Назначение усилителя. Усилители мощности: виды, назначение и критерии выбора

Что такое усилитель мощности. Какие бывают виды усилителей мощности. Для чего применяются усилители мощности. Как правильно выбрать усилитель мощности. На какие характеристики обратить внимание при выборе.

Что такое усилитель мощности и его основное назначение

Усилитель мощности — это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности электрического сигнала без существенного искажения его формы. Основная задача усилителя мощности — преобразовать слабый входной сигнал в мощный выходной сигнал, способный совершать полезную работу в нагрузке.

Ключевые функции усилителя мощности:

• Усиление входного сигнала по напряжению и току
• Согласование маломощного источника сигнала с нагрузкой
• Обеспечение требуемой выходной мощности в нагрузке
• Минимизация искажений при усилении сигнала

Усилители мощности широко применяются в различных областях электроники и радиотехники. Где используются усилители мощности?

• Аудиотехника (усилители для акустических систем)
• Радиопередающие устройства
• Промышленная автоматика
• Электроприводы
• Измерительная техника

Основные виды усилителей мощности

Существует несколько основных видов усилителей мощности, различающихся по принципу работы и характеристикам:

1. Усилители класса A

Усилители класса A работают в линейном режиме и обеспечивают минимальные искажения сигнала. Однако они имеют низкий КПД (около 25-30%) из-за высокого потребления энергии в режиме покоя.

2. Усилители класса B

В усилителях класса B каждое плечо усиливает только половину входного сигнала. Это позволяет повысить КПД до 50-60%, но приводит к появлению искажений на малых сигналах.

3. Усилители класса AB

Усилители класса AB сочетают достоинства классов A и B. Они имеют хороший КПД (до 50-70%) и низкий уровень искажений. Это наиболее распространенный тип усилителей в аудиотехнике.

4. Усилители класса D

Усилители класса D работают в импульсном режиме и обеспечивают очень высокий КПД (до 90-95%). Однако они требуют сложных выходных фильтров для подавления помех.

Ключевые характеристики усилителей мощности

При выборе усилителя мощности необходимо обратить внимание на следующие основные параметры:

Выходная мощность

Определяет максимальную мощность, которую усилитель может отдать в нагрузку без значительных искажений. Измеряется в ваттах (Вт).

Коэффициент усиления

Показывает, во сколько раз выходной сигнал больше входного по напряжению, току или мощности. Обычно выражается в децибелах (дБ).

Частотный диапазон

Указывает полосу частот, в пределах которой усилитель обеспечивает заданные характеристики. Для аудиоусилителей типичный диапазон 20 Гц — 20 кГц.

Коэффициент нелинейных искажений

Характеризует степень искажения формы сигнала при усилении. Чем ниже КНИ, тем лучше качество звучания. У хороших усилителей КНИ < 0.1%.

КПД

Отношение выходной мощности к потребляемой от источника питания. Высокий КПД означает меньший нагрев и энергопотребление усилителя.

Как правильно выбрать усилитель мощности

При выборе усилителя мощности следует учитывать несколько важных факторов:

1. Требуемая выходная мощность

Мощность усилителя должна соответствовать параметрам акустической системы и размерам помещения. Для домашнего применения обычно достаточно 50-100 Вт на канал.

2. Тип нагрузки

Усилитель должен быть согласован по сопротивлению с акустической системой (обычно 4 или 8 Ом). Убедитесь, что усилитель рассчитан на работу с вашими колонками.

3. Качество звучания

Для высококачественного звуковоспроизведения выбирайте усилители с низким уровнем искажений (КНИ < 0.1%) и широким частотным диапазоном.

4. Функциональность

Определите, какие дополнительные функции вам необходимы: регулировка тембра, наличие нескольких входов, пульт ДУ и т.д.

5. Надежность и качество изготовления

Отдавайте предпочтение проверенным производителям с хорошей репутацией. Качественный усилитель прослужит долгие годы.

Применение усилителей мощности в различных областях

Усилители мощности находят широкое применение в различных сферах техники и технологий:

Аудиотехника

В аудиосистемах усилители мощности используются для раскачки акустических систем. Они обеспечивают необходимую громкость и качество звучания в домашних кинотеатрах, концертном и студийном оборудовании.

Радиосвязь

В передающих устройствах радиосвязи усилители мощности повышают уровень сигнала для его передачи на большие расстояния. Это критически важно для работы радиостанций, систем мобильной связи, спутниковых коммуникаций.

Промышленная автоматика

Усилители мощности применяются в системах управления электроприводами станков, роботов, конвейеров. Они обеспечивают точное позиционирование и регулирование скорости электродвигателей.

Измерительная техника

В измерительных приборах усилители мощности используются для усиления слабых сигналов датчиков до уровня, необходимого для дальнейшей обработки и индикации.

Тенденции развития усилителей мощности

Современные тенденции в разработке усилителей мощности направлены на:

• Повышение энергоэффективности (КПД до 95% у цифровых усилителей класса D)
• Миниатюризацию (уменьшение габаритов и веса устройств)
• Улучшение качества звучания (снижение уровня искажений до 0.001%)
• Расширение функциональности (встраивание DSP-процессоров, сетевых интерфейсов)
• Использование новых материалов (SiC, GaN транзисторы для повышения эффективности)

Развитие технологий позволяет создавать все более совершенные усилители мощности, отвечающие растущим требованиям потребителей и промышленности.

Электронные усилители. Назначение, классификация, параметры и модель усилительного каскада. :: Электроника для всех

    Усилитель электрических сигналов — это электронное устройство, предназначенное для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подве­денного к его входу, без существенного искажения его формы. Электрическими сигналами могут быть гармонические колебания ЭДС, тока или мощности, сигналы прямо­угольной, треугольной или иной формы. Частота и форма колебаний являются существенными факторами, опреде­ляющими тип усилителя. Поскольку мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе, то по закону со­хранения энергии усилительное устройство должно включать в себя источ­ник питания. Т.о., энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. Тогда обобщенную структурную схему усилительного устройства можно изобразить, как показано на рис. 1.

Рисунок 1.  Обобщенная структурная схема усилителя.

 

    Электрические колебания поступают от источника сигнала на вход усилителя, к выходу ко­торого присоединена нагрузка, энергия для работы усилителя и нагрузки подводится от источника питания. От источника питания усилитель отбирает мощность Ро — необходимую для усиления входного сигнала. Источник сигнала обеспечивает мощность на входе усилителя Р_вх выходная мощность Р_вых выделяется на активной части нагрузки. В усилителе для мощностей выполняется неравенство: Р_вх < Р_вых < Ро. Следова­тельно,усилитель — это управляемый входным сигналом преобразователь энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Преобразование энергии осуществляется с помощью усилительных элементов (УЭ): биполяр­ных транзисторов, полевых транзисторов, электронных ламп, интегральных микросхем (ИМС). варикапов и других.

    Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. В большинстве слу­чаев одного элемента недостаточно и в усилителе при­меняют несколько активных элементов, которые соединяют по ступенчатой схеме: колебания, усиленные первым элементом, поступают на вход второго, затем третьего и т. д. Часть усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется каскадом. Усилитель состоит из активных и пассивных элемен­тов: к активным элементам относятся транзисторы, эл. микросхемы и другие нелинейные элементы, обладающие свойством изменять электропроводность между выходными электродами под воздействием управляюще­го сигнала на входных электродах. Пассивными эле­ментами являются резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и другие элементы, формирующие необхо­димый размах колебаний, фазовые сдвиги и другие па­раметры усиления. Таким образом, каждый каскад усилителя состоит из минимально не­обходимого набора активных и пассивных элементов.

    Структурная схема типичного многокаскадного усилителя приведена на рис. 2.

Рисунок 2.  Схема многокаскадного усилителя.

 

    Входной каскад и предварительный усилитель предназначены для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощно­сти (выходного каскада). Количество каскадов предварительного усиления оп­ределяется необходимым усилением. Входной каскад обеспечивает, при необ­ходимости, согласование с источником сигнала, шумовые параметры усилителя и необходимые регулировки.

    Выходной каскад (каскад усиления мощности) предназначен для отдачи в нагрузку заданной мощности сигнала при минимальных искажениях его формы и максимальном КПД.

    Источни­ками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, счи­тывающие головки магнитных и лазерных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических парамет­ров в электрические.

    Нагрузкой являются громкоговорители, электриче­ские двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т. д.Источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами — номинальными значениями напряжений, токов и мощности. Энергия расходуется в коллекторных и базовых цепях транзисторов, в цепях накала и анод­ных цепях ламп; используется для поддержания задан­ных режимов работы элементов усилителя и нагрузки. Нередко энергия источников питания требуется и для работы преобразователей входных сигналов.

 

Классификация усилительных устройств.

    Усилительные устройства классифицируют по различным признакам. Основными являются:  диапазон усиливаемых частот, функциональное назначение, характер и полоса усиливаемого сигнала. Основнымколичественным параметром усилителя является его коэффициент усиления (коэффициент передачи). Различают коэффициенты усиления напряжения Ku , тока Ki или мощности Kp .

    По виду усиливаемых электрических сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических(непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.

    По ширине полосы пропускания и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители подразделяются на следующие типы:

    — Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов в пределах от низшей частоты  = 0 до верхней рабочей частоты . УПТ усиливает как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную со­ставляющую. УПТ широко применяются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

    — Усилители напряжения, в свою очередь подразделяются на усили­тели низкой, высокой и сверхвысокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

— избирательные усилители (усилители высокой частоты — УВЧ), для которых действительно отношение частот  /1;

— широкополосные усилители с большим диапазоном частот, для которых отношение частот  />>1(например УНЧ — усилитель низкой частоты).

    — Усилители мощности — оконечный каскад УНЧ с трансформаторной развязкой. Для того, чтобы мощность была максимальной R_{вн. к} = R_н, т.е. сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению коллекторной цепи ключевого элемента (транзистора).

     По конструктивному исполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии, то есть способом навесного или печатного монтажа, и усилители, выполненные с помощью интегральной технологии. В настоящее время в качестве активных элементов широко используются аналоговые интегральные микро­схемы (ИМС).

 

Показатели работы усилителей.

    Одним из основных показателей усилительного каскада является точностьвоспроизведения формы усиливаемого сигнала. Форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала из-за линейных и нелинейных искажений, вносимых усилителем.

    Линейные искажения возникают из-за реактивных элементов в схеме и определяются скоростью изменения сигнала во времени.

    К показателям работы усилителей относятся вход­ные и выходные данные, коэффициент усиления, диапа­зон частот, коэффициент искажений, КПД и другие па­раметры, Характеризующие его качественные и эксплуа­тационные свойства.

    К входным данным относятся номинальное значение входного сигнала (напряжения U_вх=U₁, тока I_вх=I₁или мощно­сти P_вх=P₁), входное сопротивление, входная емкость или ин­дуктивность; ими определяется пригодность усилителя для конкретных практических применений. Входное со­противление R_вх  в сравнении с сопротивлением источ­ника сигнала R_и предопределяет тип усилителя; в зави­симости от их соотношения различают усилители напря­жения (при R_вх >> R_и), усилители тока (при R_вх << R_и) или усилители мощности (при R_вх = R_и).  Входная ем­кость С_вх, являясь реактивной компонентой сопротивле­ния, оказывает существенное влияние на ширину рабо­чего диапазона частот.

    Выходные данные — это номинальные значения выход­ного напряжения U_вых=U₂, тока I_вых=I₂, выходной мощности P_вых=P₂ и выходного сопротивления. Выходное сопротивление дол­жно быть значительно меньшим, чем сопротивление на­грузки. И входное и выходное сопротивления могут быть активными или иметь реактивную составляющую (ин­дуктивную или емкостную). В общем случае каждое из них равно полному сопротивлению Z, содержащему как активную, так и реактивную составляющие

    Коэффициентом усиления называется отношение вы­ходного параметра ко входному. Различают коэффициенты усиления по напряжению K_u=U₂/U₁, по току K_i=I₂/I₁ и мощности K_p=P₂/P₁.

 

Характеристики усилителя.

    Характеристики усилителя отображают его способность усиливать с определенной степенью точности сиг­налы различной частоты и формы. К важнейшим харак­теристикам относятся амплитудная, амплитудно-частот­ная, фазо-частотная и переходная.

Рис. 3. Амплитудная характеристика.

 

    Амплитудная характеристика представляет собой зависимость ампли­туды выходного напряжения от амплитуды подаваемого на вход гармонического колебания определенной частоты (рис. 3.). Входной сигнал изменяется от минимального до максимального значения, при­чем уровень минимального значения должен превышать уровень внутренних помех U_п, создаваемых самим уси­лителем. В идеальном усилителе (усилителе без помех) амплитуда выходного сигнала пропорциональна ампли­туде входного U_вых=K*U_вх и амплитудная характерис­тика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат. В реальных усилителях избавиться от помех не удается, поэтому его амплитудная характеристика от­личается от прямой.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика.

 

    Амплитудно- и фазо-частотная характеристики отражают зависимость коэффициента усиления от частоты. Из-за   присутствия в усилителе   реактивных   элементов сигналы разных частот усиливаются неодинаково, а вы­ходные сигналы сдвигаются относительно входных на различные углы. Амплитудно-частотная характеристика в виде зависимости  представлена на рисунке 4. 

    Рабочим диапазоном частот усилителя называют интервал частот, в пределах которого модуль коэффициента K остается постоянным или изменяется в заранее заданных пределах.

    Фазо-частотной характеристикой называется частотная зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного.

 

Обратные связи в усилителях.

    Обратной связью (ОС) называют связь между электрическими цепями, посред­ством которой энергия сигнала передается из цепи с более высоким уровнем сигнала в цепь с более низким его уровнем: например, из выходной цепи уси­лителя во входную или из последующих каскадов в предыдущие. Структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Структурная (слева) и принципиальная схема с отрицательной ОС по току (справа).

 

    Обратная связь может возникать в схеме через паразитные цепи, такая об­ратная связь называется паразитной. Так как паразитные связи, как правило, нельзя рассчитать, а они могут существенно ухудшить работу усилителя, по­этому паразитные связи усилителя ослабляют, чтобы они практически не ска­зывались на его свойствах. Обратная связь возникает также благодаря конст­руктивным особенностям и физическим свойствам усилительных элементов. Такую обратную связь называют внутренней, ее усчитывают при моделирова­нии усилительных элементов. Внешняя обратная связь, искусственно введен­ная и правильно построенная, вводится для изменения свойств усилителя в же­лаемом направлении, придания ему определенных функциональных особенно­стей и для улучшения основных показателей его работы. Далее, по умолчанию, речь будет идти о внешней обратной связи.

    Передача сигнала с выхода на вход усилителя осуществляется с помощью четырехполюсника В. Четырехполюсник обратной связи представляет собой внешнюю электрическую цепь, состоящую из пассивных или активных, линей­ных или нелинейных элементов. Если обратная связь охватывает весь усили­тель, то обратная связь называется общей: если обратная связь охватывает от­дельные каскады или части усилителя, называется местной. Таким образом, на рисунке пред­ставлена структурная схема усилителя с общей обратной связью.

 

Модель усилительного каскада.

    Усилительный каскад — конструктивное звено усилителя — содержит один или более активных (усилительных) элементов и набор пассивных элементов. На практике, для большей наглядности, сложные процессы исследуют на простых моделях.

    Один из вариантов транзисторного каскада для усиления пере­менного тока приведен на рисунке слева. Транзистор V1 р-п-р типа вклю­чен по схеме с общим эмиттером. Входное напряжение база — эмиттер создается источником с ЭДС Е_c и внутренним сопротивлением R_c источника. В цепи базы установлены резисторы R₁и R₂. Коллектор тран­зистора соединен с отрицательным зажимом источника E_к через резисторы R_к и Rф. Выходной сигнал снимается с выводов коллектора и эмиттера и через конденсатор С₂ поступает в нагрузку R_н. Конденсатор Сф совместно с резистором Rф образует RС-звено фильтра (положительную обратную связь — ПОС), который требуется, в частности, для сглаживания пульсаций питающего напряжения (при маломощном источнике E_к с большим внутренним сопротивлением). Так же, для большей стабильности устройства, в цепь эмиттера транзистора V1 (отрицательная обратная связь — ООС) можно дополнительно включить RC-фильтр, который будет припятствовать передачи части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Таким образом, можно избежать эффекта самовозбуждения устройства. Обычно искусственно созданная внешняя ООС позволяет добиться хороших параметров усилителя, однако это справедливо в общем случае только для усиления постоянного тока или низких частот.

2.2. Усилители. 2. Элементы и узлы аналоговых устройств. Электроника. Курс лекций

Важным назначением электронных приборов является усиление электрических сигналов. Устройства для решения этой задачи называются усилителями.

Структурная схема усилителя приведена на рис.2.1.

Рисунок 2.1.

Устройство содержит входное устройство (ВХУ) для передачи сигнала от источника (Ист. С) ко входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала ко входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной составляющей тока от источника к усилителю, или наоборот.

Предварительный усилитель (Предв. У) состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах. Усилитель мощности (УМ) служит для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления. Выходное устройство (Вых. У) используется для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку (Н). Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно или нецелесообразно. Тогда роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускающие постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согласования сопротивления выхода усилителя и нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе интегральных схем избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритных размеров и технологических трудностей изготовления.

Источник питания обеспечивает питание активных элементов усилителя.

Основными признаками для классификации усилителей являются диапазон рабочих частот и параметры, характеризующие его усилительные способности: ток, напряжение, мощность. Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон, нелинейные, частотные и фазовые искажения. Усилители мощности характеризуются выходной мощностью и КПД.

Для реализации высоких значений коэффициента усиления используют последовательное включение нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей (содержащих n каскадов) общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К = К₁ К₂ … К_n. Первый каскад определяет входное сопротивление усилителя

R_ВХ = U_BХ / I_ВХ.

Если этот каскад работает при слабых входных сигналах, то к нему предъявляются жесткие требования по уровню собственных шумов.

Выходной каскад усилителя обычно является усилителем мощности. Он характеризуется выходным сопротивлением R_ВЫХ = U_BЫХ / I_ВЫХ. Важным показателем является полезная мощность в нагрузке R_H:

P_ПОЛ = U²_ВЫХ / R_Н = I²_ВЫХ R_H,

где U_ВЫХ и I_ВЫХ — действующие значения выходного напряжения и тока соответственно.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной мощности в нагрузке Р_ПОЛ к мощности, потребляемой усилителем от всех источников питания

.

При больших амплитудах сигналов из-за нелинейности характеристик усилительных элементов возникают нелинейные искажения. Поэтому в практике используют понятие номинальной выходной мощности — максимальной мощности при искажениях, не превышающих допустимое значение. Степень нелинейных искажений усилителя оценивают величиной коэффициента гармоник:

,

где U₂, U₃, U_n — действующие значения напряжений гармоник, возникших в результате нелинейного усиления; U₁ — действующее напряжение первой гармоники.

Общая величина коэффициента гармоник многокаскадного усилителя зависит от нелинейных искажений, вносимых отдельными каскадами, и определяется по формуле

.

В электросвязи нелинейность усилителей принято оценивать затуханием нелинейности А в неперах:

.

Наличие в усилителях реактивных элементов (емкостей и индуктивностей) приводит к возникновению частотных искажений и не позволяет получить постоянный коэффициент усиления в широкой полосе частот. Примерный вид АЧХ усилителя показан на рис. 2.2, а.

Рисунок 2.2.

Степень искажений на отдельных частотах оценивается коэффициентом частотных искажений К_Ч, равным отношению коэффициента усиления К₀ на средней частоте f₀ к коэффициенту усиления К_f на данной частоте f:

K_Ч = К₀/К_f.

Обычно наибольшие частотные искажения возникают на границах диапазона рабочих частот: нижней f_н и верхней f_в. Коэффициенты частотных искажений в этом случае М_Н = К₀/К_Н, М_B = К₀/К_В. Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:

М = М₁М₂…М_n (раз).

Обычно коэффициент частотных искажений выражают в децибелах М_(ДБ) = 20LgМ_раз = М₁ + М₂ + . .. +М_n.

Частотные искажения в усилителе сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным напряжениями, что приводит к фазовым искажениям. Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике (рис. 2.2,б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Идеальная АЧХ представляет собой прямую, параллельную оси частот (штриховая линия на рис. 2.2, а).

Идеальная фазочастотная характеристика (ФЧХ) — прямая, начинающаяся из начала координат (штриховая линия на рис. 2.2, б). Идеальная амплитудная характеристика усилителя показана штриховой линией на рис. 2.2, в. В реальных усилителях наблюдаются отклонения от идеальной характеристики при слабых и больших входных сигналах. В первом случае это объясняется наличием собственных шумов усилителя, во втором — ограниченностью линейного участка характеристик усилительных каскадов (обычно последнего).

Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигнала на входе усилителя называют его динамическим диапазоном D:

D = 20 lg (U_{ВХ max} / U_{ВХ min}).

Рисунок 2.3.

В качестве базового узла предварительных усилителей наиболее широко применяется усилительный каскад на БТ, включенный по схеме с общим эмиттером. Простейшая схема такого каскада приведена на рис. 2.3, а графики, поясняющие его работу, — на рис. 2.4. Для получения наименьших нелинейных искажений усиливаемого сигнала рабочую точку А выбирают посередине рабочего участка характеристик (участок ВС на рис. 2.4, б). Выбранный режим обеспечивается требуемой величиной тока базы I_БА, задаваемого резистором R_Б. Сопротивление резистора R_Б рассчитывается по формуле

.

Здесь U_БЭА, I_КА, I_БА — напряжение и соответствующие токи в рабочей точке А.

При подаче на вход транзистора напряжения сигнала u_вх происходит изменение тока базы, а следовательно, и изменение тока коллектора i_к и напряжения на сопротивлении нагрузки R_H.

Амплитуда выходного тока I_км примерно в (b_БТ раз больше амплитуды базового тока I_БТ, а амплитуда коллекторного напряжения U_Кm во много раз больше амплитуды входного напряжения: U_Кm>>U_ВХm=U_БЭm. Таким образом, каскад усиливает ток и напряжение входного сигнала, что иллюстрирует рис. 2.4, а и б.

Пользуясь графиками, приведенными а этих рисунках, нетрудно определить основные параметры каскада:

входное сопротивление

R_ВХ = U_БЭm / I_Бm.

коэффициент усиления по току

К_i = I_кm / I_Бm.

коэффициент усиления по напряжению

К_u = U_Кm / U_БЭm.

коэффициент усиления по мощности

К_Р = К_uК_i.

Обычно каскады предварительных усилителей работают в режиме усиления слабых сигналов (постоянные составляющие тока базы и коллектора существенно превосходят аналогичные переменные составляющие). Эта особенность позволяет использовать аналитические методы расчета параметров каскадов по известным Н-параметрам транзистора.

Для определения параметров предварительного усилителя на БТ аналитическим методом предположим вещественный характер Н-параметров, что справедливо в области низких частот. Здесь усилитель представлен четырехполюсником, описываемым системой уравнений, где

.

Рисунок 2.4.

Решая совместно системы уравнений, получаем формулы для расчета основных параметров усилителя, пригодные для любой схемы включения транзистора:

;

;

;

.

Анализ полученных уравнений показывает, что все параметры усилителей на БТ существенно зависят от сопротивления R_H.Э.. В каскадах усилителей (см., в частности, рис. 2.3) под R_H.Э. понимается эквивалентное сопротивление нагрузки каскада, образованное параллельным включением сопротивлений R_H и входного сопротивления следующего каскада R_ВХ.СЛ. При определенном сопротивлении нагрузки, называемом оптимальным, наблюдается максимальное усиление мощности входного сигнала:

.

Однако обычно в предварительных усилителях не ставится условие получения максимального усиления мощности входного сигнала и выполняется неравенство R_H.Э.<<R_H.Э.ОПТ. С учетом этого можно использовать упрощенные формулы для расчета параметров каскада предварительного усилителя: R_ВХ»H₁₁; К_i»H₂₁; ; .

Приведенные выше параметры получены без учета влияния реактивных элементов схемы. Это справедливо для области средних частот (см. рис. 2.2, а), где коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности не зависят от частоты.

На входе и выходе предварительного усилителя (рис. 2.3) используются элементы межкаскадной связи: разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2. Разделительный конденсатор С_р1 обеспечивает гальваническую развязку источника сигнала и входа транзистора, а конденсатор С_р2 препятствует попаданию постоянной составляющей тока коллектора на вход следующего каскада. Для получения больших значений коэффициента усиления используют последовательное соединение однотипных каскадов, выделенных на рис. 2.3 штриховой линией.

Наличие в усилителях емкостей межкаскадной связи приводит к частотным искажениям усиливаемых сигналов в области нижних частот.

В усилителе на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, роль R_r выполняет динамическое сопротивление «коллектор — база» R_K6, а напряжение генератора определяется выражением , где U’_ВХ — напряжение на эмиттерном переходе (отличается от U_BX на величину падения напряжения на сопротивлении базы R₆). При понижении частоты увеличивается сопротивление емкости разделительного конденсатора (Х_с = 1/(wС_р2), включенного последовательно с внешней нагрузкой каскада (входом следующего каскада).

На низких частотах увеличивается падение напряжения сигнала на емкости разделительного конденсатора и, следовательно, снижается выходное напряжение каскада. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления с понижением частоты. В функцию внешней нагрузки рассматриваемого предварительного усилителя выполняет эквивалентное входное сопротивление следующего каскада: R_Э = R₆₂ (R_бсл + R_бэСЛ)/(R₆₂ + R_{б СЛ} + R_53СЛ), где R_б2 — сопротивление, обеспечивающее требуемый ток базы в исходном режиме следующего транзистора; R_6сл — сопротивление базы следующего транзистора; R_бэСЛ — сопротивление эмиттерного перехода следующего транзистора.

Для облегчения анализа низкочастотных свойств предварительного усилителя полную модель преобразуют в упрощенную модель. Здесь усилительные свойства биполярного транзистора учтены эквивалентным генератором напряжения с U_Г.НЧ и внутренним сопротивлением R_Г.Н.Ч:

U_Г.НЧ=U_ГR_Н/(R_Г+R_Н), R_Г.НЧ=R_ГR_Н/(R_Г+R_Н).

Выходное напряжение усилителя в области нижних частот определяется выражением

_ВЫХ.НЧ=_ВЫХR_Э=U_Г.НЧ / (R_Г.НЧ — j +R_Э).

В области средних частот сопротивление емкости С_р2 становится пренебрежимо малым и выходное напряжение определяется выражением

U_ВЫХ.СР=U_Г,НЧR_Э / (R_Г.НЧ+R_Э).

Отношение напряжения U_вых. _нч к напряжению позволяет определить в комплексной форме относительное усиление каскада в области нижних частот:

.

Величину С_р2 (R_Г.НЧ + R_Э) называют постоянной времени каскада на нижних частотах и обозначают t_НЧ. Модуль выражения является уравнением нормированной АЧХ каскада в области нижних частот, а величина, обратная модулю, показывает зависимость коэффициента частотных искажений от частоты:

;

Отношение множителя при мнимой части выражения к его действительной части позволяет определить tgj, необходимый для расчета фазочастотной характеристики каскада:

j = arctg[l/(wt_HЧ)] = arctg[l/(wC_p2(R_Г.НЧ + R_Э)].

При изменении частоты от нуля до бесконечности, угол сдвига фазы между выходным и входным напряжениями меняется от +90° до нуля.

Для определения импульсной характеристики каскада в области больших времен выражение запишем в операторной форме: К(p)=pt_НЧ/(1+pt_НЧ). Этому изображению соответствует оригинал, представляющий импульсную характеристику усилителя:

К(f) = exp(-t/ t_НЧ).

Полученные выше расчетные формулы пригодны и для предварительных усилителей на полевых транзисторах, если принять в качестве U_г = m_ПТU_вх, а в качестве R_Э.НЧ сопротивление утечки, включенное между затвором и истоком. В усилителях на биполярных транзисторах вследствие малых значений сопротивления R_Э.НЧ для получения требуемых значений t_НЧ и, следовательно, небольших частотных искажений в области нижних частот приходится использовать электролитические конденсаторы большой емкости. Этого недостатка лишены усилители на полевых транзисторах. Вследствие высокого входного сопротивления в каскадах с полевыми транзисторами нетрудно обеспечить требуемые t_{Н. Ч} при использовании разделительных конденсаторов малой емкости.

Наличие в усилителях междуэлектродных емкостей транзисторов и монтажных емкостей приводит к возникновению частотных искажений усиливаемых сигналов в области верхних частот. Для анализа высокочастотных свойств предварительного усилителя полную модель преобразуют в упрощенную модель.

Здесь усилительные свойства биполярного транзистора учтены генератором напряжения с внутренним сопротивлением, определяемым выражением

,

где R’_Н = R_HR₆₂/(R_H + R_б2). В предварительных усилителях обычно R_Г>>R’_H. Поэтому в дальнейшем можно использовать выражение в упрощенном виде R_Г.ВЧ»R_бэСЛ(R_бСЛ+R’_Н)/(R_бэСЛ+R_бСЛ+R’_Н).

В высокочастотной модели каскада предварительного усиления междуэлектродные и монтажные емкости учтены в виде нагружающей каскад эквивалентной емкости С_Э = С_ВЫХ + С_М + С_ВХсл, где С_вых — выходная емкость транзистора рассматриваемого каскада; С_м — монтажная емкость; С_вхсл — входная емкость следующего каскада. Наибольший вклад в С_э вносит емкость С_вхсл. Эта емкость определяется выражением С_вх.сл = С_бэ + Ск , где С_бэ = = 1/(2pf_bR_6э) — емкость перехода база — эмиттер; С_к — емкость коллекторного перехода; К_u — коэффициент усиления по напряжению следующего каскада.

Эффект увеличения коллекторной емкости объясняется тем, что через нее протекает ток, пропорциональный разности потенциалов между базой и коллектором следующего каскада.

Выходное напряжение каскада в области верхних частот определяется по формуле

.

Величину C_эR_Г.ВЧ называют постоянной времени каскада в области верхних частот и обозначают t_ВЧ. На средних частотах wС_эR_Г.ВЧ<<1 и, следовательно, становится равным _Г.ВЧ. Нормированный коэффициент усиления в области верхних частот в комплексной форме определяется выражением

.

Модуль выражения представляет собой уравнение нормированной АЧХ каскада в области верхних частот, а обратная ему величина характеризует зависимость коэффициента частотных искажений от частоты

;

.

Аргумент выражения представляет собой фазочастотную характеристику в области верхних частот j = arctg(wC_ЭR_Г.ВЧ). Отрицательное значение угла сдвига фазы свидетельствует об отставании выходного напряжения от входного на верхних частотах.

Для определения импульсной характеристики каскада в области малых времен запишем выражение в операторной форме: К_ВЧ(р)= 1/(1+pt_ВЧ). Этому изображению соответствует оригинал, представляющий нормированную импульсную характеристику в области малых времен:

К_ВЧ(t)=1-exp(-t/t_ВЧ).

Выражения позволяют рассчитать нормированные характеристики каскадов предварительного усиления, необходимые для анализа свойств усилителей.

Рассмотренный каскад предварительного усиления (см. рис. 2.3) отличается простотой и малым потреблением тока от источника питания. Однако он имеет существенный недостаток: режим работы сильно зависит от температуры окружающей среды и нарушается при смене транзистора, а также с течением времени. В той или иной степени избежать этого недостатка позволяют каскады усиления со стабилизацией режима.

В предварительных усилителях могут использоваться ПТ в трех схемах включения с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Усилительные каскады с общим затвором обладают низким входным сопротивлением, не имеют преимуществ по сравнению с каскадами на БТ и вследствие этого используются редко.

Усилительные каскады с общими истоком и стоком обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каскадами на БТ. Наилучшими усилительными свойствами обладают каскады усиления на ПТ, включенные по схеме с общим истоком.

Для исключения влияния постоянных напряжений источника сигнала и следующего каскада на режим работы рассматриваемого каскада используются разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2. При подаче переменного входного напряжения в цепи канала появляется переменный ток стока, равный току истока (так как ток затвора практически равен нулю). За счет падения напряжения на резисторе R_И от переменной составляющей тока истока переменная составляющая напряжения u_ЗИ, усиливаемая транзистором, уменьшается: u_ЗИ = u_ЗИ-i_ИR_И. Следовательно, здесь наблюдается явление ООС, приводящее к уменьшению коэффициента усиления каскада. Для устранения ООС параллельно R_H включают конденсатор С_И, емкостное сопротивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть гораздо меньше сопротивления резистора R_И.

Принцип действия усилительного каскада на ПТ поясняется графиками, приведенными на рис. 2.5. В каскаде предварительного усиления исходную рабочую точку А выбирают посередине рабочего участка на семействе выходных характеристик или динамической передаточной характеристики. Выбрав положение рабочей точки А, определяют сопротивление резистора R_И: R_И=U_{ЗИ А}/I_{С А}.

При подаче на вход транзистора напряжения сигнала u_вх происходит изменение тока стока, а следовательно, и выходного напряжения на нагрузке R_H: u_СИ = i_СR_H.

Основным параметром схемы является коэффициент усиления напряжения, который определяют как отношение действующих или амплитудных значений выходного и входного напряжений: К_u=U_ВЫХ/U_ВХ=U_СИ/U_ЗИ. Его можно также определить, анализируя эквивалентную схему каскада. Принципиальные схемы каскадов предварительных усилителей на БТ (см. рис. 2.3) и ПТ имеют сходство. Это позволяет при рассмотрении свойств каскада предварительного усилителя на ПТ пользоваться упрощенной моделью, учитывая специфические параметры ПТ: крутизну S_ПТ и дифференциальное выходное сопротивление R_i.

Рисунок 2.5.

На средних частотах влиянием С_э и С_р2 можно пренебречь. Тогда выходное переменное напряжение можно рассчитать по формуле

,

где R_Н.Э = R_НR_{вх сл}/(R_Н + R_ВХ.СЛ) — эквивалентное сопротивление нагрузки каскада переменному току. Учитывая, что m_П.Т = S_П.ТR_i, найдем

,

где S_ПТ — крутизна транзистора в рабочей точке.

При работе каскада с сопротивлением нагрузки существенно меньшим входного сопротивления следующего каскада R_ВХ.СЛ и внутреннего сопротивления транзистора, формула для расчета коэффициента усиления может быть записана в упрощенном виде:

К_u»S_ПТR_Н.

Идентичность моделей каскадов предварительного усиления на БТ и ПТ позволяет использовать выражения для анализа свойств предварительных усилителей на ПТ. Сравнивая свойства каскадов предварительного усиления на БТ и ПТ, можно отметить следующее: каскады на БТ, как правило, обладают большими значениями К_u, так как у маломощных приборов S_БТ>>S_ПТ.

Что такое усилитель и как он работает?

Содержание

Что такое усилитель?

Электронный усилитель, усилитель или усилитель — это электронное устройство, способное увеличивать мощность сигнала, представляющего собой изменяющийся во времени ток или напряжение. Двухпортовая электронная схема усилителя известна тем, что использует электроэнергию от источника питания для увеличения усиления сигнала, подаваемого на входные клеммы. На своем выходе он выдает сигнал пропорционально большей амплитуды.

Усилитель производит усиление, которое измеряется его усилением; это отношение выходного напряжения, мощности или тока. Усилитель известен тем, что обладает коэффициентом усиления по мощности, превышающим единицу. Усилитель в основном представляет собой электрическую цепь, которая содержится в другом устройстве или отдельном оборудовании. Усиление считается необходимым для современной электроники, так как усилители используются в различном электронном оборудовании.

Усилитель — это электронное устройство, которое реагирует на различные небольшие входные сигналы, такие как мощность, напряжение или ток. Он известен тем, что выдает большие выходные сигналы, состоящие из характеристик входного сигнала. Существуют усилители различных типов, которые используются в электронном оборудовании, таком как телевизионные приемники, радиоприемники, компьютеры и аудиооборудование, с высокой точностью воспроизведения.

Усиливающее действие может обеспечиваться различными электромеханическими устройствами, включая трансформаторы, генераторы и электронные лампы. В электронных системах в основном используются твердотельные микросхемы в виде усилителей. Как правило, интегральная схема состоит из множества транзисторов и связанных с ней устройств на одном маленьком кремниевом кристалле.

Было замечено, что одного усилителя недостаточно для повышения выходной мощности в соответствии с требованиями. В таких случаях первый выход подается на второй, который подается на третий, и так далее. Этот процесс продолжается до тех пор, пока пользователь не получит удовлетворительный результат. Это приводит к каскадному или многоступенчатому усилению. Как вы теперь знаете что такое усилитель , пришло время пройтись по его использованию.

Использование усилителя

В основном электрические устройства используют усилители для обеспечения различной степени усиления сигнала. В большинстве случаев сигналы слишком малы по размеру, чтобы управлять выбранным устройством, и именно здесь необходимы усилители. Давайте разберемся в этом с помощью примера. Звуковой сигнал, извлекаемый из записей, слишком слаб для работы динамика.

В этом состоянии для выполнения задания необходимо усиление. Сигнал обычно многократно усиливается между динамиком и иглой проигрывателя. Каждый раз, когда сигнал усиливается, он должен пройти через каскад усиления. Аудиоусилитель, подключенный между акустической системой и проигрывателем, обычно содержит различные каскады усиления.

Усилитель, также известный как операционный усилитель, представляет собой схему, в основном используемую для управления и автоматизации электронных схем в различных морских приложениях. Как правило, применяемый входной сигнал представляет собой сигнал тока или напряжения. Целью усилителя является подача выходного сигнала, который больше, чем входной сигнал.

Вы также можете прочитать:  Что такое система питания постоянного тока и как она работает?

Целью усилителя или операционного усилителя является увеличение или усиление входного сигнала для доставки или создания выходного сигнала. Эти сигналы обычно больше, чем входные сигналы, но имеют форму волны, аналогичную входному сигналу. В основном изменение выходного сигнала обозначается увеличением уровня мощности. Напряжение постоянного тока известно для подачи дополнительной мощности извне.

В усилителе входной сигнал управляет выходными сигналами. Компактные усилители слабого сигнала в электронных компонентах используются в качестве устройств из-за способности повышать малые входные сигналы до большей величины. Узнав о что такое усилитель и использование усилителя , давайте прочитаем о типах усилителей .

Типы усилителей

В зависимости от выходной мощности усилители делятся на три категории. Эти категории включают усилитель напряжения, усилитель мощности и усилитель тока. Усилители напряжения широко используются в электронных устройствах. Эти усилители известны тем, что увеличивают амплитуду выходного напряжения сигнала.

Усилители тока увеличивают амплитуду входного тока по сравнению с формой волны входного тока. Усилители мощности используются для увеличения мощности, которая относится к произведению выходного тока и напряжения, которое больше, чем произведение входного тока и напряжения.

Ток или напряжение на выходе может быть меньше, чем на входе, но произведение общего тока или напряжения больше, чем на входе. Часть сигнала переменного тока усиливается каждый раз, когда он подается на усилитель. На основе сигналов, которые усиливаются усилителями, их можно дополнительно разделить на следующие.

Усилители звуковой частоты

A.F. Усилители или усилители звуковой частоты усиливают звуковые частоты. Эти звуковые частоты обычно находятся в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, среди которых некоторые усилители HI-FI способны усиливать до 100 кГц.

Используются для подачи мощности звуковой частоты для работы громкоговорителей. В основном современные усилители звука основаны на некоторых твердотельных накопителях, таких как транзисторы, а на ранних этапах они создавались из электронных ламп.

Усилители промежуточной частоты

I.F. Усилители или усилители промежуточной частоты — это те, которые усиливаются усилителем. Эти типы усилителей используются в радио, радарах или телевидении. Они известны тем, что обеспечивают максимальное усиление напряжения радио, телевидения или радиолокационного сигнала. Это происходит до демодуляции аудио- или видеоинформации, переносимой сигналами.

Наблюдаемая здесь частота работы ниже частоты принимаемого радиосигнала. Однако они выше, чем видео- или аудиосигналы, которые со временем вырабатываются системой. Здесь частота, на которой I.F. усилитель должен работать определяется оборудованием.

Радиочастотные усилители

R.F. усилители или радиочастотные усилители известны тем, что увеличивают мощность радиосигналов с низкой частотой. Они специально используются для управления антенной передатчика. Эти усилители являются настроенными, рабочая частота которых контролируется настроенной схемой.

При этом схема может быть скорректирована исходя из назначения усилителя. Входное сопротивление и коэффициент усиления здесь значительно ниже. Особенностью этих усилителей является низкий уровень шума во время исполнения. Они обычно используются на ранних стадиях приемника.

Вы также можете прочитать: Что такое цифровой мультиметр и как работает цифровой мультиметр?

Было замечено, что фоновый шум, создаваемый электронным устройством, здесь имеет низкое значение. Это происходит потому, что усилитель способен обрабатывать сигналы очень низкой амплитуды от антенны.

Ультразвуковые усилители

Ультразвуковые усилители усиливают ультразвуковые волны. Они присутствуют в диапазоне частот от 20 кГц до 100 кГц. Они используются для специальных целей, таких как ультразвуковая очистка, ультразвуковое сканирование, системы дистанционного управления и т. д. Каждый из этих типов известен тем, что работает в узкой полосе частот, лежащих в пределах ультразвукового диапазона.

Широкополосные усилители

Эти усилители известны тем, что усиливают полосу частот. Они вообще известны тем, что усиливают от постоянного тока до многих десятков МГц. Они используются в различном оборудовании, таком как осциллографы. Они используются в областях, где требуется точное измерение сигналов в широком диапазоне частот. Их усиление низкое из-за их широкой полосы пропускания.

Усилители с прямой связью

Усилители постоянного тока или усилители с прямой связью используются для усиления низкочастотных сигналов. В них выход одного каскада обычно соединен с входом следующего каскада в этих усилителях. Эти усилители известны тем, что усиливают частоту постоянного тока, которая равна нулю. Они в основном используются многочисленными измерительными приборами и электрическими системами управления.

Видеоусилители

Видеоусилители используются для улучшения качества видеосигналов и отображения их в более высоком разрешении. Сигналы служат носителем всей информации об изображениях в телевизионных и радиолокационных системах. Они могут быть классифицированы как особый тип широкополосного усилителя, который специально используется для передачи сигналов, применяемых к видеооборудованию.

Использование видеоусилителей лежит в основе пропускной способности. В случае телевизионных приемников они расширены от 0 Гц до 6 МГц и шире в случае радаров. Эти усилители используются для усиления сигналов, принимаемых от компьютерных мониторов и DVD-дисков. Их также можно использовать для повышения качества видео в телевизорах меньшего размера, которые устанавливаются в транспортных средствах.

Буферные усилители

Буферные усилители обычно используются для преобразования электрического сопротивления одной цепи в другую. Известно, что они имеют коэффициент усиления усилителя, равный единице. Они также используются для изоляции цепей друг от друга. Известно, что они имеют более высокий уровень импеданса на входе и более низкий уровень импеданса на выходе.

Поэтому их можно использовать в качестве устройства согласования импеданса, которое показывает, что сигналы не затухают между цепями. Это происходит, когда схема с высоким уровнем выходного импеданса подает сигнал непосредственно на другую схему с низким уровнем импеданса.

Операционные усилители

Операционные усилители в основном представляют собой усилители с электронным напряжением с высоким коэффициентом усиления. Они используются для выполнения различных математических операций над напряжениями. Мало того, они используются в виде ИС, которые изначально были разработаны с электронными лампами. Операционные усилители известны тем, что имеют два основных входных разъема.

Эти две клеммы являются инвертирующими и неинвертирующими, и их можно использовать в качестве инвертирующих усилителей, суммирующих усилителей, дифференциальных усилителей и неинвертирующих усилителей.

Транзисторные усилители

Транзисторы — это электронные устройства, используемые в качестве усилителей. Они известны усилением тока напряжения входного сигнала. В основном существует два типа транзисторных устройств: BJT или биполярные переходные транзисторы и FET или полевые транзисторы.

Транзисторные усилители обычно анализируются в различных конфигурациях. К ним относятся общий эмиттер, общая база и общий коллектор с использованием BJR. В FET эти усилители анализируются в следующих конфигурациях: общий затвор, общий исток и общий сток.

Небольшой ток на клеммной базе биполярного транзистора может быть полезен для управления током на коллекторе и эмиттере. В FET или полевых транзисторах небольшое напряжение на затворе может управлять напряжением на стоке или истоке.

Классификация каскадов и систем усилителя

  Усилитель известен своей способностью усиливать сигнал. Давайте прочитаем о Классификации каскадов и систем усилителей . По количеству каскадов различают однокаскадные усилители и многокаскадные усилители. Однокаскадные усилители — это те, которые имеют схему с одним транзистором, которую можно назвать однокаскадным усилением. Многокаскадный усилитель имеет несколько транзисторных схем, которые, как известно, обеспечивают многокаскадное усиление.

По выходной мощности усилители можно разделить на усилители мощности и напряжения. Усилитель напряжения известен тем, что увеличивает уровень напряжения входного сигнала. Усилитель мощности — это тот, в котором схема известна тем, что увеличивает уровень мощности входного сигнала.

В зависимости от величины подаваемого входного сигнала усилители можно разделить на усилители слабого сигнала и усилители большого сигнала. Усилитель слабого сигнала — это усилитель, в котором входной сигнал слаб, чтобы иметь возможность создавать небольшие колебания тока коллектора по сравнению со значением покоя. Усилитель называется усилителем с большим сигналом, когда флуктуации тока коллектора велики за пределами линейной части характеристики.

На основе частотного диапазона усилители можно классифицировать как аудио- и радиоусилители. Схема усилителя, которая способна усиливать сигналы, лежащие в диапазоне звуковых частот от 20 Гц до 20 кГц, называется звуковым усилителем.

Усилитель мощности — это усилитель мощности, который усиливает сигналы в диапазоне очень высоких частот.

В зависимости от метода связи усилители делятся на категории с RC-связью, с трансформаторной связью и усилители с прямой связью. Усилитель с RC-цепочкой представляет собой многокаскадную схему, которая соединена со следующим каскадом с помощью комбинации конденсатора и резистора. Вот почему он называется усилителем с RC-связью.

Усилитель с трансформаторной связью — это усилитель, подключенный к следующему каскаду с помощью трансформатора, тогда как усилитель с прямой связью — это усилитель, подключенный к следующему каскаду напрямую.

На основе конфигурации транзисторов усилители можно разделить на усилители CE, усилители CB и усилители CC. Усилитель, созданный с использованием комбинации транзисторов с конфигурацией CE, называется усилителем CE. Усилители, созданные с использованием комбинации транзисторов с конфигурацией CB и комбинации транзисторов с конфигурацией CC, могут называться усилителем CB и усилителем CC соответственно.

Классы усилителя

Как вы уже подробно прочитали о что такое усилитель , его использование и другие детали, давайте также узнаем о его классах. Усилители подразделяются на разные классы на основе их рабочих характеристик и конструкции.

Классы усилителей — это термин, который используется для обозначения различия между различными типами усилителей. Они представляют собой количество выходного сигнала, которое, как известно, изменяется в схеме усилителя за один цикл работы, когда он получает синусоидальный входной сигнал.

В зависимости от режима работы усилители подразделяются на различные классы, такие как класс A, класс B, класс C и класс AB. В усилителе класса А условия таковы, что ток коллектора протекает по всей используемой сигнальной цепи переменного тока. В классе B ток коллектора протекает только в течение полупериода входа.

Приближаясь к классу C, ток коллектора в нем протекает менее половины цикла ввода. Усилитель класса AB представляет собой комбинацию классов A и B, что делает доступными преимущества обоих классов и уменьшает проблемы. Это было около классов усилителей теперь давайте прочитаем функций усилителей .

Функции усилителя

Работа усилителя заключается в преобразовании небольшого электрического тока в больший. Есть множество методов, которые могут быть применены для достижения этой цели. Усилители мощности считаются необходимыми, поскольку они имеют множество устройств, включая микроволновые печи, наушники, системы домашнего кинотеатра и т. Д., Которые обычно используются в электронике.

Двигатели, такие как двигатели постоянного тока, серводвигатели и т. д., используют усилители для увеличения производительности работающих электродвигателей. Связь на большие расстояния стала возможной благодаря использованию эффективных усилителей мощности. Чем выше скорость передачи, тем больше она используется в электронных приложениях.

Как работает усилитель?

Понимания что такое усилитель недостаточно, вы должны также знать, как он работает. На общем языке слово «усилитель» используется для обозначения стереокомпонентов, но на самом деле это всего лишь его небольшое представление.

Мы окружены ими в виде компьютеров, телевизоров, проигрывателей компакт-дисков, динамиков и т. д. Работа усилителя заключается в генерации нового выходного сигнала в обмен на входной сигнал. Их можно представить в виде двух отдельных цепей, выходной цепи и входной цепи.

Выходная цепь генерируется с помощью блока питания усилителя. Этот процесс потребляет энергию от аккумулятора или розетки. Если усилитель питается от переменного тока дома, где направление потока заряда меняется, источник питания преобразуется в постоянный ток, если направление потока заряда остается прежним.

Входная цепь представляет собой электрический звуковой сигнал, который записывается на кассеты, поступающие от микрофона. К выходной цепи применяется переменное сопротивление для воссоздания колебаний напряжения исходных аудиосигналов. Этот тип нагрузки высок в усилителях для оригинальных аудиосигналов.

Преимущества усилителя

  Преимущества усилителей многочисленны, давайте прочитаем об этом. Усилитель CE представляет собой усилитель с общим эмиттером, который не только инвертирует, но и имеет низкое входное сопротивление. Он имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, высокий выходной импеданс и высокий коэффициент усиления по току.

Усилитель CB считается приличным усилителем напряжения с током, равным выходному току. Обычно известно, что базовая схема лучше всего работает в качестве буфера тока. Он способен принимать входной ток с низким импедансом и подавать аналогичный ток на выход с более высоким импедансом.

Преимущества усилителя CC заключаются в усилении тока при неизменном поддержании напряжения. Он состоит из самого низкого выходного импеданса по сравнению с другими типами усилителей. Кроме того, его можно использовать для согласования импеданса между каскадом усилителя с низким входным импедансом и каскадом усилителя с высоким выходным импедансом.

Недостатки усилителя

Недостатки усилителя многочисленны, давайте прочитаем о них. Недостатки усилителя СЕ заключаются в том, что он имеет высокое выходное сопротивление. Он известен плохой реакцией на высокие частоты. Он имеет высокую термическую нестабильность, и коэффициент усиления по напряжению нестабилен.

Недостаток усилителя CB заключается в том, что для работы схемы ему требуются два источника питания постоянного тока. Он известен измерением напряжения между коллектором или выходом и эмиттером и входом. Он сравнивает напряжение между базой и эмиттером и поддерживает его в пределах возможностей транзистора.

Надеюсь, теперь вы ясно поняли , что такое усилитель , его использование, преимущества, недостатки, части, классы, классификации и типы. Усилитель — это электрическая цепь, которая содержится в другом устройстве или отдельной части оборудования. Усиление считается основой современной электроники; в настоящее время они используются в различном электронном оборудовании, которое нас окружает.

Как пользоваться усилителем | Tech

Выпуск: 01. 04.2019, Обновление: 16.02.2023, M.P.

Тип и характеристики усилителя

Если вы будете искать «усилитель» в Интернете, вы получите результаты со многих веб-сайтов, посвященных аудиоусилителям мощности. Но сам «усилитель» предназначен не только для звука. Устройство, усиливающее что-либо, называется усилителем. Конечно, в электрической цепи, включая усилитель мощности звука, различные сигналы обмениваются как электрические сигналы. Итак, усилитель предназначен для усиления сигнала, протекающего в электрической цепи, и он усиливает входной ток или напряжение. Он работает путем усиления выходного электрического сигнала от различных датчиков и упрощает аналого-цифровое преобразование.

Усилитель является представителем аналоговых цепей, и он настолько центральный, что если убрать усилители из аналоговых цепей, ничего не будет. Кроме того, поскольку усилитель может подавать любой электрический ток и напряжение (или электрическую мощность), его также можно использовать в качестве имитатора источника питания.

По сути, блок питания также является своеобразным усилителем. Источники питания постоянного тока также называют однополярными (источниками питания) из-за того, что они могут подавать только положительный заряд.

Мы называем двухквадрантный биполярный источник питания, который может питать источники тока положительного и отрицательного заряда, и четырехквадрантный биполярный источник питания, который может также питать сток тока. Мы подробно познакомим вас с четырехквадрантным биполярным источником питания в последней главе.

Существует два основных типа усилителей, называемых «линейный усилитель» и «цифровой усилитель».

«Линейный усилитель» имеет частотную область, в которой выходной сигнал линейно усиливается по отношению к входному сигналу, и область, в которой он является нелинейным из-за характеристик усиливающих элементов, таких как транзисторы и полевые транзисторы, составляющие электрическую цепь. В частности, выходной сигнал становится нелинейным в области, близкой к нулю, а операция ВКЛ/ВЫКЛ входного сигнала на элемент вызывает искажение формы выходного сигнала. Следовательно, становится важным, в какой области используется входной сигнал, и он делится на три категории: класс A, класс B и класс AB (включая класс AB1 и класс AB2).

Усилители класса A

В этом усилителе используется только область линейного усиления элемента. Поэтому, несмотря на высокую линейность, необходимо подавать ток смещения (или напряжение) даже тогда, когда входной сигнал близок к нулю, что является недостатком, поскольку эффективность ухудшается, а тепловыделение велико. То есть, чтобы гарантировать правильность выходного сигнала, он всегда поддерживает постоянный ток смещения, даже когда входной сигнал равен нулю.

Усилители класса B

Этот усилитель использует как нелинейно, так и линейно усиленную область элемента как есть. Следовательно, когда входной сигнал близок к нулю, выходной сигнал также равен нулю, и возникают искажения. Вместо этого нет необходимости в токе смещения, как в усилителях класса А, и повышается эффективность.

Усилители класса AB

Этот усилитель имеет хорошую репутацию между классами A и B. Искажение компенсируется добавлением тока смещения к усилителю класса B.

Другой усилитель представляет собой «цифровой усилитель», также называемый переключающим усилителем, усилителем класса D. Это более эффективно и меньше, чем линейные усилители, за счет использования таких методов переключения, как ШИМ. Он в основном используется для компактных усилителей мощности звука, таких как автомобильные приложения. Хотя в качестве коммутационных устройств используются MOSFET и IGBT, существует также проблема узкой полосы частот соответствующего входного сигнала.

Условия, необходимые для стабильной работы усилителя

До сих пор мы объясняли тип и характеристики усилителя. Отсюда мы познакомимся с тем, на что следует обращать внимание при проектировании и реализации усилителя.

Полоса частот

Чтобы стабилизировать значения выходного электрического тока и напряжения, необходимо понять факторы, которые их препятствуют. Первый фактор – это полоса частот. Полоса частот соответствует скорости работы усилителя. На высоких частотах усилитель не успевает за входным сигналом, и амплитуда сигнала уменьшается. На рисунке показана частота до тех пор, пока амплитуда не достигнет -3 дБ в полосе частот.

Например, когда полоса частот усилителя с номинальным напряжением 120 В составляет 20 кГц, даже если он пытается вывести синусоидальный сигнал ± 20 В на частоте 20 кГц, выходная амплитуда становится равной 70 % при -3 дБ, поэтому она становится ± 14 В синусоида. Поэтому необходимо подбирать усилитель с полосой частот с запасом на частоту, которую вы хотите использовать. Время нарастания и время спада связаны с полосой частот. Как правило, время нарастания скорости отклика (= полоса частот) fc (Гц) усилителя может быть получено как tr ≑ 0,35/fc.

Скорость нарастания

Второй фактор — это скорость нарастания, которая представляет скорость отклика усилителя. Это показывает максимальную скорость нарастания напряжения усилителя. Как правило, это выражается величиной изменения напряжения в микросекунду. Скорость отклика усилителя может быть ограничена полосой частот или этой скоростью нарастания. Когда переходная характеристика ограничена скоростью нарастания, восходящий сигнал становится прямым, как показано на рисунке.

корпус ограничен скоростью нарастания

случай ограничен полосой частот

Индуктивная нагрузка

До сих пор это было связано со скоростью, но теперь мы представим вещи, связанные с нагрузкой. Первый фактор – индуктивная нагрузка.
В случае индуктивной нагрузки соотношение напряжение-ток представляет собой V = L, умноженное на di/dt по отношению к значению индуктивности L, и напряжение, генерируемое при попытке работать на высокой скорости при управлении постоянным током (CC), вызывает проблемы. .

Например, при попытке вывести прямоугольный сигнал с высокой скоростью нарастания желаемая форма сигнала может быть не получена, поскольку напряжение ограничено защитой от перенапряжения. В таком случае необходимо замедлить скорость нарастания входного сигнала и выбрать модель, которая поддерживает генерируемое напряжение.

Кроме того, использование ступенчатого сигнала, такого как цифровое управление входным сигналом, также будет генерировать много импульсов напряжения. Поскольку эти импульсы могут создавать проблемы, рекомендуется как можно чаще использовать входные сигналы с непрерывной формой волны.

С другой стороны, защита от перенапряжения также ограничивает выходной сигнал. Однако, если выходной сигнал внезапно отключится, защита не сработает и от индуктивной нагрузки может генерироваться большое напряжение.

Емкостная нагрузка

Второй фактор — емкостная нагрузка. Для емкостной нагрузки соотношение напряжение-ток равно I = C, умноженному на dV/dt для емкости C. В отличие от индуктивной нагрузки, при попытке работать на высокой скорости под управлением постоянного напряжения (CV) требуется большой ток. При работе с большой емкостью перед использованием изучите нагрузочные характеристики и выходные характеристики источника питания.

Диодная нагрузка

Третий фактор — диодная нагрузка. При управлении постоянным током (CC), даже если управление током равно нулю без нагрузки, выходное напряжение повышается до положительного или отрицательного уровня защиты от перенапряжения под влиянием небольшого смещения. Это означает, что диод или другая нагрузка, допускающая только прямой ток, может выдавать сигнал о избыточном напряжении в обратном направлении, даже когда контроль тока равен нулю. Если оно превышает выдерживаемое напряжение нагрузки, это может привести к отказу, поэтому необходимо принять меры, такие как установка защитного диода в обратном направлении.

Емкость и индуктивность кабеля

Последним фактором является кабель. При работе усилителя на высокой скорости нельзя игнорировать влияние емкости и индуктивности кабеля на выходной сигнал. В высоковольтных усилителях кабель имеет емкость между выходным проводом и экраном, поэтому емкость влияет на скорость нарастания формы сигнала напряжения. Чем длиннее кабель, тем больше пропускная способность. По этой причине любители музыки используют кабель с низким электрическим сопротивлением и строят систему с минимальной длиной кабеля.

Кроме того, в модели с низким напряжением и большим током индуктивность кабеля и индуктивность, генерируемая методом проводки, сильно влияют на скорость нарастания формы волны тока. Это можно в некоторой степени смягчить, уменьшив токовую петлю, например, скрутив проводку.

Четырехквадрантный биполярный источник питания

Наконец, давайте представим четырехквадрантный биполярный источник питания, который представляет собой высокопроизводительный усилитель, как эволюцию усилителя. Усилитель в основном имеет сток выходного тока. В результате работа при постоянном напряжении возможна даже при емкостных нагрузках, индуктивных нагрузках и их комбинированных нагрузках. Более того, поскольку он быстро реагирует, можно сказать, что это идеальный источник питания. Обычный источник питания может выдавать электрический ток только в одном направлении. Но четырехквадрантный биполярный источник питания может выдавать напряжение как в положительном, так и в отрицательном направлении.

Кроме того, он имеет функцию стока и источника тока. При подаче переменного тока на индуктивную или емкостную нагрузку одно и то же напряжение может иметь положительный и отрицательный токи. Для управления такой нагрузкой требуется четырехквадрантный биполярный источник питания.

При управлении постоянным напряжением (CV) выходное напряжение четырехквадрантного биполярного источника питания соответствует входному сигналу. В это время выходной ток может свободно принимать значение, если он находится в пределах номинала. Точно так же при управлении постоянным током (CC) он выдает ток в соответствии с входным сигналом. В это время, если выходное напряжение находится в пределах номинального значения, оно может быть положительным или отрицательным свободным значением.

Однако, поскольку защита выхода осуществляется защитой от перенапряжения и защитой от перегрузки по току, желаемая форма сигнала может быть не получена.