Принцип работы усилителя: Принцип работы усилителя

Классы усилителей. Устройство и принципы работы | Усилители для колонок | Блог

Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.

Усилители класса А

Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.

Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.

Усилители класса B

Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D. 

Усилители класса AB

Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.

Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.

Усилители класса С, H, G

Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.

В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.

Усилители класса D

В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению. 

Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.

На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.

Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами. 

Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.

Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать. 

Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.

В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.

Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.

В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с  нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:

В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).

Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.

Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.

Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.

Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.

А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:

Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.

Заключение

Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.

Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.

Принцип работы усилителя на биполярных транзисторах – теория

Оглавление
Усилители с общей базой и общим коллектором

Страница 1 из 2

 

   Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.
   Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.
   Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора. Этот режим характеризуется протеканием через его электроды при отсутствии входного электрического сигнала некоторых постоянных токов эмиттера, коллектора и базы. С применением дополнительного источника увеличиваются размеры всего устройства, его масса, усложняется конструкция, да и стоят два источника дороже, чем один. В то же время можно обойтись одним источником, употребляемым для питания коллекторной цепи транзистора. Одна из таких схем усилителя показана на рисунке.

 

 

 

 

 

 

 
В этой схеме нагрузкой усилителя является резистор R_K, а используя резистор R_б, задают необходимый ток базы транзистора. Если режим работы транзистора задан (при этом часто говорят, что задана рабочая точка на характеристиках транзистора), становятся известными ток базы и напряжение U_БЭ, а сопротивление резистора R

б, обеспечивающего этот ток, можно определить по формуле:
R_б =(G_K-U_БЭ)/I_Б.
Так как U_БЭ обычно составляет не более 0,2…0,3В для германиевых транзисторов и 0,6…0,8 В — для кремниевых,  а напряжение G_K измеряется единицами или даже десятками вольт, то U_БЭ<<G_K,
и можно записать:
R_б ≈G_K/I_Б.   
   Из выражений следует, что независимо от типа транзистора VT ток его базы будет постоянным: I_Б = G_K/R_б. Поэтому такая схема получила название схемы с общим эмиттером (ОЭ) и фиксированным током базы.
   Режим работы транзистора в усилительном каскаде при постоянных токах и напряжениях его электродов называют исходным, или режимом покоя.
   Включение нагрузки в коллекторную цепь транзистора приводит к падению напряжения на сопротивлении нагрузки, равному произведению I _KR_K.
   В результате напряжение, действующее между коллектором и эмиттером Uкэ транзистора, оказывается меньше, чем напряжение G_K источника питания на величину падения напряжения на сопротивлении нагрузки,    т. е.:
U_КЭ=G_K-I_KR_K.   
   Если эту зависимость отобразить графически на семействе статических выходных характеристик транзистора, то она будет иметь вид прямой линии. Для ее построения достаточно определить всего две принадлежащие ей точки (так как через две точки можно провести только одну прямую). Каждая точка должна быть задана двумя координатами: I_K и U_КЭ.
   Задавшись конкретным значением одной из координат, определяют вторую координату, решая уравнение U_КЭ=G_K-I_KR_K. Прямая, построенная в соответствии с уравнением на семействе статических выходных характеристик, транзистора, называется нагрузочной прямой.
   Нагрузочная прямая, показанная на рисунке (а), построена для случая, когда G_K=10В и R_К=200 Ом.

1-я точка: =0;U_КЭ=G_K—0R_K=G_K=10 В;
2-я точка: I_K =30 мА; U_КЭ=10—30-10^3-200=10—6=4 В.

 

 

 

 

 

 

 

   Если в исходном режиме (режиме покоя) ток базы равен 2 мА, этот режим будет определяться точкой A, лежащей на нагрузочной прямой в месте пересечения ее со статической выходной характеристикой, полученной при I_БО=2 мА. При этом I_КО=20 мА; U_КЭO=5,8 В. Если перенести точку A на семейство входных характеристик (рис., б), можно найти U_БЭО. Оно равно 0,25 В.
   При подаче на вход усилителя переменного напряжения с амплитудой 50 мВ (0,05 В) на оси напряжений входных характеристик относительно напряжения U_БЭО=0,25 В откладывают по обе стороны отрезки, соответствующие напряжению 0,05 В, и из их концов восстанавливают перпендикуляры к оси U_БЭ до пересечения со статической характеристикой, на которой расположена точка А, обозначающая режим покоя усилителя. В точках пересечения перпендикуляров с характеристикой проставляют буквы В и С. Таким образом, при поступлении на вход переменного напряжения режим работы будет уже определяться не точкой А, а  ее перемещениями между точками В и С. При этом ток базы изменяется от 1 до 3 мА. Другими словами, переменное напряжение на входе усилителя приводит к появлению переменной составляющей в его входном токе — токе базы. В данном примере амплитуда переменной составляющей тока базы, как видно из рисунка, равна 1 мА.
   Точки B и С можно перенести на семейство выходных характеристик. Они будут находиться в местах пересечения нагрузочной характеристики со статическими, полученными при токах базы, равных 1 и 3 мА. Из этого рисунка, видно, что в режиме с нагрузкой появилась переменная составляющая коллекторного напряжения. Иначе, коллекторное напряжение теперь не остается постоянным, а изменяется синхронно
с изменениями входного напряжения. Причем изменение коллекторного напряжения ΔU_КЭ=7,5—4,3=3,2В оказывается больше изменения входного напряжения ΔU_БЭ=0,3—0,2=0,1В в 32 раза; т. е. получено усиление входного напряжения в 32 раза.
   Поскольку напряжение источника питания G_K постоянное, изменение коллекторного напряжения равно изменению напряжения на резисторе коллекторной нагрузки, т. е.ΔU_КЭ = ΔI_КR_К. Из этого выражения видно, что чем больше сопротивление резистора R_К, тем сильнее изменяется на нем напряжение и тем больше будет усиление. Однако увеличивать сопротивление резистора R_K можно лишь до некоторого предела, превышение которого может привести даже к снижению усиления и появлению больших искажений усиливаемого сигнала.
   В усилителе, схема которого приведена на верхнем рисунке, режим работы транзистора определяется током базы, который устанавливается резистором R_б. Режим работы транзистора можно также установить, подав на его эмиттерный переход напряжение с делителя R1R2.

 

 

 

 

 

 

 Ток делителя I_Д, протекающий через резисторы R1 и R2, вызывает на сопротивлении резистора R2 падение напряжения, которое подается на эмиттерный переход транзистора и смещает его в прямом направлении. Это напряжение определяется в основном соотношением сопротивлений резисторов R1,R2 и протекающим через них током I_Д и почти не зависит от типа транзистора. Поэтому такую схему иногда называют схемой с фиксированным напряжением смещения.

Предыдущая страница – Следующая страница

Как выбрать усилитель сотовой связи и мобильного интернета / Хабр

Чтобы разобраться в этом вопросе, нужно понимать основные принципы и условия работы данного устройства. Усилитель сотовой связи или по-другому репитер, повторитель сигнала, решает поставленную перед ним задачу в связке с другими компонентами — приёмопередающими антеннами — внешней и внутренней, а также высокочастотным кабелем, объединяющем все устройства в единую систему усиления сигнала.

В зависимости от сложности поставленной задачи, в такую систему могут дополнительно входить и другие высокочастотные компоненты, такие как сплиттеры, ответвители сигнала, бустеры, антенные усилители и прочие. Как правило, необходимость в дополнительном оборудовании возникает при конструировании сложных систем усиления сигнала на крупных торговых и промышленных объектах.

В большинстве же случаев, для решения бытовых задач усиления сотового сигнала, достаточно готового комплекта, состоящего из репитера, двух антенн и кабеля. Тонкость в том, чтобы правильно подобрать комплект, подходящий по параметрам. Эти параметры мы и будем рассматривать в данной статье, но начнём с принципа работы.

Принцип работы усилителя сотовой связи

Принцип работы комплекта усиления сотовой связи заключается в передаче радиосигнала из зоны уверенного приёма в места, где сигнала нет совсем либо он очень слабый. Например, на улице уровень сигнала средний или высокий, а в помещении он пропадает либо снижается, и связь начинает прерываться. Схематично процесс усиления выглядит следующим образом:

Слабый сигнал от базовой станции оператора улавливается внешней антенной, расположенной на улице. От внешней антенны сигнал по высокочастотному коаксиальному кабелю передаётся на репитер. Репитер усиливает сигнал и отправляет его дальше по кабелю на комнатную антенну. Комнатная антенна обменивается информацией с мобильными устройствами и отправляет сигнал в обратном направлении.

Что входит в комплект?

В комплект входит сам репитер, уличная и комнатная антенны, кабельная сборка (провода, соединяющие репитер с внешней и внутренней антеннами), блок питания репитера, крепёж и подробная инструкция по установке и эксплуатации комплекта. Дополнительно можно приобрести кронштейны и мачты для крепления уличной антенны к стене здания, а также грозозащиту, предотвращающую повреждение оборудования от электростатического напряжения, возникающего при грозе.

Теперь, когда мы понимаем что из себя представляет готовый комплект усиления сотовой связи, давайте определимся, где и для чего мы будем усиливать сигнал. Это важно. Ведь для того, чтобы максимально эффективно решить поставленную задачу по улучшению плохой связи, нужно учесть существующие условия и тот результат, который Вы ожидаете от усилителя.

Усиление сотового сигнала на даче

Как правило, в сельской местности вышки сотовых операторов расположены далеко друг от друга. Их ставят в первую очередь вблизи к более-менее крупным населённым пунктам. Если Ваш дом расположен на значительном удалении от вышек базовых станций, то, в данном случае, предпочтительнее выбрать комплект с репитером, работающим на низких частотах, например 800 и 900 МГц. Эти частоты распространяются на большие расстояние, а значит существует возможность стабильного приёма и передачи сигнала от базовой станции до улавливающей антенны и обратно. Частота 900 МГц до сих пор самая распространённая в области сотовой связи. На ней работают почти все сотовые операторы. Исключением является Теле2, данный оператор не использует этот диапазон на территории РФ.

Частота 800 МГц поддерживается основными сотовыми операторами и позволяет передавать сигнал высокоскоростного мобильного интернета в стандарте LTE-800 (4G) на расстояние до 13 километров.

В частотном диапазоне 900 МГц работает два стандарта связи — GSM-900 (2G) и UMTS-900 (3G). Это означает, что используя усилитель сотовой связи с рабочей частотой 900 МГц, Вы можете улучшить не только голосовую связь, но и мобильный интернет в стандарте 3G. Однако, надо иметь ввиду, что не все сотовые операторы поддерживают передачу интернета на этой частоте.

Если Ваш дом находится не очень далеко от населённого пункта, есть возможность «поймать» более высокую частоту, например, 1800 Мгц или 2100 МГц. Тогда становятся доступны полноценный скоростной интернет и голосовая связь в стандарте 3G (UMTS-2100), а также высокоскоростной интернет в стандарте LTE-1800 (4G) и голосовая связь в стандарте GSM-1800 (2G) с более широкой полосой пропускания.

В стандартах 3G и 4G работает современная голосовая связь на смартфонах. Они автоматически выбирают более высокую частоту даже в том случае, когда её сигнал очень слабый. Отсюда известная многим проблема пропадания собеседника и прерывания связи. Устройство «цепляется» за слабый сигнал высокой частоты, а при полной его потере переключается на более низкую, но устойчивую.

Кнопочные телефоны старого образца работают в стандарте 2G в частотных диапазонах GSM-900 и GSM-1800 и также предпочитают верхнюю частоту при её наличии.

Усиление сотового сигнала в квартире

А если нужно усилить сигнал в квартире? Да, даже в крупном городе, где находятся сотни базовых станций, можно остаться без связи. Такая проблема актуальна для жителей плотной городской застройки, владельцев квартир на верхних этажах, в новостройках, в домах с толстыми стенами, во дворах «колодцах» и т. д.

Тут поможет комплект усиления связи для квартиры. Особенность городского комплекта в компактной уличной антенне и более высоких рабочих частотах, хотя многие комплекты для дачи можно тоже с успехом применять в городе. Но, так как в крупном городе присутствуют стандарты связи GSM, 3G и 4G на верхних частотах, разумно выбирать усилитель, поддерживающий эти стандарты. Это GSM-1800, UMTS-2100 (3G) и LTE-2600 (4G).

Выше мы описали два самых частых случая, когда нужно усилить сигнал. Но нет такого репитера, который идеален для дачи, но совершенно бесполезен в городе. Большинство комплектов универсальны. С их помощью можно усилить сигнал в загородном доме, на даче, в офисе, гараже или квартире. Просто есть комплекты с параметрами, больше подходящими для сельской местности, где расстояние до вышек базовых станций больше, а есть те, которые актуальнее использовать в черте города. Чтобы выбрать комплект, наиболее отвечающий Вашим условиям, нужно определить, в каком стандарте и на какой частоте передаётся сигнал сотовой связи в районе Вашего дома.

Определение частотного диапазона

Рассмотрим, как можно самостоятельно определить частотный диапазон и другие параметры. Для этого можно воспользоваться бесплатными приложениями для смартфонов, такими как Network Cell Info Lite или Сотовые Вышки, Локатор. Замеры нужно будет провести в разных режимах подключения — 4G, 3G, 2G. Для этого в настройках смартфона необходимо последовательно переключать тип сети и сверяться с показаниями из приложения.

Рассмотрим пример для Андроид с использованием приложения Сотовые Вышки, Локатор:

Зайти в Настройки телефона и выбрать пункт Сеть и Интернет
Затем выбрать пункт Мобильная сеть
Перейти в Расширенные настройки
Выбрать пункт Предпочтительный тип сети
Это можно сделать и из настроек самого приложения: нажать на меню (три вертикальные точки в правом верхнем углу экрана), выбрать пункт Настройки сети =>> Расширенные настройки =>> Предпочтительный тип сети

Также в выпадающем меню можно переключиться на другую сим-карту, выбрав «Переключиться на СИМ2»

Поочерёдно выбирая режимы связи, проверяем, какой тип соединения показывает приложение.

В верхнем левом углу экрана (обведено жёлтой рамочкой) отображается обозначение частотного диапазона. Чуть ниже можно увидеть уровень сигнала в дБ. Чем больше число, тем слабее сигнал! Хорошим считается сигнал до -100 дБ. Наша задача состоит в том, чтобы от каждого стандарта выбрать приоритетный частотный диапазон, который проходит внутрь помещения, и усилить именно его. Не стоит торопиться с определением типа соединения, лучше подождать минуту-другую пока устройство выберет приоритетную частоту. Например, G900 может смениться на G1800. Значит частота 1800 МГц присутствует в помещении, и даже если её сигнал слабее, чем у 900 МГц, телефон предпочтёт работать на более высокой частоте.

Приложение Network Cell Info Lite удобно тем, что наглядно показывает уровень входящего сигнала. В стартовом разделе «Датчики» показана шкала, на подобие спидометра. Она позволяет оценить качество связи в определённом стандарте. Если стрелка в зелёной зоне, значит сигнал хороший, усиливать его не требуется.

Нетворк Селл не показывает частотный диапазон в мегагерцах, но его можно узнать из показателя Band. Внизу страницы приведена таблица соответствия значений Band и частотного диапазона в МГц. Например, Band 1 — это 2100 МГц в стандарте UMTS (3G).

Плюсом этих приложений является и то, что они показывают расположение вышек базовых станций. Это понадобится при установке внешней антенны. Её нужно будет сориентировать в направлении базовой станции. При этом если между точкой, где располагается антенна, и базовой станцией есть препятствия, такие как высокие деревья, строения, то лучше направить антенну в свободное от препятствий пространство.

Итак, определив частотные диапазоны, на которых передаётся сигнал в районе Вашего дома, можно переходить к выбору комплекта, но мы немного остановимся на таком параметре, как мощность усиления сигнала.

Максимальное усиление комплекта

Вы можете обратить внимание на то, что коэффициент усиления в дБ у разных репитеров отличается не сильно (60-65-70 дБ), при этом площадь действия может отличаться в разы. На самом деле зависимость здесь не линейная, а логарифмическая. Каждые +3-5 дБ удваивают мощность. Поэтому, комплект с максимальным усилением 83 дБ может покрыть площадь вдвое бóльшую, чем комплект с усилением 78 дБ. В характеристиках каждого репитера и готового комплекта указана максимальная площадь действия в помещениях. Но не только величина помещения влияет на выбор мощности усилителя. Очень слабый входящий сигнал может служить причиной выбора более мощного усилителя, способного покрыть площадь бóльшую, чем необходимо.

Установка комплекта

Рекомендуем начать с установки уличной антенны. Вы уже определили направление до ближайшей базовой станции с помощью мобильного приложения. Теперь нужно выбрать место для крепления антенны к стене. Если мы говорим про загородный дом, то желательно закрепить антенну повыше. Так на пути распространения сигнала окажется меньше помех. В случае, когда вокруг дома есть высокая растительность, можно установить внешнюю антенну на специальную мачту. При установке комплекта усиления связи в квартире или офисе внешнюю антенну, как правило, крепят на стене рядом с окном или на раме самого окна.

Затем нужно завести кабель от внешней антенны внутрь помещения. Это можно сделать пробурив отверстие в стене либо в межэтажном перекрытии в случае, если антенна установлена на крыше.

Выбираем место для крепления репитера. Его можно закрепить на стене или мебели с помощью крепежа, входящего в комплект. Нужно чтобы поблизости была розетка 220 вольт для подключения репитера к сети.

Потом подсоединяем комнатную антенну, и крепим её либо на стене, либо на потолке, на сколько хватит кабеля. Длина кабеля внутренней антенны обычно 2 метра. Если по каким-то причинам требуется установить антенну дальше от репитера, можно дополнительно приобрести отдельную кабельную сборку. Схемы встройки будут приведены ниже.

Важный момент при выборе места для установки антенн. Внешняя и внутренняя антенны должны быть расположены друг от друга как можно дальше. Это нужно для того, чтобы не происходило закольцовки сигнала. Это когда сигнал от внутренней антенны улавливается внешней. В результате возникают помехи, и система перестаёт работать эффективно. Если комнатная антенна направленного действия, её не следует направлять в ту сторону, где установлена уличная антенна.

Варианты соединения элементов комплекта

Стандартная схема:

Если нужно удлинить кабель комнатной антенны:

Если нужно удлинить кабель уличной антенны:

Мощность усиления и уровень сигнала в дБ

Вы, наверное, уже могли обратить внимание на то, что коэффициент усиления в дБ у разных репитеров отличается не сильно. 60-65-70 дБ. На самом деле зависимость здесь не линейная, а логарифмическая. Каждые +3-5 дБ удваивают мощность. Поэтому, комплект с максимальным усилением 83 дБ может покрыть площадь вдвое бóльшую, чем комплект с усилением 78 дБ.

Важно! Не включайте репитер без подсоединённых антенн! В этом случае репитер может выйти из строя.

В чём польза от установки репитера? Важно знать!

Помимо обеспечения помещения устойчивой сотовой связью, комплект репитера снижает уровень СВЧ-излучения сотовых телефонов и других мобильных устройств. Известно, что сам мобильный телефон является источником электромагнитного излучения. Чем слабее входящий сигнал от базовой станции, тем сильнее телефон начинает излучать, пытаясь поддерживать связь с вышкой сотового оператора. Уровень излучения в условиях плохого приёма может достигать 1,5-2 Вт, тогда как самый мощный репитер имеет мощность излучения не более 0,2 Вт для каждого частотного диапазона, то есть в 10 раз ниже!

После установки комплекта усиления связи, мобильные устройства оказываются в благоприятных для себя условиях приёма сигнала и снижают уровень собственного излучения. Оно уменьшается в десятки раз и не превышает 0,02 Вт. Не сложно посчитать, что суммарный уровень излучения системы будет значительно ниже изначального, когда телефон в поисках сети работал на максимальной мощности. Кроме того, нужно понимать, что телефон во время разговора мы держим в непосредственной близости от головы, а антенна репитера находится на расстоянии нескольких метров. Электромагнитное воздействие значительно снижается с увеличением расстояния от источника ЭМ волн.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что комплект усиления связи снижает негативное воздействие сотового телефона и других мобильных устройств.

Полезно знать

Соответствие стандартов связи и частотных диапазонов

* — Абсолютный радиочастотный диапазон значений.
** — FDD (Frequency Division Duplex) использует частотное разделение каналов DL / UL, что делает возможным усиление этого сигнала активным усилителем (репитером).
*** — TDD (Time Division Duplex) использует временное разделение каналов DL / UL, что делает невозможным усиление этого сигнала активным усилителем (репитером).

Частотные диапазоны 4G LTE российских операторов связи

* — Способ двухсторонней связи с использованием приёмопередающих устройств.

Принцип работы усилителя: операционного, магнитного, вакуумного

Что такое операционный усилитель? Усилители сигнала используются в радиотехнической промышленности в совокупности с слабосильными передатчиками. Грамотно подключенный усилитель позволяет повышать мощность сигнала в сотни, тысячи и десятки тысяч раз. Для того, чтобы разобраться в принципах работы этих устройств рассмотрим наиболее распространенные варианты: усилители операционные, вакуумные и магнитные.

Операционный усилитель

Чтобы понять, что такое и как работает операционный усилитель, ознакомимся с базовой информацией о нем.

Схемы операционного усилителя

Базовая информация

Это продукт гением советской промышленности. По факту это наиболее распространенный в настоящий момент аппарат, поскольку он позволяет получить существенные усиления сигнала: порядка 40 – 50 тысяч. Что это значит? Если после передатчика идет сигнал мощностью 0,04 Вт, на выходе получится около 16 кВт. Актуально использование таки усилителей для больших радиостанций.

Для большей части радиолюбителей изучение принципов работы операционного усилителя не имеет смысла. Проще воспринимать этот прибор как черный ящик, который делает свое дело. Как именно? Большую часть людей это не волнует. Зато большое значение оказывает реальная польза устройства и умения по настройке прибора. Поэтому, разберем на пальцах основной принцип работы устройства, не углубляясь в дебри теории. Поскольку выкладок для объяснения работы операционного усилителя хватит на написание небольшой монографии.

Принцип работы

Принцип работы операционного усилителя следующий: в базовой комплектации усилитель имеет два входа: инверсионный и не инверсионный. В зависимости от способа подключения возможны следующие варианты работы устройства:

• Инвертирующий. Этот режим позволяет изменить полярность тока.
• Неинвертирующий. Этот режим отвечает за повышение численных параметров.
• Дифференционный. Это совмещенный режим, позволяющий одновременно изменить полярность и величину напряжения на входе. Однако при этом требуется подключение дополнительных источников питания.

Операционный усилитель можно считать примером простейшей автоматики. Большой функционал в итоге привел к появлению в составе прибора трех блоков, каждый из которых отвечает за свой режим работы. Само устройство представляет собой сеть мини транзисторов.

Вкратце работа прибора выглядит так: сравниваются токи на входе и параметры тока питания. Цель усилителя в данном случае: выровнять два сигнала, приведя их к некоторому общему значению. Для каждого из режимов существует своя схема подключения, которая помимо прибора включает в себя несколько резисторов, необходимых для работы прибора.

Вакуумные усилители.

Чтобы понять принцип работы вакуумного усилителя, необходимо вспомнить или изучить понятия диод и триод.

Вакуумный усилитель

Диод и триод

Чтобы говорить о принципах работы вакуумного усилителя, придется вспомнить, что такое диод и триод. Диодом в общем случае называют лампу, которая состоит из двух элементов: анода и катода. Анод подключается к положительному полюсу питания, катод к отрицательному. В итоге между двумя полюсами возникает разность потенциалов, проще говоря – напряжение. Лампа загорается.

В работе диода существует весомая проблема. Катод представляет собой трубку, в которую помещается анод. Электроны перебегают в вакуумном пространстве от катода к аноду. Отсюда и название усилителя – вакуумный. В результате образуется электронное облако, которое примерно 2/3 электронов отправляет обратно к катоду.

Здесь и кроется самый интересный момент истории с диодом: чтобы усилить электрический ток в диоде нужно установить третий элемент: управляющую сетку. Эта спираль, которая наматывается вокруг анода. На спираль подают небольшое отрицательное напряжение в несколько вольт. В результате спираль на малых расстояниях создает столь сильное поле, что все электроды потока катод-анод оседают на аноде. В результате мы имеем увеличение сигнала.

Сеточные токи

Однако, подобный усилитель имеет крайне большую проблему: при подаче на сетку не положительного, а отрицательного напряжения, электроды оседают на сетке. Этот случай называется запиранием. Ток может вообще прекратить свой путь к аноду, полностью перетекая в сетку. В условиях радиотехники это означает потерю сигнала.

Поэтому триодные вакуумные усилители используют только в условиях работы с отрицательным напряжением. В комплект к устройству в обязательном порядке подключают резистор с нагрузочным напряжением. Система из нескольких резисторов и вакуумного триода и называется вакуумным усилителем.

Интересно, что повышающий коэффициент устройства мал относительно операционной схем. Но далеко не всегда в радиотехнике требуется усиление сигнала в десятки тысяч раз. Для вакуумных усилителей нормой считаются значения в 200-300 раз.

Магнитные усилители

Это другой вид усилителя. Чтобы понять принцип работы магнитного усилителя, изучим все сведения о нем.

Магнитный усилитель

Общие данные

Принцип действия магнитных усилителей основан на способности ферромагнетиков издавать меньшее по силе магнитное поле при насыщении. Этот прибор представляет собой три катушки. Из них одна – центральная является управляющей, две другие – рабочими. Рабочие катушки подключаются к потребителю, управляющая к источники питания.

Свое распространение магнитные усилители получили благодаря огромному количеству положительных качеств:

• Дешевизне производства. Фактически любой любитель может дома изготавливать подобные конструкции в любых количествах.
• Чувствительности. Любое изменение микротока сразу же изменяет проходящий сквозь усилитель сигнал. Это достигается за счет взаимно связанных процессов электроиндукции в катушке.
• Пожаробезопасности. Усилитель представляет собой простой сердечник с медной обмоткой. Здесь банально нечему гореть.
• Широкий спектр рабочих значений. Усилитель может работать с параметрами от нескольких сотых Вт до нескольких сотен Вт.

Все это в совокупности делает магнитные усилители достаточно частым решением в радиотехнике средних и малых размеров.

Принцип работы

Предположим, что в нулевой момент времени, ток от абонента не поступает. В этом случае, сердечник управляющей обмотки находится в ненасыщенном состоянии. При этом сопротивление на управляемых катушкам максимально.

Как только сквозь боковые катушки начинает проходить сигнал от потребителя – ситуации меняется. Чем сильнее сигнал, тем выше насыщение центрального сердечника, тем меньшее магнитное поле он генерирует. Как результат в боковых сердечниках значительно уменьшается сопротивление, вызванное индукционными токами.

Уменьшение сопротивления приводит к росту силы тока. Таким образом и получается оказывать усиливающее действие за счет изменения магнитной насыщенности центрального сердечника.

Какой усилитель лучше?

В радиотехнике, как и в любой другой точной науке, нет ничего однозначно хорошего или однозначно плохого. Все зависит от конкретных условий. Нужно выбирать исходя из опыта радиолюбителя и потребностей машины. Ни к чему ставить сложный операционный усилитель на бытовые приемники. Зато сюда отлично подойдет вакуумное триодное устройство.

Однако в общем случае, все чаще выбирается магнитный усилитель, как наиболее оптимальный вариант, легкий в настройке и надежный в работе.

 

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Зачем нужен усилитель для акустических систем?

Скажите честно, задумывались ли вы хоть раз, как появляется звук в колонке? Вы наверняка слышали, что для того, чтобы акустика работала и играла музыку, нужен усилитель. В некоторых акустических системах усилитель уже спрятан внутри, но в большинстве случаев в системах используются отдельные устройства – усилители.

На фото: «Black Power Set» — вот так выглядит классический стерео комплект: источник, усилитель и акустическая система

Конечно, большое количество людей весьма подкованы в этом вопросе и прекрасно разбираются в типах усилителей, их назначении, да и вообще, как собрать хороший акустический комплект. Но мы все чаще сталкиваемся с вопросом от представителей самых разных поколений, а зачем нужен усилитель? И как понять, в каких системах он нужен, а в каких нет? Так давайте разберемся.

На фото: SYNTHESIS Soprano — вот так может выглядеть современный ламповый усилитель высокого класса

На самом деле, усилитель нужен всегда, когда требуется, чтобы динамик начал звучать – он есть в смартфонах и телевизорах, да даже в «говорящих» детских игрушках.

В этой статье мы попробуем максимально простым языком ответить на вопросы: «что такое усилитель?» и «зачем он нужен для звука в акустических системах?»

---

Как вообще рождается звук?

Самое простое объяснение принципа работы любого усилителя для акустики кроется в самом процессе, как рождается звук нашей любимой музыки, которую мы слышим из колонок. И вот несколько простых определений для нашей базы:

Звук – это физическое явление, энергия, которая распространяется в пространстве в виде упругих волн вследствие механических колебаний.

Т.е. движение какого-то объекта создает колебания в воздухе, эти колебания волнами начинают заполнять пространство вокруг, а наше ухо слышит характерный этому движению звук. Если резко махнуть рукой, то тот самый звук «шух», который вы услышите – это и есть новорожденный звук, появившийся после конкретного механического движения вашей рукой.

В данной статье частотные диапазоны, амплитуды колебания и прочие термины мы затрагивать намеренно не будем.

Как появляется звук в колонке?

Излучатель звука – это устройство для преобразования электрических сигналов в акустические волны (звук) и излучения их в окружающее пространство.

Излучатели различают сразу нескольких типов по принципу действия, но мы пока остановимся, пожалуй, на самом распространенном и понятном примере – электродинамический громкоговоритель или, просто, «динамик».

На фото: фирменный медный динамик Klipsch Reference — таким мы, чаще всего, динамик себе и представляем

Мы обязательно напишем отдельную и подробную статью об устройстве динамика и принципе его работы. Сейчас же акцентируем внимание на самой сути, простыми словами.

Электрический сигнал приходит в динамик и дает ему информацию, как ему «толкать воздух», он создает механические колебания и толкает воздух таким образом, чтобы в звуковых волнах мы услышали именно ту музыку, которая и была заложена в исходном электрическом сигнале.

Сам этот электрический сигнал берется из источника звука – проигрыватель винила, CD-плеер, кассетный плеер, медиа плеер, телевизор, плеер внутри смартфона (и все другое виды, какие только сможете придумать).

На фото: проигрыватель винила Pro-Ject Essential III — классический аналоговый источник, золотой стандарт Hi-Fi индустрии

---

Извлечение звука и его усиление

Но почему этот сигнал изначально «слаб» и его нужно усиливать? Здесь важна небольшая историческая справка.

Очень давно процесс извлечения звука и его воспроизведения был полностью механическим. Например, помните громоздкие патефоны с огромным рупором? Так вот, там механическая игла «скребет» канавки пластинки, а считанные колебания усиливаются с помощью раструба-рупора. Когда мы говорим в рупор, наш голос тоже становится громче по такому же принципу.

На фото: патефон с рупором начала XX века

С развитием Hi-Fi индустрии в середине 20 века в такую чисто механическую схему приходит преобразование этих механических колебаний в электрический сигнал. Как раз в погоне за более высоким качеством воспроизведения звука. Первооткрывателем этого стандарта стала легендарная датская компания Ortofon, которая разработала звукосниматель (картридж проигрывателя винила) как раз для решения этой задачи.

Полученный с помощью этого картриджа электрический сигнал сам по себе не обладает достаточной мощностью, чтобы быть сразу преобразованным в звук динамиком. Вот тут-то и появляется задача для усиления этого сигнала.

На фото: Ortofon MC Windfeld Ti — звукосниматель считывает с пластинки механический сигнал и преобразовывает его в электрический

Причем, на нашем примере, чем громче мы хотим услышать звук, тем более мощный динамик нам нужен, а это значит, что еще более мощный сигнал должен приходить в этот динамик.

С цифровым сигналом ситуация слегка иная, но схожая. Для того чтобы цифровую музыку в виде электричества подать на динамики, ее сначала нужно преобразовать из цифры в аналог. Для этого используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), о них мы много и подробно поговорим в других статьях. Важно то, что и у них электрический сигнал на выходе точно также «слаб» для любого динамика и тоже требует усиления.

На фото: SYNTHESIS Roma 14DC+ — пример современного CD-проигрывателя класса High End

Усилитель – это устройство (цепочка устройств), которое позволяет исходному электрическому сигналу от источника обрести достаточную мощность, чтобы быть поданным на динамик акустической системы. И в результате получится громкий и четкий звук, которым мы с вами и будем наслаждаться.

На фото: современный ламповый усилитель Hi-Fi класса TAGA Harmony

Надеемся, что на таких простых примерах нам удалось объяснить, зачем же нужен усилитель и какова его роль в звуке Hi-Fi-системы. Еще лучше вы сможете разобраться в вопросе, поняв внутреннее устройство усилителя, его самые важные параметры, принцип работы, а также, какие типы усилителей бывают и где используются. И об этом мы поговорим с вами в следующих статьях.

Что такое трансляционный усилитель — виды, как работает, как правильно выбрать трансляционный усилитель мощности

Трансляционный усилитель – это прибор, который усиливает мощность электрических звуковых сигналов. Он необходим при трансляции фоновой музыки, голосовых объявлений, сигналов тревоги на большой территории. Именно площадь пространства служит главным фактором, требующим использования усилителя. Это связано с тем, что при увеличении расстояния возрастает длина линий связи. В свою очередь, чем длиннее линии связи, тем больше потери мощности звука.

Вопрос потери мощности решается просто: за счет увеличения напряжения линий, потому что именно ток влияет на мощность сигнала при его прохождении по линиям. Но для увеличения напряжения нужно снабдить громкоговорители понижающим трансформатором, который бы преобразовал напряжение. Поэтому появилось два стандарта передачи сигнала: 70 и 100 Вольт.

Стовольтное озвучивание называют «трансляционным», для него используют специальные трансляционные усилители. Это оборудование служит источником напряжения, из которого громкоговорители извлекают номинальную мощность.

Принцип подключения трансляционных усилителей

При подключении домашней акустики используют так называемое низкоомное подключение. Оно предполагает, что сопротивление и мощность каждой акустической системы согласованы с отдельным каналом усилителя. Однако в трансляционных системах к одному каналу усилителя подключают ветку динамиков. Для этого используют параллельную электрическую цепь.

В рамках номинала усилителя к одной линии может быть подключено любое число динамиков. Например, если номинал усилителя – 240 Вт, к нему можно подключить акустику в 6 Вт. Поэтому главная характеристика усилителя – это номинальная мощность. Она должна быть больше или равна общей мощности оборудования, включенного в цепь.

Сфера применения

Этот тип оборудования используют при длине линий свыше 20 м, поэтому при помощи трансляционных усилителей озвучивают:

• железнодорожные и автомобильные вокзалы;
• торговые центры, супермаркеты и магазины;
• кафе, рестораны, бары;
• университеты и другие учебные заведения;
• производственные цеха и склады;
• парки и прочие открытые площадки.

Усилители служат для трансляции фоновой музыки, рекламных и информационных сообщений, они передают сигналы тревоги. Это оборудование одинаково необходимо для голосового оповещения и прокручивания музыки.

Виды трансляционных усилителей

• Микшерные.
• Бустерные.
• Многоканальные.
• С интегрированным источником звука.

Большинство моделей совмещено с микшером. Такие устройства называются микширующими или микшерными, они служат для одновременного подключения нескольких источников звука: микрофонов, проигрывателей, тюнеров. На выходе получается совмещенный сигнал. Это удобно, например, когда в торговом зале нужно сделать объявление, не отключая фоновую музыку.

Также в продаже в нашем интернет-магазине есть микширующие устройства с зонированием. Они рассчитаны на системах с подключением групп усилителей к разным зонам, каждая из которых регулируется по громкости и мощности. Вы можете купить упрощенную версию многозонного усилителя, которая обходится без блока регуляторов. Вместо него установлен селектор, включающий и отключающий звук в отдельных зонах вещания.

Кроме микшерных устройств есть также бустерные модели, которые служат исключительно для увеличения мощности в одной зоне вещания. У них нет микшера в составе, поэтому они требуют подключения к микшерным устройствам или другим линейным источникам.

Выше всего в нашем каталоге цена многоканальных трансляционных усилителей: например, четырехканальный APart REVAMP4240T. Это профессиональное оборудование, которое объединяет несколько увеличителей мощности с отдельными регуляторами.

Наконец, для озвучивания малых и средних помещений покупают модели с интегрированным источником звучания. В нашем каталоге представлены модели, которые позволяют прокручивать записи одновременно с нескольких носителей. Но мощность этого класса приборов не превышает 500 Вт.

Как работает трансляционный усилитель

Усилитель – это комбинированное устройство, которое состоит из предусилителя, усилителя мощности и согласующего трансформатора. Предварительные усилители увеличивают низкоуровневые звуковые сигналы: до 100 мВ, которые поступают от источника. Они передают сигналы на усилитель мощности. Параметры входящего сигнала обычно регулируются: это называется регулировкой входа или чувствительности.

Усилители мощности наращивают звуковой сигнал до уровня, необходимого для стабильной работы системы оповещения. Важно, что вместе с трансляционными усилителями используют и специальные громкоговорители, которые поддерживают трансформаторное согласование. Благодаря этому к выходу усилителей мощности можно подключить длинные нагруженные линии, на основе приборов можно построитель зональные системы оповещения.

В отличие от низкоомного согласования, трансформаторный принцип делает работу акустической системы устойчивой к наводкам. Этот принцип позволяет транслировать любую звуковую информацию по кабелям малого сечения на большие расстояния. Потери качества сигнала при этом незначительные. Однако большинство моделей предусматривают заодно и низкоомное подключение. Например, усилитель Atlas Sound TSD-PA10VG можно использовать и вместе с низкоомным оборудованием. Однако помните, что одновременное применение разных типов выходов недопустимо.

Как выбрать трансляционный усилитель

Самый востребованный вид оборудования – моноблочные микшеры-усилители. Чтобы подобрать такое оборудование, нужно оценить ключевые параметры:

• Мощность. Чтобы определить оптимальную мощность, нужно подсчитать количество громкоговорителей, которые будут подключены к устройствам, а затем суммировать их мощность. Полученная цифра и будет минимальным подходящим значением.

  Например, у вас есть 10 динамиков по 10 Вт и 5 динамиков по 6 Вт. Минимальная мощность усилителя будет составлять 130 Вт. Однако мы рекомендуем выбирать мощность с запасом, чтобы в будущем можно было нарастить количество громкоговорителей.

• Источники сигнала. Они могут быть внешними и внутренними. Внешние источники – это микрофоны, тюнеры, компьютеры и проигрыватели. Однако отдельные модели предусматривают встроенные источники сигнала: тот же тюнер или проигрыватель, только включенные в конструкции усилителя. Поэтому оценивайте количество входов для внешних источников.

  Стандартный набор входов предполагает пару микрофонных разъемов, несколько линейных и универсальных входов. Помните, что к линейному входу можно подключить микрофон, а компьютер подсоединяют через линейный или универсальный разъем. Однако для организации фоновой музыки зачастую удобнее иметь встроенный источник звука.

• Наличие встроенного селектора зон трансляции. Он необходим, если вы хотите разместить динамики в разных зонах: например, в торговом зале и перед входом. Или в торговом зале, на складах, в зоне доставки. Селектор зон трансляции позволит отключить рекламные сообщения в рабочих помещениях, но проигрывать их в торговых зонах. Также этот элемент позволит передавать сообщения только в одну или несколько акустических зон.

• Тип питания. Если акустическая система входит в состав пожарной сигнализации, необходимо позаботиться о резервном питании усилителя. Для этого, кроме традиционного питания в 220 АС, многие модели предусматривают вход 24В – специально для экстренных ситуаций.

• Применение микрофонных консолей. Заранее рассчитайте, сколько микрофонов вы хотите включить в систему. Например, микрофоны могут быть только у охранника и руководителя, или ими также будут располагать ответственные сотрудники. Хорошая модель будет предусматривать передачу сообщений с каждого микрофона в отдельные трансляционные зоны.

Есть и другие важные параметры, которые заслуживают внимания при покупке трансляционного усилителя. Это наличие входа для АТС, встроенные генераторы тревожных сигналов, приоритетные входы. Если озвучивание территории требует использования нескольких усилителей, к выбору оборудования следует привлечь инженеров, поскольку потребуется расчет оптимальных параметров.

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Из корпуса усилителя обычно выходят пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному мультиметру.

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2πf повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с гистерезисом, которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Похожие темы:

Принцип работы усилителя

и схема

Теплые подсказки: эта статья содержит около 6000 слов, а время чтения составляет около 22 минут.

Введение

Операционный усилитель называется операционным усилителем. Он был назван «Операционным усилителем», потому что в первые дни он использовался в аналоговых компьютерах для реализации математических операций. В основном используется в аналоговых схемах, таких как усилители, компараторы, аналоговые операторы, это устройство, которое часто используют инженеры-электронщики.Операционный усилитель — это схемное устройство с очень высоким коэффициентом усиления. В реальной схеме функция обратной связи обычно сочетается с сетью обратной связи для формирования определенного функционального модуля. Это усилитель со специальной схемой связи и обратной связью. Выходной сигнал может быть результатом математических операций, таких как сложение, вычитание или дифференцирование входного сигнала, интегрирование и т.п. Операционный усилитель — это функциональный блок, названный с функциональной точки зрения, который может быть реализован в дискретных устройствах или в полупроводниковых микросхемах.

Что такое операционный усилитель?

Каталог

---

Ⅰ W orking P Принцип O perational A Усилитель

1.1 Терминология

С развитием полупроводниковой технологии большая часть одного чипа. Есть много типов операционных усилителей, которые широко используются в электронной промышленности.Для лучшего использования операционного усилителя необходимо доскональное понимание принципа работы операционного усилителя.

Операционный усилитель ( OP, OPA, OPAMP для краткости) представляет собой дифференциальный (дифференциальный) вход, связанный по постоянному току, обычно несимметричный выходной (усиленный) усилитель напряжения, потому что вначале он был в основном используется в арифметических схемах, таких как сложение и умножение, отсюда и название. Идеальный операционный усилитель должен иметь следующие характеристики: бесконечный входной импеданс, выходной импеданс, равный нулю, бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечную часть коэффициента подавления синфазного сигнала и бесконечную полосу пропускания.Самый простой операционный усилитель показан на рисунке 1-1. Модуль операционного усилителя обычно включает в себя положительный вход (OP_P), отрицательный вход (OP_N) и выход (OP_O).

1.2 Отрицательная обратная связь с замкнутым контуром

При подключении инвертирующего входа операционного усилителя к выходу схема усилителя находится в конфигурации с отрицательной обратной связью, и эту схему часто можно назвать просто замкнутой обратной связью усилитель звука.Усилитель с обратной связью входит в конец усилителя в соответствии с входным сигналом и может быть разделен на два типа: инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель.

Инвертирующий усилитель с обратной связью показан на Рисунке 1-3. Предполагая, что в усилителе с обратной связью используется идеальный операционный усилитель, коэффициент усиления без обратной связи бесконечен, поэтому два входа операционного усилителя являются виртуальной землей, а соотношение между выходным и входным напряжением выглядит следующим образом:

Vout = — (Rf / Rin) * Vin

1.3 Положительная обратная связь с замкнутым контуром

Положительный вход и выход операционного усилителя соединены, и схема усилителя находится в состоянии положительной обратной связи. Поскольку конфигурация положительной обратной связи работает в очень нестабильном состоянии, она в основном используется в приложениях, которым необходимо генерировать колебательный сигнал.

Ⅱ Основные параметры рабочего усилителя

2.1 Типовые параметры

• Входное сопротивление синфазного сигнала (RINCM)

Этот параметр указывает отношение диапазона входного синфазного напряжения к величине изменения тока смещения в диапазоне, когда операционный усилитель работает в линейной области.

• Подавление синфазного сигнала постоянного тока (CMRDC)

Этот параметр используется для измерения способности операционного усилителя отклонять один и тот же сигнал постоянного тока, подаваемый на оба входа.

• Подавление синфазного сигнала переменного тока (CMRAC)

CMRAC — это мера способности операционного усилителя отклонять один и тот же сигнал переменного тока, действующий на оба входа, в зависимости от коэффициента усиления разомкнутого контура в дифференциальном режиме, деленного на усиление разомкнутого контура синфазного сигнала.

• Продукт усиления полосы пропускания (GBW)

Произведение коэффициента усиления и ширины полосы пропускания AOL * ƒ является константой, определенной в области, где коэффициент усиления разомкнутого контура изменяется в зависимости от частоты и падения -20 дБ / декаду.

Этот параметр относится к среднему току, протекающему на входе, когда операционный усилитель работает в линейной области.

• Температурный дрейф входного тока смещения (TCIB)

Этот параметр представляет величину изменения входного тока смещения при изменении температуры. TCIB обычно выражается в единицах pA / ° C.

• Входной ток смещения (IOS)

Этот параметр указывает на разницу в токе, протекающем на два входа.

• Текущий температурный дрейф входного смещения (TCIOS)

Этот параметр представляет величину изменения входного тока смещения при изменении температуры. TCIOS обычно выражается в единицах pA / ° C.

• Входное сопротивление дифференциального режима (RIN)

Этот параметр указывает отношение величины изменения входного напряжения к величине изменения соответствующего входного тока.Изменение напряжения вызывает изменение тока. При измерении на одном входе другой вход подключается к фиксированному синфазному напряжению.

Этот параметр относится к внутреннему эквивалентному сопротивлению малого сигнала на выходе операционного усилителя при работе в линейной области.

• Размах выходного напряжения (VO)

Этот параметр относится к размаху максимального размаха напряжения, который может быть достигнут без ограничения выходного сигнала.VO обычно определяется при определенном сопротивлении нагрузки и напряжении питания.

Указывает статическую мощность, потребляемую устройством при заданном напряжении питания. Pd обычно определяется в условиях холостого хода.

• Коэффициент отклонения блока питания (PSRR)

Этот параметр используется для измерения способности операционного усилителя поддерживать свой выходной сигнал при изменении напряжения питания. PSRR обычно выражается как величина изменения входного напряжения смещения, вызванного изменением напряжения питания.

• Скорость преобразования / скорость нарастания (SR)

Этот параметр относится к максимальному значению отношения величины изменения выходного напряжения ко времени, необходимому для того, чтобы это изменение произошло. SR обычно выражается в единицах В / мкс и иногда выражается как положительное изменение и отрицательное изменение соответственно.

• Ток источника питания (ICC, IDD)

Этот параметр представляет собой ток покоя, потребляемый устройством при указанном напряжении питания.Эти параметры обычно определяются в условиях холостого хода.

• Полоса пропускания с единичным усилением (BW)

Этот параметр относится к максимальной рабочей частоте операционного усилителя, когда коэффициент усиления разомкнутого контура больше единицы.

• Входное напряжение смещения (VOS)

Этот параметр указывает разность напряжений, которая должна быть приложена на входе, когда выходное напряжение равно нулю.

• Дрейф входного смещения напряжения (TCVOS)

Этот параметр относится к изменению входного напряжения смещения, вызванному изменениями температуры, обычно выражается в единицах мкВ / ° C.

CIN представляет собой эквивалентную емкость любого входа, когда операционный усилитель работает в линейной области (другой вход заземлен).

• Диапазон входного напряжения (VIN)

Этот параметр относится к диапазону входных напряжений, разрешенных при нормальной работе операционного усилителя (получен ожидаемый результат), а VIN обычно определяется при указанном напряжении питания.

• Плотность шума входного напряжения (eN)

Для операционных усилителей шум входного напряжения можно рассматривать как последовательный источник шумового напряжения, подключенный к любому из входов, а eN обычно выражается в нВ / Гц, определенной на указанной частоте.

• Плотность шума на входе (iN)

Для операционных усилителей шум входного тока можно рассматривать как два источника шумового тока, подключенных к каждому входу и общий, обычно выражаемый в пА / корень Гц, определенных на указанной частоте.

2.2 Важные индикаторы

Идеальный интегрированный операционный усилитель, когда входное напряжение равно нулю, выходное напряжение также должно быть нулевым (без устройства обнуления). Однако на практике в дифференциальном входном каскаде интегрированного операционного усилителя сложно добиться полной симметрии.Обычно, когда входное напряжение равно нулю, есть определенное выходное напряжение. Входное напряжение смещения — это напряжение компенсации, приложенное ко входу, чтобы сделать выходное напряжение нулевым. Фактически, когда входное напряжение равно нулю, выходное напряжение делится на коэффициент усиления напряжения, и значение, преобразованное на входной терминал, называется входным напряжением смещения, то есть

Размер UIO отражает степень симметрии и согласования потенциалов операционного усилителя. Чем меньше UIO, тем лучше величина между 2 мВ и 20 мВ.UIO операционных усилителей со сверхмалым смещением и малым дрейфом обычно составляет от 1 мкВ до 20 мкВ.

Когда выходное напряжение равно нулю, разница между током покоя дифференциальной пары и базой дифференциального входного каскада называется входным током смещения IIO, то есть: из-за внутреннего сопротивления источника сигнала изменение IIO вызовет изменение входного напряжения, в результате чего выходное напряжение операционного усилителя не равно нулю. Чем меньше IIO, тем лучше симметрия лампы дифференциальной пары входного каскада, которая обычно составляет около 1 нА ~ 0.1 мкА.

Когда выходное напряжение интегрированного операционного усилителя равно нулю, среднее значение статического тока смещения двух входов операционного усилителя определяется как входной ток смещения:

Скорость нарастания SR является важным показателем при работе с большими сигналами и высокочастотными сигналами. В настоящее время скорость нарастания нарастания на ОУ общего назначения составляет около 1 ~ 10 В / мкс.

Операционный усилитель, представленный выше, имеет два входа a, b и один выход o. Также известен как обратный вход (инвертирующий вход), неинвертирующий вход (синфазный вход) и выход.При добавлении напряжения — добавляется между терминалом и общей клеммой (общий терминалом является нулем напряжения, которое эквивалентно опорным узел в цепи), и фактическое направление выходного напряжения U является от терминал к общему терминалу. Общие конечные точки указывают на конец o, то есть направление двух противоположно. Когда входное напряжение U + добавляется между концом b и общим концом, фактическое направление U и U + точно такое же, как и у общего конца.Ради различия, а-конец и б Терминалы помечены символом «-» и «+» соответственно, но не принимают их за положительную и отрицательную полярность опорного напряжения направления. Положительная и отрицательная полярности напряжения должны быть отмечены или обозначены стрелками. Инвертирующие усилители и нереверсивные усилители Повороты показаны ниже:

Операционный усилитель обычно можно рассматривать просто как усилитель напряжения с прямой связью и высоким коэффициентом усиления с одним выходным портом сигнала (Out) и двумя синфазными инвертирующими входами с высоким сопротивлением, поэтому операционные усилители могут использоваться для -фазные, инвертирующие и дифференциальные усилители..

Режим питания операционного усилителя разделен на два источника питания и один источник питания. Для операционных усилителей с двойным питанием выходной сигнал может изменяться при нулевом напряжении, а выход может быть установлен на ноль, когда дифференциальное входное напряжение равно нулю. В случае операционного усилителя с однополярным питанием выходная мощность варьируется в диапазоне мощности и заземления.

Входной потенциал операционного усилителя обычно должен быть выше определенного значения отрицательного источника питания и ниже определенного значения положительного источника питания.Специально разработанный операционный усилитель позволяет изменять входной потенциал от отрицательного к положительному, даже немного выше положительного или немного ниже отрицательного. Операционный усилитель такого типа называется операционным усилителем с железнодорожным входом.

Выходной сигнал операционного усилителя пропорционален разности сигнальных напряжений двух входов. В аудиосегменте: выходное напряжение = A0 (E1-E2), где A0 — низкочастотное усиление разомкнутого контура операционного усилителя (например, 100 дБ, т.е. 100000 раз), E1 — напряжение входного сигнала неинвертирующего клемма, а E2 — напряжение входного сигнала инвертирующей клеммы.

Ⅲ Анализ общей схемы рабочего усилителя

3.1 Инверторный усилитель

Увеличение Av = R2 / R1, но необходимо учитывать значение Gain-Bandwidth спецификации.

R3 = R4 обеспечивает смещение 1/2 мощности

C3 — фильтр развязки блока питания

C1, C2 вход и выход разделены DC

В этот момент фаза выходного сигнала противоположна входному.

3.2 Неинверторный усилитель

Увеличение Av = R2 / R1

R3 = R4 обеспечивает смещение питания 1/2

C1, C2, C3 блокируют постоянный ток

На этом этапе фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного.

3.3 Повторитель напряжения

Потенциал выхода O / P такой же, как потенциал входа I / P.Доступны как одиночные, так и двойные блоки питания.

3.4 Компаратор

Выход O / P имеет низкий логический уровень, когда напряжение I / P выше, чем Ref.

Выход O / P имеет высокий логический уровень, когда напряжение I / P ниже, чем Ref.

R2 = 100 * R1 используется для устранения состояния гистерезиса, которое должно усилить выход O / P, логическую высокую и низкую разность потенциалов для повышения чувствительности компаратора.

(R1 = 10 K, R2 = 1 M) доступны как одиночные, так и двойные источники питания.

• Виртуальные краткие и мнимые значения в операционных усилителях

Когда идеальный операционный усилитель работает в линейной области, можно сделать два важных вывода:

Поскольку коэффициент усиления по напряжению идеального операционного усилителя очень велик, и операционный усилитель работает в линейной области, это схема линейного усиления, и выходное напряжение не превышает линейного диапазона (т. Е. Конечного значения). Следовательно, потенциал неинвертирующего входного терминала и инвертирующего входного терминала операционного усилителя очень близок к равному.Когда напряжение питания операционного усилителя составляет ± 15 В, максимальный выход обычно составляет 10 ~ 13 В. Следовательно, разница напряжений между двумя входными клеммами операционного усилителя ниже 1 мВ, и две входные клеммы закорочены. Эта функция называется виртуальным короткометражкой. Очевидно, что это не настоящее короткое замыкание, а разумное приближение в пределах допустимого диапазона ошибок при анализе схемы.

Поскольку входное сопротивление операционного усилителя обычно составляет несколько сотен кОм или более, ток, протекающий через неинвертирующий вход и инвертирующий вход операционного усилителя, очень мал, на несколько порядков меньше, чем ток во внешнем цепи, а ток, протекающий в операционный усилитель, часто можно игнорировать, это довольно обрыв цепи на входе операционного усилителя.Эта функция называется виртуальным перерывом. Очевидно, что вход операционного усилителя не может открыть путь.

Используя две концепции «виртуального короткого замыкания» и «виртуального разрыва», можно упростить процесс анализа прикладной схемы при анализе линейной прикладной схемы операционного усилителя. Все рабочие схемы, образованные операционными усилителями, требуют определенного функционального соотношения между входом и выходом, поэтому можно использовать оба вывода. Если операционный усилитель не работает в линейной области, нет функции «виртуального короткого замыкания» или «виртуального разрыва».Если потенциал двух входов операционного усилителя измеряется и достигает нескольких милливольт или более, операционный усилитель часто не работает в линейной области или выходит из строя.

Ⅳ Классификация операционных усилителей

По параметрам интегрированного операционного усилителя интегрированный операционный усилитель можно разделить на следующие категории.

4.1 Операционный усилитель общего назначения

Операционные усилители общего назначения предназначены для общего использования.Основными особенностями этого типа устройств являются невысокая цена, широкий ассортимент, а его рабочие показатели могут быть пригодны для общего использования. Примеры μA741 (одиночный операционный усилитель), LM358 (двойной операционный усилитель), LM324 (четыре операционных усилителя) и LF356 с полевым транзистором в качестве входного каскада попадают в эту категорию. В настоящее время они являются наиболее широко используемыми интегрированными операционными усилителями.

4.2 Высокоимпедансный операционный усилитель

Характеристики этого типа интегрированного операционного усилителя заключаются в том, что входной импеданс дифференциального режима очень высок, а входной ток смещения очень мал.Как правило, rid> 1ГОм ~ 1ТОм, IB составляет от нескольких пикоампер до нескольких десятков пикоампер. Основная мера для достижения этих показателей — использование высокого входного сопротивления полевого транзистора и использование полевого транзистора для формирования дифференциального входного каскада операционного усилителя. При использовании полевого транзистора в качестве входного каскада не только высокий входной импеданс и низкий входной ток смещения, но и преимущества высокой скорости, широкой полосы пропускания и низкого уровня шума, но большое входное напряжение смещения. Распространенными интегрированными устройствами являются LF355, LF347 (четыре операционных усилителя) и CA3130, CA3140 с более высоким входным сопротивлением.

4.3 Операционный усилитель с низкотемпературным дрейфом

В приборах автоматического управления, таких как прецизионные приборы и средства обнаружения слабого сигнала, всегда желательно, чтобы напряжение смещения операционного усилителя было небольшим и не изменялось с температурой. Для этого предназначены операционные усилители с низким температурным дрейфом. В настоящее время широко используемые высокоточные операционные усилители с низким дрейфом включают OP07, OP27, AD508 и устройство ICL7650 с малым дрейфом, стабилизированное прерывателем, состоящее из полевых МОП-транзисторов.

4.4 Высокоскоростной операционный усилитель

В быстрых аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях и видеоусилителях коэффициент преобразования SR интегрированного операционного усилителя должен быть высоким, а ширина полосы единичного усиления BWG должна быть большой. достаточно, как и интегральный операционный усилитель общего назначения не подходит для высокоскоростных приложений. Время от времени. Основными особенностями высокоскоростных операционных усилителей являются высокая скорость нарастания и широкий частотный диапазон. Общие операционные усилители включают LM318, μA715 и т. Д., SR = 50 ~ 70 В / мкс, BWG> 20 МГц.

4.5 Операционный усилитель малой мощности

Поскольку самым большим преимуществом интеграции электронных схем является то, что с ее помощью можно делать сложные схемы небольшими и легкими, с расширением области применения портативных инструментов необходимо использовать операционный усилитель с низкое напряжение питания и низкое энергопотребление. Обычно используются операционные усилители TL-022C, TL-060C и т. Д., Их рабочее напряжение составляет ± 2 В ~ ± 18 В, а потребление тока составляет 50 ~ 250 мкА.В настоящее время некоторые продукты достигли уровня энергопотребления в мкВт. Например, питание ICL7600 составляет 1,5 В, а потребляемая мощность — 10 мВт. Он может питаться от одной батареи.

4.6 Высоковольтный и высокомощный операционный усилитель

Выходное напряжение операционного усилителя в первую очередь ограничивается источником питания. В обычном операционном усилителе максимальное значение выходного напряжения обычно составляет всего несколько десятков вольт, а выходной ток — всего несколько десятков миллиампер.Для увеличения выходного напряжения или увеличения выходного тока необходимо добавить вспомогательную цепь вне интегрированного операционного усилителя. Высоковольтные и сильноточные интегрированные операционные усилители могут выдавать высокие напряжения и большие токи без каких-либо дополнительных схем. Например, интегральный операционный усилитель D41 имеет напряжение питания ± 150 В, а интегральный операционный усилитель μA791 имеет выходной ток 1 А.

4.7 Операционный усилитель с программируемым управлением

В процессе использования прибора задействуется диапазон.Чтобы получить на выходе фиксированное напряжение, необходимо изменить увеличение усилителя. Например, если операционный усилитель имеет увеличение в 10 раз, а входной сигнал составляет 1 мВ, выходное напряжение. Для 10 мВ, когда входное напряжение 0,1 мВ, на выходе всего 1 мВ. Чтобы получить 10 мВ, необходимо изменить увеличение на 100. Программируемый операционный усилитель создан для решения этой проблемы. Например, PGA103A, управляя уровнем 1 и 2 фута, чтобы изменить коэффициент усиления.

Ⅴ Идеальный рабочий усилитель и идеальные условия работы усилителя

Идеальные параметры операционного усилителя: усиление в дифференциальном режиме, входное сопротивление дифференциального режима, коэффициент подавления синфазного сигнала, верхняя граничная частота бесконечны; входное напряжение смещения и его температурный дрейф, входной ток смещения и его температурный дрейф, а также шум равны нулю.

При анализе и интеграции прикладных схем операционного усилителя, интегрированный операционный усилитель может считаться идеальным операционным усилителем в большинстве случаев.В идеале идеальный операционный усилитель идеально подходит по техническим показателям интегрированного операционного усилителя. Поскольку технические характеристики реального операционного усилителя ближе к идеальному операционному усилителю, ошибка, вызванная идеализацией, очень мала и может быть проигнорирована в общих инженерных расчетах.

Технические показатели идеального ОУ следующие:

1. Коэффициент усиления напряжения в дифференциальном режиме без обратной связи Aod = ∞;

2.Входное сопротивление Rid = ∞; выходное сопротивление Rod = 0

3. Входной ток смещения IB1 = IB2 = 0;

4. Напряжение смещения UIO, ток смещения IIO, дрейф напряжения смещения, дрейф тока смещения равны нулю;

5. Коэффициент подавления синфазного сигнала CMRR = ∞ ;;

6. Полоса пропускания -3 дБ fH = ∞;

7. Отсутствие внутренних помех и шумов.

Фактические параметры операционного усилителя можно рассматривать как идеальные со следующими уровнями:

Коэффициент усиления по напряжению 104-105 раз; входное сопротивление достигает 105 Ом; выходное сопротивление менее нескольких сотен Ом; ток во внешней цепи намного больше тока смещения; напряжение смещения, ток смещения и его температурный дрейф малы, что приводит к дрейфу схемы, чтобы позволить В пределах объема стабильность схемы может соответствовать требованиям; при вводе минимального сигнала существует определенное отношение сигнал / шум, а коэффициент подавления синфазного сигнала больше или равен 60 дБ; полоса пропускания может соответствовать требованиям полосы пропускания канала.

Рекомендуемая литература

Основные характеристики и классификации операционных усилителей
Типы операционных усилителей и их сравнение
Базовый анализ неинвертирующих и инвертирующих усилителей
Основные сведения об операционных усилителях в электронике Обзор
Применение операционных усилителей, основы операционных усилителей

.

Усилители различных типов и принцип их работы

Усилитель используется для увеличения амплитуды сигнала без изменения других параметров формы сигнала, таких как частота или форма волны. Усилители являются одной из наиболее часто используемых схем в электронике и выполняют множество функций во многих электронных системах. Символ усилителя не дает подробных сведений о типах описываемых усилителей, он только указывает направление потока сигнала, и его можно предположить как проходящий слева направо на диаграмме.различные типы усилителей также часто описываются на системных или структурных схемах по именам.

Усилитель

Информация о типах усилителей и их работе

В аналоговом ТВ-приемнике многие отдельные каскады, составляющие телевизор, являются усилителями. Вы также можете заметить, что названия указывают на тип усилителей. Некоторые из них являются настоящими усилителями, а другие усилители имеют дополнительные компоненты для изменения базовой конструкции усилителя для специального применения. Метод использования относительно отдельных электронных схем в качестве строительных блоков для создания больших сложных схем является общим для всех электронных систем.

Компьютеры и микропроцессоры состоят из миллионов логических вентилей и других компонентов, которые представляют собой просто специализированные типы усилителей. Распознавание и понимание основных схем, таких как усилители, является важным шагом в изучении электронных проектов. Для разных приложений доступны разные типы усилителей. Усилитель классифицируется по типу сигнала, который он предназначен для усиления. Обычно относится к диапазону частот, в котором усилитель будет выполнять функцию, которую он выполняет в электронной системе.

Усилители звуковой частоты

Усилители звуковой частоты используются для усиления сигналов в диапазоне человеческого слуха примерно от 20 Гц до 20 кГц. Некоторые усилители звука Hi-Fi расширяют этот диапазон примерно до 100 кГц, в то время как другие усилители звука могут ограничивать верхний предел частоты до 15 кГц или меньше.

Усилитель звуковой частоты

Усилители звукового напряжения используются для усиления сигналов низкого уровня от микрофонов и дисковых датчиков. И т.д. За счет дополнительных схем усилители также выполняют такие функции, как коррекция тона, выравнивание уровней сигналов и микширование различных входов.Усилители обычно имеют высокий коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление от среднего до высокого. Эти звуковые усилители мощности используются для приема усиленного входного сигнала от ряда усилителей напряжения и затем обеспечивают достаточную мощность для управления громкоговорителями.

Усилители промежуточной частоты

Усилители промежуточной частоты — это настроенные усилители, используемые в радиоустройствах, телевизорах и радарных устройствах. Основная цель — обеспечить усиление большей части напряжения телевизионных или радиолокационных сигналов до того, как аудио- или видеоинформация, переносимая сигналом, будет отделена или демодулирована от радиосигнала.Усилители работают на частоте ниже, чем принимаемые радиоволны, но выше, чем аудио- или видеосигналы, в конечном итоге производимые системой. Частота, на которой находится промежуточная частота.

Усилитель промежуточной частоты

Эти усилители работают, и полоса пропускания усилителя зависит от типа используемого оборудования. Радиоприемники AM и усилители I.F работают на частоте около 470 кГц, а их полоса пропускания обычно составляет 10 кГц i.е. От 465 кГц до 475 кГц домашнее телевидение обычно использует полосу пропускания 6 МГц для I.F-сигнала в диапазоне от 30 до 40 МГц, а в радаре может использоваться ширина полосы 10 МГц.

Р.Ф. Усилители

Радиочастотные усилители — это настроенные усилители, в которых рабочая частота регулируется настроенным схемным оборудованием. Эта схема может регулироваться или не регулироваться в зависимости от назначения усилителя. Его пропускная способность также зависит от использования и может быть относительно широкой или узкой.

Усилитель Входное сопротивление обычно низкое.Некоторые РЧ-усилители имеют небольшое усиление или вообще не имеют его, но в основном представляют собой буфер между приемной антенной и более поздними схемами, чтобы предотвратить любые нежелательные сигналы высокого уровня от цепей приемника, достигающие порта антенны, они могут повторно передаваться как помехи.

Р.Ф. Усилитель

Особенность ВЧ-усилителей заключается в том, что они используются на самых ранних этапах приемника и обладают низким уровнем шума. Фоновый шум обычно создается любым электронным устройством, то есть должен быть минимальным, потому что усилитель будет обрабатывать сигналы с очень низкой амплитудой от антенны.Обычно в этих каскадах используются малошумящие полевые транзисторы.

Ультразвуковые усилители

Ультразвуковые усилители — это тип аудиоусилителя, работающего на частотах от примерно 20 кГц до примерно 100 кГц. Обычно они предназначены для конкретных целей, таких как ультразвуковая очистка, метод определения усталости металла, цель ультразвукового сканирования, системы дистанционного управления и т. Д. Каждый тип будет работать в довольно узком диапазоне частот в пределах ультразвукового диапазона.

Ультразвуковой усилитель

Широкополосные усилители

Широкополосные усилители должны иметь постоянное усиление от постоянного тока до нескольких десятков МГц. Эти усилители используются в измерительном оборудовании, таком как осциллографы. Существует потребность в точном измерении сигналов в широком диапазоне частот из-за их чрезвычайно широкой полосы пропускания и низкого усиления.

Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока используются для усиления постоянного (0 Гц) напряжения или очень низкочастотных сигналов, когда уровень постоянного тока сигнала является важным параметром.Они распространены во многих электрических системах управления и измерительных приборах.

Видеоусилители

Видеоусилители — это особый тип широкополосных усилителей, которые также сохраняют уровень постоянного тока сигнала и используются специально для сигналов, которые должны подаваться на ЭЛТ или другое используемое видеооборудование. Видеосигналы несут всю графическую информацию на телевизорах, видео- и радиолокационных системах. Полоса пропускания видеоусилителей зависит от использования. В ТВ-приемниках он простирается от 0 Гц (постоянный ток) до 6 МГц и еще шире в радарах.

Буферные усилители

Буферные усилители — это широко распространенный специализированный тип усилителей, который можно найти в любой из вышеуказанных категорий, они размещаются между двумя другими схемами, чтобы предотвратить влияние одной схемы на работу другой схемы. Они изолируют цепи друг от друга.

Буферные усилители имеют коэффициент усиления, равный единице, т. Е. Они фактически не усиливают сигнал, так что их выходная амплитуда равна их входной волне, но буферные усилители имеют очень высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс и поэтому могут быть используется в качестве устройства согласования импеданса.Буфер гарантирует, что сигналы не ослабляются между параметрами схемы, как это происходит, когда схема с высоким выходным импедансом подает сигнал непосредственно в другую схему с низким входным сопротивлением.

Операционные усилители

Операционные усилители разработаны на основе схем, разработанных для ранних аналоговых компьютеров, где они использовались для математических операций, таких как сложение и вычитание. Они широко используются в форме интегральных схем, где они доступны в корпусах с одним или несколькими усилителями и часто включаются в сложные интегральные схемы для конкретных приложений.

Операционный усилитель

Конструкция основана на схеме дифференциального усилителя, которая имеет два входа вместо одного. Они производят результат, пропорциональный разнице между двумя входами. При отсутствии питания с отрицательной обратной связью операционные усилители имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, обычно исчисляемый сотнями тысяч.

Применение отрицательной обратной связи увеличивает полосу пропускания операционного усилителя, так что они могут работать как широкополосные усилители с полосой пропускания в диапазоне МГц, но снижает их эффективность усиления.Эта простая резисторная сеть может применять такую ​​обратную связь извне, а другие внешние сети могут изменять функцию операционных усилителей.

Выходные свойства усилителей

Усилители используются для увеличения амплитуды напряжения или тока или для увеличения количества мощности, доступной обычно от сигнальной волны переменного тока. В каждой задаче есть три категории усилителей, которые зависят от свойств их выхода. Классификацию усилителя можно произвести 3 разными способами.

Основная цель усилителя напряжения состоит в том, чтобы сделать амплитуду формы волны выходного напряжения больше, чем амплитуду волны входного напряжения, хотя амплитуда выходного тока может быть больше или меньше, чем амплитуда входного тока.

Основная цель усилителя тока состоит в том, чтобы сделать амплитуду формы волны выходного тока больше, чем амплитуды формы волны входного тока, хотя амплитуда выходного напряжения может быть больше или меньше, чем у входного напряжения, это изменение меньше важно для использования с усилителем.

В усилителе мощности произведение напряжения и тока на выходе больше, чем произведение напряжения на ток на входе. Напряжение или ток могут быть меньше на выходе, чем на входе, и это произведение двух факторов значительно увеличивается. Различные типы усилителей также доступны в усилителях мощности, таких как класс A, класс B, класс AB, класс D. Мы можем использовать эти усилители в различных электронных проектах.

Фото:

.Принцип работы усилителя с общим эмиттером

и его применение

Усилитель — это электронная схема, которая используется для увеличения силы слабого входного сигнала с точки зрения напряжения, тока или мощности. Процесс увеличения силы слабого сигнала известен как усиление. Одним из наиболее важных ограничений во время усиления является то, что должна увеличиваться только величина сигнала, и не должно быть никаких изменений в исходной форме сигнала. Транзистор (BJT, FET) является основным компонентом системы усилителя.Когда транзистор используется в качестве усилителя, первым делом необходимо выбрать подходящую конфигурацию, в которой будет использоваться устройство. Затем транзистор должен быть смещен, чтобы получить желаемую точку добротности. Сигнал подается на вход усилителя, и достигается выходное усиление. В этой статье мы обсудим анализ обычных эмиттерных усилителей.

Конфигурация усилителя с общим эмиттером

В конфигурации усилителя с общим эмиттером эмиттер BJT является общим как для входного, так и для выходного сигнала, как показано ниже.Расположение аналогично PNP-транзистору, но смещение будет противоположным NPN-транзистору.

Конфигурационный усилитель NPN и PNP CE

Работа усилителя с общим эмиттером

Когда сигнал подается на переход эмиттер-база, прямое смещение на этом переходе увеличивается в течение верхнего полупериода. Это приводит к увеличению потока электронов от эмиттера к коллектору через базу, следовательно, увеличивает ток коллектора. Увеличивающийся ток коллектора вызывает большее падение напряжения на резисторе RC нагрузки коллектора.

Отрицательный полупериод уменьшает напряжение прямого смещения на переходе эмиттер-база. Уменьшение напряжения коллектор-база уменьшает ток коллектора во всем резисторе коллектора Rc. Таким образом, резистор усиленной нагрузки появляется на резисторе коллектора. Схема усилителя с общим эмиттером показана на рисунке (а).

CE-усилитель

Из осциллограмм напряжения для схемы CE, показанной на рис. (B), видно, что существует фазовый сдвиг на 180 градусов между сигналами на входе и выходе.

Элементы схемы усилителя с общим эмиттером и их функции

Цепь смещения / делитель напряжения

Сопротивления R1, R2 и RE, используемые для формирования цепи смещения и стабилизации напряжения. Схема смещения должна установить правильную рабочую точку Q, иначе часть отрицательного полупериода сигнала может быть отключена на выходе.

Входной конденсатор (C1)

Конденсатор C1 используется для передачи сигнала на базовый вывод BJT.Если его нет, сопротивление источника сигнала Rs будет проходить через R2 и, следовательно, изменит смещение. C1 пропускает только сигнал переменного тока, но изолирует источник сигнала от R2

Конденсатор обхода эмиттера (CE)

Конденсатор обхода излучателя CE используется параллельно с RE, чтобы обеспечить путь с низким реактивным сопротивлением для усиленного сигнала переменного тока. Если он не используется, то усиленный сигнал переменного тока, следующий через RE, вызовет падение напряжения на нем, тем самым понизив выходное напряжение.

Конденсатор связи (C2)

Конденсатор связи C2 соединяет один каскад усиления со следующим. Этот метод используется для изоляции настроек смещения постоянного тока двух связанных цепей.

Токи в цепи усилителя CE

Базовый ток iB = IB + ib, где
IB = постоянный базовый ток при отсутствии сигнала.

ib = база переменного тока при подаче сигнала переменного тока и iB = общий базовый ток.

Ток коллектора iC = IC + ic, где

iC = полный ток коллектора.

IC = ток коллектора нулевого сигнала.

ic = ток коллектора переменного тока при подаче сигнала переменного тока.

Ток эмиттера iE = IE + т.е. где,

IE = Ток эмиттера нулевого сигнала.

Ie = переменный ток эмиттера при подаче переменного сигнала.

iE = полный ток эмиттера.

Частотная характеристика усилителя CE

Коэффициент усиления по напряжению усилителя CE зависит от частоты сигнала. Это связано с тем, что реактивные сопротивления конденсаторов в цепи меняются с частотой сигнала и, следовательно, влияют на выходное напряжение.Кривая между коэффициентом усиления напряжения и частотой сигнала усилителя называется частотной характеристикой. На рисунке ниже показана частотная характеристика типичного усилителя CE.

Частотная характеристика усилителя с общим эмиттером

Из приведенного выше графика мы видим, что коэффициент усиления по напряжению падает на низких ( FH) частотах, тогда как он остается постоянным в диапазоне средних частот (FL до FH).

На низких частотах ( Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 относительно велико, и, следовательно, очень небольшая часть сигнала будет проходить от каскада усилителя к нагрузке.

Более того, CE не может эффективно шунтировать RE из-за его большого реактивного сопротивления на низких частотах. Эти два фактора вызывают падение усиления напряжения на низких частотах.

На высоких частотах (> FH) Реактивное сопротивление разделительного конденсатора C2 очень мало, и он ведет себя как короткое замыкание. Это увеличивает нагрузку на каскад усилителя и снижает коэффициент усиления по напряжению.

Кроме того, на высоких частотах емкостное сопротивление перехода база-эмиттер мало, что увеличивает ток базы.Эта частота снижает коэффициент усиления тока β. По этим двум причинам усиление напряжения падает на высокой частоте.

На средних частотах (от FL до FH) Коэффициент усиления усилителя по напряжению постоянный. Влияние конденсатора связи C2 в этом диапазоне частот таково, что поддерживается постоянное усиление напряжения. Таким образом, по мере увеличения частоты в этом диапазоне реактивное сопротивление CC уменьшается, что приводит к увеличению усиления.

Однако, в то же время, более низкое реактивное сопротивление означает, что более высокие почти компенсируют друг друга, что приводит к равномерному хорошему уровню на средней частоте.

Анализ усилителя с общим эмиттером

Первым шагом в анализе переменного тока схемы усилителя с общим эмиттером является построение эквивалентной схемы переменного тока путем уменьшения всех источников постоянного тока до нуля и замыкания всех конденсаторов. На рисунке ниже показана эквивалентная схема переменного тока.

Эквивалентная схема переменного тока для усилителя CE

Следующим шагом в анализе переменного тока является построение схемы с h-параметром путем замены транзистора в эквивалентной схеме переменного тока его моделью h-параметра. На рисунке ниже показана эквивалентная схема h-параметра для схемы CE.

Эквивалентная схема h-параметра для усилителя с общим эмиттером

Типичные характеристики схемы CE приведены ниже:

• Входное сопротивление устройства, Zb = hie
• Входное сопротивление цепи, Zi = R1 || R2 || Zb
• Выходное сопротивление устройства, Zc = 1 / hoe
• Выходное сопротивление цепи, Zo = RC || ZC ≈ RC
• Коэффициент усиления цепи, Av = -hfe / hie * (Rc || RL)
• Коэффициент усиления цепи, AI = hfe. RC. Rb / (Rc + RL) (Rc + hie)
• Коэффициент усиления схемы, Ap = Av * Ai

Применение усилителя CE

• Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения, особенно при низкие частоты.
• Усилители с общим эмиттером также используются в схемах радиочастотных приемопередатчиков.
• Конфигурация с общим эмиттером, обычно используемая в малошумящих усилителях.

В этой статье обсуждается работа схемы усилителя с общим эмиттером и ее применения. Прочитав приведенную выше информацию, вы получите представление об этой концепции. Кроме того, любые вопросы относительно этого или если вы хотите реализовать проекты в области электроники и электротехники, пожалуйста, оставьте комментарий в разделе ниже.Вот вам вопрос, какова функция усилителя с общим эмиттером?

.

Транзисторный усилитель Принцип работы Инструментальные средства

Линейный усилитель обеспечивает усиление сигнала без каких-либо искажений, так что выходной сигнал является точной усиленной копией входного сигнала. Транзистор с смещением делителя напряжения с источником синусоидального переменного тока, емкостно связанным с базой через C1, и нагрузкой, емкостной связью с коллектором через C2, показан на рисунке. Конденсаторы связи блокируют постоянный ток и, таким образом, не позволяют внутреннему сопротивлению источника Rs и сопротивлению нагрузки R _L изменять напряжения смещения постоянного тока на базе и коллекторе.

Конденсаторы идеально подходят для замыкания на напряжение сигнала. Синусоидальное напряжение источника заставляет базовое напряжение синусоидально изменяться выше и ниже его уровня смещения постоянного тока, V _BQ . Результирующее изменение тока базы вызывает большее изменение тока коллектора из-за усиления тока транзистора.

По мере увеличения синусоидального тока коллектора, напряжение коллектора уменьшается. Ток коллектора изменяется выше и ниже своего значения Q-точки, I _CQ , в фазе с током базы.Синусоидальное напряжение коллектор-эмиттер изменяется выше и ниже своего значения точки Q, V _CEQ , на 180 ° не в фазе с напряжением базы, как показано на рисунке. Транзистор всегда производит инверсию фазы между напряжением базы и напряжением коллектора.

Графическое изображение

Только что описанная операция может быть проиллюстрирована графически на линии нагрузки переменного тока, как показано на рисунке ниже. Синусоидальное напряжение на базе создает базовый ток, который изменяется выше и ниже точки Q на линии нагрузки переменного тока, как показано стрелками.

Рис. Графическое изображение работы линии нагрузки переменного тока усилителя, показывающее изменение базового тока, тока коллектора и напряжения между коллектором и эмиттером относительно их значений точки Q постоянного тока. I _b и I _c находятся в разных масштабах.

Линии, проецируемые от пиков базового тока к оси I _C и вниз к оси V _CE , показывают размах колебаний тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. , как показано.Линия нагрузки переменного тока отличается от линии нагрузки постоянного тока, потому что эффективное сопротивление коллектора переменного тока составляет R _L параллельно с RC и меньше, чем сопротивление коллектора постоянного тока R _C отдельно.

.