гармоника автоматически подавляется.
Недостатки усилителя мощности класса B
  1. В выходном сигнале присутствуют перекрестные искажения.
  2. Эффективность не так высока.

3

Усилитель мощности класса AB

Усилитель считается усилителем класса AB, если выходной сигнал получается более чем на 180 o , но менее чем на 360 o входного сигнала переменного тока.

Это означает, что силовой транзистор, подключенный к усилителю мощности класса AB, будет проводить более 180 o , но менее 360 o входного переменного тока.

Для этого точка Q располагается немного выше отсечки. Таким образом, в отсутствие входного сигнала переменного тока транзистор «просто проводит».

Эксплуатация усилителя мощности класса AB
  • Для получения выходного сигнала более 180° и менее 360° входного сигнала переменного тока. точка Q расположена немного выше оси X, но ниже середины линии нагрузки.
  • Транзистор проводит полный положительный полупериод и часть отрицательного полупериода входного сигнала.
  • Выходной сигнал искажен. Однако это искажение можно устранить, используя два транзистора, которые могут работать в чередующихся полупериодах входа. Операция класса AB полезна для устранения перекрестных искажений.
  • Точка Q не находится ни в середине линии нагрузки, как в операции класса A, ни на оси X, как в классе B. Она находится между ними. Поэтому операция имени класса AB. Транзистор проводит более 180° (класс B), но менее 360° (класс A), поэтому рассеиваемая мощность в транзисторе меньше, чем при работе в классе A, и больше, чем при работе в классе B.
  • Следовательно, эффективность усилителя мощности класса AB выше, чем у усилителя мощности класса A, но ниже, чем у усилителя мощности класса B.
Преимущество усилителя мощности класса AB
  1. Самым большим преимуществом усилителя класса AB является устранение кроссоверных искажений.
  2. Следовательно, эта конфигурация является предпочтительной для всех аудиосистем, радиоприемников, телевизионных приемников и т. д.

4

Усилитель мощности класса C

  • Усилитель называется усилителем мощности класса C, если его выходной сигнал получается менее чем за период полупериода входного сигнала переменного тока.
  • Таким образом, силовой транзистор в конфигурации класса C будет работать в течение времени, меньшего, чем период полупериода входного сигнала переменного тока.
  • Для этого рабочая точка устанавливается ниже оси X, как показано на рисунке ниже. Таким образом, транзистор смещен ниже порога отсечки.
Работа усилителя мощности класса C
  • Из-за смещения ниже порога отсечки транзистор может оставаться в активной области менее полупериода. Таким образом, коллекторный ток течет менее чем на 180°. Другими словами, угол проводимости меньше 180°.
  • Из-за уменьшенного угла проводимости выходной сигнал сильно искажен. Процент искажений выше, чем у усилителя мощности класса B. Поэтому усилители мощности класса C не используются в качестве усилителей мощности ЗЧ.
  • Эффективность усилителей класса C очень высока. По сути, это самый высокий из всех усилителей мощности.
  • Обычно КПД выше 95%.
Преимущество усилителя мощности класса C
  1. Очень высокая эффективность (выше 95%).
  2. Низкие потери мощности на силовых транзисторах.
Недостаток усилителя мощности класса C
  1. Форма выходного сигнала может быть искажена.
Применение усилителя мощности класса C
  • Усилители класса C обычно используют настроенную схему в качестве нагрузки. Такие усилители называются настроенными усилителями класса С.
  • Эти усилители используются в качестве коллекторного модулятора для получения амплитудно-модулированного сигнала.

comparison of power amplifiers 44
Sr. No Parameter Class A Class B Class C Class AB
1. Conduction angle of collector Ток 360 O или полный цикл 180 O или половина цикла Менее 180 O между 180 O и 360 O O и 360 O

3064
2. Положение точки Q на грузовой линии В центре По оси X Ниже оси X Над осью X, но ниже средней точки
3. ИСТОЧНИКИ В выходном напряжении Нет искажений больше, чем класс-А (кроссовер) Более A, B и AB Низкий
4. ЭФФЕКТИКИ 4. ЭФФЕКТИКИ% 4. 4.
4.
4. до 50% Higher (78.5%) Very High(95%) Between 50and 78.5%
5. Power dissipation in transistors Very high Low Very low Moderate

Предыдущая статьяСверхпроводимость | Свойства сверхпроводимости |Типы сверхпроводников | Применение сверхпроводимости

Следующая статьяАрифметические инструкции 8085

Trupal Bhavsar

Home 2

Electronics Engineering (2014 г.) Младший сотрудник по телекоммуникациям (BSNL) Разработка проекта, проектирование печатных плат Преподавание предметов электроники

БОЛЬШЕ ИСТОРИЙ

Операционные усилители мощности | TI.

com

Наш широкий ассортимент усилителей мощности позволяет вам выбирать интегрированные или дискретные решения для различных рынков, таких как контрольно-измерительные приборы (T&M), связь по линиям электропередач (ПЛК) и автомобилестроение. Наши устройства способны работать с высоковольтными источниками питания до 180 В и выходным током до 10 А, поставляемым в миниатюрных корпусах с флажками самозащиты и диагностики. Новые технологические процессы обеспечивают улучшенные характеристики постоянного тока, обеспечивая более высокую точность системы.

Выбор по параметрическому заданию

Найдите мощный операционный усилитель, который наилучшим образом соответствует потребностям вашего проекта

Технические ресурсы

Указания по применению

Замечания по применению

Применение однокристального резольвера ALM2403-Q1 для снижения стоимости системы

В этом отчете по применению описывается, как использовать интегрированные усилители мощности (ALM2403-Q1 и ALM2402F-Q1) для уменьшения сложности конструкции, снижения стоимости системы, улучшения надежность и производительность для автомобильного и промышленного применения.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Примечание по применению

Замечания по применению

Управление пьезоэлектрическими нагрузками с помощью прецизионного усилителя OPA462

В этом отчете по применению рассматриваются две конфигурации операционных усилителей для управления пьезоэлектрическими нагрузками: схема с одним операционным усилителем и схема с мостовым выходом.

документ-pdfAcrobat PDF

Примечание по применению

Замечания по применению

Методы расширения рабочего диапазона источника питания OPA462

В этом отчете по применению описаны 3 схемы усилителя высокого напряжения, которые могут работать с напряжением питания до ±180 В (360 В), что дополнительно расширяет диапазон полезного выходного напряжения усилителя OPA462 до ±150 В (300 В стр. ).

документ-pdfAcrobat PDF

Ресурсы для проектирования и разработки

Инструмент моделирования

PSpice® for TI инструмент проектирования и моделирования

PSpice® for TI — это среда проектирования и моделирования, помогающая оценить функциональность аналоговых схем. В этом полнофункциональном пакете для проектирования и моделирования используется модуль аналогового анализа от Cadence®. Доступный бесплатно PSpice для TI включает в себя одну из крупнейших библиотек моделей в (…)

Оценочная плата

Двойной операционный усилитель с сильноточным выходом и модулем оценки скорости нарастания

ALM2403-Q1 — это автомобильный двойной высоковольтный сильноточный операционный усилитель (операционный усилитель) с функциями защиты от Texas Instruments.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *