Усилители напряжения: Глава 7. Усилители напряжения, тока, мощности в схемах автоматики

Содержание

Глава 7. Усилители напряжения, тока, мощности в схемах автоматики

    1. Общие сведения

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения напряжения, тока или мощности входного сигнала за счет энергии постoроннего источника. Выходная величина при этом является функцией входной и имеет одинаковую с ней физическую природу.

Простейшим усилителем является усилительный каскад, построенный на нелинейном полупроводниковом элементе (транзисторе). Основным параметром усилительного каскада является коэффициент усиления . В зависимости от назначения усилителя (усиление напряжения, тока или мощности) это может быть коэффициент усиления по напряжению, по току или по мощности:

KU = Uвых

/ Uвх , Ki = Iвых / Iвх, K p = Pвых / Pвх = KU K i

В зависимости от диапазона частот входных сигналов могут быть усилители постоянного тока, усилители низкой частоты, усилители высокой частоты. Они могут быть импульсными, широкополосными, избирательными. При многокаскадных исполнениях соединение каскадов может быть выполнено с непосредственной связью, резистивной, емкостной или трансформаторной связью.

Рис. 50.

Классификация и амплитудно-частотные характеристики усилителей.

Рис. 51.

Схемы соединения каскадов: а) с непосредственной связью; б) с резистивной связью; в) с емкостной связью; г) с трансформаторной связью.

    1. Усилители переменного тока с емкостной связью

Для усиления сигналов переменного тока в схемах автоматики используются усилительные каскады с реактивными разделительными элементами — конденсаторами или трансформаторами. Поскольку питание осуществляется от источников постоянного тока, переменные токи и напряжения входных и выходных сигналов следует рассматривать как переменные составляющие суммарных токов и напряжений, накладывающиеся на постоянные составляющие. При этом амплитудные значения переменных составляющих не должны превышать определенных значений. Иначе возникнут искажения формы сигналов.

Основное распространение в качестве каскадов усиления напряжения получили каскады, в которых транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Полярность коллекторного источника питания определяется типом транзистора. На схеме Рис. 52 использован транзистор рnp типа. Главной коллектиорной цепью, определяющей величину выходного напряжения, является цепь EkRkTRэ.

Для этой цепи можно записать:

Ek = Uk + Ik Rk + Iэ Rэ (7.1)

О

Рис.52. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

стальные элементы образуют вспомогательные цепи. КонденсаторыСр1, Ср2, Ср3 обеспечивают выделение переменной составляющей сигналов в соответствующих цепях. Ср1 , кроме того, исключает протекание тока от источника Ек через источник входного сигнала и обеспечивает независимость напряжения Uб в режиме покоя от внутреннего сопротивления источника входного сигнала.

Резисторы R1 и R2 используются для задания точки покоя, т.е. такого тока базы, при котором входной сигнал будет проходить через каскад без искажения формы. R1 создает необходимый ток базы покоя

Iбп , а R1 и R2 совместно определяют величину Uбп .

Резистор Rэ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для температурной стабилизации режима покоя. Необходимость в этом возникает из-за тепловой зависимости Iко и . Изменение Iкп вследствие изменения Iко при колебаниях температуры вызовет изменение тока Iэп , что приведет к изменению Uбэп

Uбэп = UбпIэп Rэ .

Uбэп

при этом уменьшается, что приводит к уменьшению Iбп и Iкп соответственно. Сопротивление Rэ достаточно мало и в некоторых случаях не ставится.

Принцип действия каскада можно пояснить с помощью вольт-амперных характеристик. Проведем анализ каскада по постоянному току. На семействе коллекторных характеристик проводится прямая, соответствующая уравнению:

Uк = EкIк ( Rк + Rэ ) (7.2)

Предполагаем, что Iк = Iэ. Прямая линия строится по двум точкам: Uк = Eк,

Iк = 0; Uк = 0, Iк = Eк / (Rк + Rэ) . Эту линию называют линией нагрузки. Точки ее пересечения с коллекторными характеристиками дают решение уравнения (7 — 1). По этим точкам можно найти Iк , Uк и URk .

Рис. 53.

Входная и коллекторные характеристики биполярного транзистора.

В качестве входной характеристики принимают усредненную зависимость Iб = f (Uб) (Рис.53,б), которая мало зависит от Uк . Анализ удобно проводить с помощью переходной характеристики

Iк = f(Iб), которая строится по точкам пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками.

Начальную точку или точку покоя при Uвх = 0 , выбирают на середине линейного участка переходной характеристики. Подача переменного входного сигнала приведет к появлению переменной составляющей тока базы, а следовательно и тока коллектора. При этом очевидно, что

Iк макс < (IкпIко) (7.3)

В этом случае не будет происходить искажения формы входного сигнала.

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока используют линию нагрузки по переменному току. Сопротивление каскада по переменному току равно

(7.4)

что меньше, чем Rн = Rк + Rэ . Линия нагрузки по переменному току пройдет через найденную точку покоя П. Строится она по отношению напряжений к токам:

Rн пер = Uкэ /Iк (7.5)

Линия нагрузки по переменному току характеризует изменение мгновенных значений тока коллектора iк и напряжения на транзисторе uкэ . Траектория рабочей точки перемещается по линии нагрузки переменного тока . Работа без искажений формы сигнала достигается за счет соответствующей величины входного сигнала и правильного выбора точки покоя.

При расчете элементов каскада исходными данными являются Uвых макс, Iн макс, Rн и мощность в нагрузке. Поскольку эти параметры связаны, достаточно знать только два из них, например Uвых и Rн . Максимальный ток коллектора определяется по соотношению

(7.6)

Для получения высокого коэффициента принимают Rк = (3 — 5 )Rн . По выбранному Iкп находят Iбп:

(7.7)

По входной характеристике транзистора определяют Uбэп .

Ток эмиттера примерно равен Iкп . Напряжение коллекторного питания

Eк = Uкэп+ IкпRк + Uэп (7.8)

где Uэп = Iэ Rэ = Iкп Rэ

Eк не должно превышать предельное напряжение транзистора. Принимают Uэп = (0,1 – 0,3)Eк . Тогда

Rэ = Uэп/Iкп. Eк = (Uкэп + Iкп Rк ) /(0,7 – 0,9).

Иногда сопротивление Rэ не ставят.

При расчете элементов делителя R1 и R2 исходят из того, что он не должен оказывать шунтирующее действие на входную цепь (а это случилось бы, если принять R1 и R2 малыми).

Общее сопротивление параллельно соединенных R1 и R2 принимают равным (2 – 5) rвх = (2 –5) Uбэ / Iб . Тогда

; ; (7.9)

где Iд = (2 – 5) Iбп — ток делителя.

Транзистор выбирается по Eк , Iк макс , Рмакс и частотным свойствам.

Коэффициенты усиления каскада, входное и выходное сопротивления его определяются при расчете по переменному току. При этом пользуются схемой замещения каскада (Рис. 54).

Сопротивление источника питания принимается равным нулю (именно поэтому в предыдущем расчете R1 и R2 принимались параллельно соединенными). Входной сигнал – синусоидальный. Токи и напряжения характеризуются действующими значениями (). При этом входное сопротивление

(7.10)

где rвх = rб + (1 + ) rэ. Исходя из реальных значений rб, и rэ, принимают

Rвх = (1 — 3) КОм. Коэффициент усиления по току равен

(7.10)

Рис. 54. Схема замещения усилительного каскада.

Коэффициент усиления по напряжению равен:

(7.12)

Ku = (20 – 100)

Следует учесть, что каскад ОЭ осуществляет поворот фазы выходного сигнала на 180о по отношению к входному.

Коэффициент усиления по мощности равен

Kр = Pвых / Pвх = Ku Ki = (0,2 – 5) 103

Выходное сопротивление равно:

(7.13)

Параметры схемы могут быть также определены с помощью h – параметров. Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать, используя схему замещения (Рис.55) и принимая Rб >> h11, Iвх Iб, Rн >> Rк. Тогда получим:

(7.14)

Отсюда

(7.15)

С учетом реальных величин h22 = 10-5 – 10-6 Ом, Rk = 103 – 104 Ом, h22Rk << 1. Поэтому Ku h21 Rk / h11, где h11 – входное сопротивление транзистора h 21 – коэффициент передачи тока.

Входное и выходное сопротивления каскада равны:

;

Рис. 55. Схема замещения транзистора в h-параметрах

Порядок входного сопротивления – от сотен Ом до нескольких килоОём. Выходное сопротивление обычно больше входного, что предполагает использование высокоомной нагрузки.

В многокаскадных усилителях с конденсаторной связью нагрузкой промежуточного каскада является входная цепь последующего каскада. Число каскадов определяется по требуемому коэффициенту усиления. Рассчитывают каскады начиная с оконечного к первому, исходя из требуемых напряжения, тока и мощности на нагрузке.

Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров транзисторов от частоты, приводят к необходимости учета полосы пропускания частот усилителя. Амплитудно-частотная характеристика этого усилителя имеет достаточно широкий частотный диапазон. При этом следует учитывать, что в схемах автоматики усилитель работает как правило при фиксированной частоте, отчего коэффициент усиления остается практически постоянным. В то же время, наличие емкостей может привести к фазовым искажениям, которые определяются фазо-частотными характеристиками усилителя. Фазовый сдвиг, создаваемый каскадом, может быть определен как = — arc tg в, где — рабочая частота, в = + кэквивалентная постоянная времени; = 1/(2f) – примерно равна времени жизни носителей заряда в базе; fграничная частота ;

(7.17)

Каскад по схеме ОК. В качестве каскада усиления тока находит применение схема с общим коллектором. Его работу можно проанализировать аналогично тому, как это было рассмотрено для схемы ОЭ.

Можно считать, что по переменному току входное напряжение подается между базой и коллектором, а выходное снимается с Rэ. Точка покоя

в

Рис.56. Схема усилительного каскада с общим коллектором

ыбирается так же, как и для схемы ОЭ. Параметры схемы можно определить по схеме замещения или черезh-параметры. При использовании второго подхода получим:

, (7.18)

где h11— входное сопротивление транзистора; h21 = , h22 — выходная проводимость транзистора. Очевидно, что Uвых < Uвх . Коэффициент усиления по напряжению равен:

(7.19)

С учетом реальных величин параметров Ku 1. Схема с ОК не дает усиления по напряжению и не меняет фазу входного сигнала. Входное сопротивление каскада

(7.20)

Это сопротивление составляет сотни кОм, больше, чем в схеме с ОЭ. Выходное сопротивление Rвых h11/(1 + h21) имеет величину нескольких десятков Ом. Коэффициент усиления по току равен примерно Ki (1 + ).

Для получения больших значений входных сопротивлений используется схема составного транзистора.

Рассмотренная схема называется эмиттерным повторителем и используется в качестве выходного согласующего каскада, позволяющего подключать низкоомную нагрузку.

Усилитель — Описание, предназначение, виды усилителей.

Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса,  можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Что такое четырехполюсник


В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».

Пассивный четырехполюсник

Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

Активный четырехполюсник

А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +Uпит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал Uвх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение Uвых . Питается наш четырехполюсник через +Uпит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.

Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.

Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.

В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .

Обобщенная схема усилителя

Она  выглядит примерно вот так:

Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада  через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала  с ЭДС  EИ   и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи  EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от  входного сопротивления усилительного каскада Rвх .

Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) Eвых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн  будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

где

KU — это коэффициент усиления по напряжению

Uвых — напряжение на выходе усилителя, В

Uвх — напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е.  Rвх >>Rи  и Rн намного больше, чем Rвых    (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где KI   — коэффициент усиления по току

Iвых  — сила тока в цепи нагрузки, А

Iвх  — сила тока во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а  значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим,  у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А  усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых  при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ  мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

где

P — мощность, Вт

I — сила тока, А

U — напряжение, В

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

где

KP — коэффициент усиления по мощности

Pвых  — мощность на выходе усилителя, Вт

Pвх  — мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Выходная мощность усилителя

Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:

где

Pвых — выходная мощность усилителя, Вт

Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А

UВых  — напряжение на нагрузке, В

Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

где

Pвых — выходная мощность усилителя, Вт

Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А

Uвых  — напряжение на нагрузке, В

cosφ  — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения

Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид

Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.

Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.

Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:

В УН KU > 1, KI = 1;       в УТ KI > 1, KU = 1;          в УМ KU > 1 и KI > 1.

 

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

Усилители высокой частоты

Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.

Широкополосные усилители

Они позволяют  усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть  резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

Усилители постоянного тока

Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.

Усилители

Усилители напряжения

Это наиболее распространенный тип усилителей. Эти усилители имею большой коэффициент усиления по напряжению для обеспечения максимальной величины выходного напряжения. Они используются в тех случаях, когда требуется большой размах напряжения, например в предвыходных каскадах усилителей мощности.

 

Усилители мощности
Эти усилители обладают большими коэффициентами усиления по мощности и по току, обеспечивая тем самым максимальную мощность выходного сигнала. Усилитель мощности используется в электронной систем в качестве выходного каскада для передачи мощности в нагрузку. Для стандартных электронных систем требуются следующие типичные значения выходной мощности:
усилитель небольшого радиоприемника 200 мВ
усилитель категории Hi-Fi 10 Вт
система озвучения и звукоусиления 100 Вт и более.

 

Двухтактный усилитель
Для того чтобы получить от усилителя большую выходную мощность без амплитудных искажений сигнала, используется двухтактный усилитель (рис. 5.5).

                                                         Рис. 5.5. Двухтактный усилитель.

 

В двухтактном усилителе входной сигнал сначала подается на расщепитель фазы, который расщепляет этот сигнал на две половины:
составляющие: положительную и отрицательную. Затем каждая из этих составляющих усиливается отдельным усилителем: положительная ее составляющая — усилителем A1, отрицательная — усилителем A2. После усиления составляющие складываются друг с другом в смесителе ил выходном каскаде и образуют полный сигнал, который подается к громкоговорителю.

                                                     Рис. 5.6. Нелинейные искажения.
Выходной сигнал двухтактного усилителя подвержен нелинейным искажениям, или искажениям типа «ступенька» (рис. 5.6). Эти искажения легко устраняются путем выбора надлежащего режима работы схемы усилителя.

 

Широкополосный усилитель
Широкополосный усилитель имеет очень широкую полосу пропускания, начинающуюся практически с нулевой частоты (постоянный ток) и продолжающуюся вплоть до частот порядка нескольких мегагерц. Столь широкая полоса пропускания достигается за счет уменьшения коэффициента усиления. По сравнению с УЗЧ широкополосный усилитель имеет намного более широкую полосу пропускания, но меньший коэффициент усиления.
Широкополосный усилитель используется в телевизионных приемниках и для усиления импульсных сигналов, когда приходится иметь дело с широкой полосой частот — до 5 МГц и более (рис. 5.7). Такие усилители называются также видеоусилителями. Другие возможные применения широкополосных усилителей — радарная техника и усилители вертикальной развертки в осциллографах.
Широкополосные усилители используются также для усиления сигналов сложной формы с большим числом гармоник. Чем большее число гармоник представлено в сигнале, тем шире должна быть полоса пропус¬кания усилителя, в противном случае возникают искажения.

                                            Рис. 5.7. АЧХ широкополосного видеоусилителя.


Для периодического сигнала в виде меандра с бесконечным числом гармоник теоретически требуется бесконечная полоса пропускания. Однако на практике высшими гармониками выше девятого или одиннадцатого порядка — можно пренебречь без существенного изменения формы сигнала, поскольку эти гармоники очень малы по амплитуде.

 

Усилители радиочастоты (УРЧ)
УРЧ используются в радиопередатчиках и радиоприемниках. Это избирательные усилители, настраиваемые на одну конкретную частоту; они характеризуются очень узкой полосой пропускания и очень высоким коэффициентом усиления.
Типичная АЧХ усилителя радиочастоты, показанная на рис. 5.8, имеет узкую полосу пропускания между точками по уровню 3 дБ. Здесь f0 — частота настройки усилителя. При настройке па другую частоту f0 АЧХ сдвигается по оси частот вправо (штриховая линия).

                                                   Рис. 5.8. АЧХ усилителя радиочастоты.

В этом видео рассказывается о классификации усилителей низкой частоты:

Добавить комментарий

РАЗНИЦА МЕЖДУ УСИЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ И УСИЛИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ | СРАВНИТЕ РАЗНИЦУ МЕЖДУ ПОХОЖИМИ ТЕРМИНАМИ — НАУКА

Усилитель мощности против усилителя напряжения Усилители — это устройства, используемые в электронике для улучшения или увеличения мощности сигнала. В зависимости от требований, усилители используютс

Усилитель мощности против усилителя напряжения

Усилители — это устройства, используемые в электронике для улучшения или увеличения мощности сигнала. В зависимости от требований, усилители используются для увеличения напряжения сигнала, тока сигнала или мощности сигнала. Обычно усилители представляют собой устройства с 3 портами, с портом ввода, портом вывода и портом источника питания. Обычная работа усилителя заключается в создании усиленной версии входного сигнала на выходе, потребляя энергию от источника питания. Отношение между выходным сигналом и входным сигналом свойства, такого как напряжение, ток или мощность, называется усилением. Например, отношение выходного напряжения к входному — это коэффициент усиления по напряжению усилителя GAIN.напряжение= Vвне / Vв, и аналогично GAINмощность = Pвне / Пв. Для линейной работы усилителя, как это требуется в большинстве случаев, значения усиления должны быть постоянными в рабочей области.

Усилитель напряжения

Усилители напряжения — это устройства, которые усиливают входное напряжение, если возможно, с минимальным током на выходе. Технически усилитель с высоким коэффициентом усиления по напряжению является усилителем напряжения, но он может иметь или не иметь низкий коэффициент усиления по току. Благодаря этим свойствам коэффициент усиления усилителя также невелик. Транзисторы и операционные усилители при правильном смещении и других условиях действуют как базовые усилители напряжения. Основное применение усилителей напряжения — усилить сигнал, чтобы уменьшить его влияние на шум и затухание. Когда передаваемые сигналы теряют силу и деформируются, усиление напряжения на передатчике минимизирует эффект, и приемник сможет захватывать и интерпретировать сигнал с разумной точностью.

Идеальные усилители напряжения имеют бесконечный входной импеданс и нулевой выходной импеданс. На практике усилитель с высоким входным сопротивлением относительно выходного сопротивления считается хорошим усилителем напряжения.

Усилители мощности

Усилители мощности — это устройства для усиления входной мощности, если возможно, с минимальным изменением выходного напряжения по отношению к входному напряжению. То есть усилители мощности имеют высокий коэффициент усиления по мощности, но выходное напряжение может изменяться, а может и не изменяться. КПД усилителя усилителей мощности всегда ниже 100%. Следовательно, на каскадах усиления мощности наблюдается большое тепловыделение. Усилители мощности используются в устройствах, требующих большой мощности от нагрузок. В многокаскадных усилителях усиление мощности производится на конечных стадиях усиления. Аудиоусилители и усилители RF используют усилители мощности на конечном этапе, чтобы обеспечить нагрузку достаточной мощностью. Контроллеры серводвигателей также используют усилители мощности для управления двигателями. Усилители мощности подразделяются на несколько классов в зависимости от доли входного сигнала, используемого для усиления. Классы A, B, AB и C используются в аналоговых схемах, а классы D и E используются в схемах переключения.

В современной электронике большинство усилителей мощности построено из компонентов на основе полупроводников, в то время как усилители на основе вакуумных ламп (клапанов) по-прежнему используются в средах, где точность, частотная характеристика и долговечность являются основными требованиями. Например, гитарные усилители используют клапаны для обеспечения качества, а военное оборудование использует клапаны для обеспечения устойчивости к сильным электромагнитным импульсам.

В чем разница между усилителями напряжения и усилителями мощности?

• Усилители напряжения имеют высокий коэффициент усиления по напряжению, а усилители мощности — высокий коэффициент усиления по мощности.

• В большинстве усилителей напряжения коэффициент усиления по току очень низкий, тогда как усилители мощности имеют значительное усиление по току, что приводит к увеличению мощности.

• Усилители напряжения рассеивают относительно меньше тепла, чем усилители мощности. Следовательно, усилители напряжения имеют более высокий КПД, чем усилители мощности. Также усилители мощности по этой причине требуют дополнительного охлаждающего механизма.

Perel Russia — Высоковольтные усилители TREK (США)

Технология высоковольтных усилителей

В высоковольтных усилителях Trek используется уникальная проприетарная схемотехника для получения саморегулирующейся усилительной системы с исключительной стабильностью по постоянному току и широкой полосой пропускания.

Усилители Trek, изготовленные на полупроводниках, полностью защищены от электрической дуги и короткого замыкания. В усилителях мощности Trek используются высоковольтные выходные каскады класса AB, сконструированные на мощных МОП-транзисторах, соединённых по каскодной схеме. Данная каскодная схема обеспечивает равномерное распределение напряжения и мощности между всеми устройствами в каскоде, что в результате даёт долгое время наработки на отказ.

Поскольку саморегулирующейся усилительной системы с обратной связью зависит от долговременной стабильности делителя напряжения в цепи обратной связи, температуры и влажности, Trek применяет в делителях напряжения резисторы, изготовленные по тонкоплёночной технологии. Сигнал с целителя в цепи обратной связи, являющийся копией выходного сигнала усилителя, используется для получения низкоуровнего сигнала, подаваемого на монитор напряжения и для сравнения со входным сигналом усилителя в интегрированном каскаде с большим коэффициентом усиления. Выход интегрированного каскада используется для возбуждения оптических соединителей, подключенных к каскоду выходной ступени, подключенных к МОП-матрице, замыкая, таким образом, петлю обратной связи. Для генерирования высокого напряжения, необходимого на выходных ступенях, используются высоковольтные высокочастотные источники питания коммутационного типа.

Характеристики высоковольтных усилителей

Мы предлагаем широкую линейку высоковольтных усилителей с выбором диапазонов напряжений и токов, удовлетворяющих большинству требований. Высоковольтные усилители фирмы TREK разработаны для обеспечения широкой полосы, высокой скорости нарастания сигнала и низкого уровня шумов. Благодаря инновационной технологии на выходе получается точная копия входного сигнала и осуществляется эффективное управление рассеиваемой мощностью при работе на резистивную и реактивную нагрузки.

Благодаря динамическим частотным характеристикам активного выходного каскада усилители Trek во многих случаях являются более предпочтительными, чем источники питания. Усилители Trek оборудованы защитой от короткого замыкания на выходе и от перегрузки. Многие модели снабжены функцией автоматического ограничения тока или отключения для защиты от короткого замыкания.  Также выпускаются усилители тока, управляемые напряжением.

Основные преимущества:

  • Высокая скорость нарастания сигнала
  • Низкий уровень шума
  • Широкая полоса сигнала
  • Работа в четырёх квадрантах
  • Передовая оптоэлектронная схемотехника

Усилители мощности низкой частоты

 

Усилителем мощности называется усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к выходной цепи усилителя от источника питания.

Обычно в усилителе мощности амплитуды выходных напряжений и токов сравнимы с предельно допустимыми значениями, а выходная мощность сравнима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой прибором. В таком режиме, например, обычно работает выходной каскад усилителя звуковых частот в радиовещательных приемниках.

В отличие от усилителей напряжения и тока к усилителям мощности предъявляются требования получения большой мощности на нагрузке при высоком коэффициенте полезного действия. Выполнение этих требований сопряжено с использованием больших, предельно допустимых токов и напряжений, но при этом нельзя допустить искажений формы выходного сигнала. Простейший усилитель мощности низкой частоты строится по той же схеме, что и усилитель слабого сигнала. Например, обычный резистивный каскад на транзисторе с ОЭ также может быть использован и в качестве усилителя мощности.

Простой вывод основных соотношений для усилителя мощности основывается на использовании идеализированных характеристик транзистора. Активный элемент усилителя характеризуется предельно допустимыми значениями мощности, напряжения и тока в выходной цепи. Для транзистора с ОЭ это . Так как , то на семействе выходных характеристик транзистора можно отметить предельно допустимые режимы. На рис.6 показаны выходные характеристики транзистора с ОЭ, линия допустимой мощности , ограниченная допустимыми значениями тока и напряжения..

 

Рис.6

Область, ограниченная этими линиями (одинарная штриховка), позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают до величин: . На рис.6 область, ограниченная максимальными режимами, показана двойной штриховкой.

Для упрощения анализа усилителя мощности правомерно применение идеализации BAX транзистора в виде кусочно-ломаной аппроксимации.

В широкополосных усилителях мощности низкой частоты, использующих в каскаде один транзистор, используется для усиления только режим усиления класса “А” ( q = 180 0), позволяющий работать без нелинейных искажений сигнала. Напряжение питания Ек выбирается равным максимальному значению коллекторного напряжения, а сопротивление нагрузки Rк=Eк/iк,max. На рис.7 показаны осциллограммы напряжений и токов, действующих в схеме резистивного каскада.

Рис.7

Коэффициент полезного действия электронного усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.

Выходная полезная мощность в случае усиления гармонического сигнала равна:

,

где Uм,кэ, Iм,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Ек и постоянной составляющей тока Iк,o, протекающего в коллекторной цепи:

.

Таким образом, КПД равен:

.

Величина называется коэффициентом использования напряжения источника питания; величина отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Для получения высокого КПД следует увеличивать и . Максимальный КПД (100%) получается при .

Из рис.7 видно, что при максимальном использовании линейного участка ДПХ , следовательно, , и, таким образом, при выбранной идеализации в режиме класса “А” имеем

.

В реальных усилителях мощности линейный участок ДПХ ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный .

Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки; схема такого усилителя мощности показана на рис. 8.

Рис. 8.

В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением трансформатора для переменного тока. Линия нагрузки для постоянного тока определяется здесь соотношением: .

Так как , где n – коэффициент трансформации, то линия нагрузки в области допустимых значений идет почти вертикально (см рис.9). Выбираем рабочую точку на уровне ik,max/2.

Рис.9

Для определения амплитуд тока и напряжения построим через точку А линию нагрузки по переменному току (ЛН~), угол наклона которой определяется сопротивлением Rк. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Ек, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания , и максимальный КПД при данной идеализации

.

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Из-за широкополосности нагрузки в этом случае нельзя избавиться от высших гармонических составляющих тока и, следовательно, от нелинейных искажений формы выходного сигнала.

Одним из способов построения усилителей мощности низкой частоты с высоким КПД являются двухтактные схемы (один из вариантов показан на рис.10), в которых транзисторы работают с углом отсечки q = 900 в противофазе.

Рис.10

Так как выходное напряжение определяется разностью токов каждого транзистора, то в нагрузке будет выделяться практически гармоническое напряжение (при гармоническом сигнале на входе). Это проиллюстрировано графиками рис.11.

Рис.11

Хорошее симметрирование схемы позволяет исключить из выходного напряжения все четные гармоники тока. У реальных усилителей из-за нижнего нелинейного участка ДПХ приходится проводить дополнительные регулировки смещений транзисторов.

Амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока определяются здесь как:

.

Для угла отсечки 90о. Таким образом, максимальный КПД каждого плеча схемы равен

.

Важным свойством усилителей мощности низкой частоты является их широкополосность, требующая применения резистора или широкополосного трансформатора в коллекторной цепи. Это приводит к тому, что на выходе при усилении больших сигналов могут иметь место нелинейные искажения, обусловленные появлением высших гармонических составляющих сигнала. Нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы всех гармоник, начиная со второй, к среднеквадратическому напряжению первой гармоники, когда на вход усилителя подается гармонический сигнал. Так как среднеквадратические значения пропорциональны амплитудам, коэффициент гармоник (или коэфициент нелинейных искажений — КНИ) равен:

.

Обычно коэффициент гармоник выражают в процентах и не допускают, чтобы он превышал 5-10%, причем при высококачественном усилении звуковых колебаний он не должен превышать 1 – 1,5 %.

Применяют и безтрансформаторные двухтактные схемы усилителей мощности низкой частоты. В этом случае должно быть использовано либо два источника питания, либо транзисторы разной проводимости . На рис.12 показаны примеры такого усилителя.

Рис.12

Главный недостаток схем бестрансформаторных усилителей заключается в трудности подбора двух транзисторов (особенно при использовании транзисторов разной полярности) с характеристиками, близкими на всем диапазоне значений выходного сигнала. Это приводит к значительному усложнению схемы. Многие усилители в микросхемном исполнении, в том числе и операционные, имеют достаточно сложные схемные реализации выходных каскадов.

DPA-300Q Четырехканальный усилитель мощности — Усилители мощности

Четырехканальный трансляционный цифровой усилитель мощности, 4 х 300 Вт

Назначение: цифровой четырехканальный усилитель мощности  предназначен для применения в трансляционных звуковых системах и обеспечивает усиление сигналов звуковой частоты линейного уровня. 

Основные особенности DPA-300Q:

  • Цифровой четырехканальный усилитель мощности можно купить через наш сайт. Он усиливает сигналы линейного уровня звуковой частоты до уровня 70 или 100 В, широко используемых в системах оповещения и трансляции. Кроме того предусмотрены выходы для подключения низкоомной нагрузки (8 Ом). Блок  имеет четыре независимых канала усиления с номинальной выходной мощностью 300 Вт на канал.
  • Выходные каскады цифрового усилителя мощности 4 х канального, в сравнении с аналоговым усилителем, работают в импульсном режиме, что позволяет достичь высокого коэффициента полезного действия, обеспечить высокую надежность при низкой рабочей температуре, небольших габаритах и массе блока. Применение импульсного источника питания (SMPS) позволило сократить размеры и массу усилителя. SMPS имеет более высокий КПД и меньшее тепловыделение по сравнению с обычным трансформатором.
  • В устройстве используется светодиодный дисплей для информирования о состоянии и режиме работы усилителя.
  • Вход каждого канала является балансным, что обеспечивает эффективное подавление помех, наводимых на соединительных кабелях. На передней панели 4х канального усилителя расположены регуляторы уровня входного сигнала для каждого канала, позволяющие избежать искажений, вызванных перегрузкой по входам.
  • Питание устройства осуществляется от сети переменного тока 220…240 В 50 Гц или от внешнего источника постоянного тока 24 В.

Функциональные возможности:

  • Усилители имеют четыре канала усиления с номинальной выходной мощностью 300 Вт на канал, соответственно.
  • В устройстве предусмотрена возможность подключения аккумуляторных батарей напряжением 24 В для резервирования питания. В случае пропадания напряжения в сети 220 В 50 Гц, усилитель автоматически переключится на резервное питание.
  • Усилители оснащены надежной системой защиты от перегрузок, связанных с коротким замыканием на выходе, превышением напряжения питания и температуры. Дополнительно усилители оснащены лимитером, который автоматически снижает уровень при достижении пороговых значений амплитуды входного сигнала.
  • С помощью регуляторов на передней панели устройства возможно управление уровнем входного сигнала каждого канала, позволяющее избежать искажений, вызванных перегрузкой по входу.
  • Вход канала является балансным, что обеспечивает эффективное подавление помех, наводимых на соединительном кабеле.
  • Цифровой усилитель  имеет приоритетные линейные входы для каждого канала, активирующийся по управляющему сигналу.
  • Усилитель обладает низким коэффициентом нелинейных искажений и малым уровнем шумов.

Технические характеристики:

Максимальная выходная мощность

1200 Вт

Масса (нетто)

8,84 кг

Масса оборудования с упаковкой

11.00 кг

Габаритные размеры упаковки (Ш×В×Г)

605×190×610 мм

Потребляемая мощность (при 1/8 от номинальной выходной мощности)

232,6 Вт

Максимальная потребляемая мощность (24 В)

1176 Вт

Потребляемая мощность в дежурном режиме (24 В)

42,2 Вт

Диапазон рабочих температур

-10…+40

Отношение сигнал/шум

более 103 дБ

Коэффициент нелинейных искажений

менее 0,1%

Диапазон частот

50…20000 Гц

Ном. мощность на канал

300 Вт

Ном. мощность на канал (нагрузка 8 Ом)

300 Вт

Количество каналов

4

Количество установочных мест

2 U

Тип усилителя

цифровой (класс D)

Максимальная потребляемая мощность (230 В)

1340 Вт

Потребляемая мощность в дежурном режиме (230 В)

33,3 Вт

Напряжение питания

220…240 В 50 Гц или 24 В пост. тока

Габаритные размеры (Ш×В×Г)

482х88х480 мм

Характеристики DPA-300Q:

  • Тип усилителя: Усилитель
  • Номинальная мощность на канал (Вт): 300
  • Производитель: Inter-M
  • Кол-во каналов оповещения: 4
  • Полоса частот (Гц) >: 50
  • Полоса частот (Гц) 20000
  • Класс усилителя мощности: Импульсный / цифровой (класс D)
  • Радиотюнер: Нет
  • Формат аудио: Нет
  • Формат звуковых носителей: Нет
Консультации по оборудованию Новый вопрос

Задайте вопрос специалисту о DPA-300Q Четырехканальный усилитель мощности

Самовывоз из офиса: Пункт выдачи:* Доставка курьером:* Транспортные компании: Почта России:*

* Срок доставки указан для товара в наличии на складе в Москве

Отзывы о DPA-300Q: Оставить отзыв

Ваш отзыв может быть первым!

Усилители напряжения на операционном усилителе

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Сравните идеальные и практичные операционные усилители.
  • Общие сведения о работе операционных усилителей
  • • Использование отрицательной обратной связи.
  • • Текущее правило для операционных усилителей.
  • • Правило напряжения для операционных усилителей.
  • • Инвертирующий усилитель напряжения.
  • • Неинвертирующий усилитель напряжения.

Рис. 6.7.1 Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель

Хотя на самом деле идеального операционного усилителя не существует, настоящий (практичный) операционный усилитель достаточно близок к достижению идеала. Идеальный усилитель, помимо других желаемых параметров, должен иметь как минимум бесконечно высокий входной импеданс, выходной импеданс равный нулю, бесконечно высокое усиление и бесконечно широкую полосу пропускания.В таблице 1 сравниваются некоторые важные параметры, такие как входное сопротивление (Z IN ), входной ток смещения (I IN ), усиление напряжения большого сигнала (A V ) и выходное сопротивление (Z OUT ) некоторых типичных реальных значений. (практичные) операционные усилители с «идеальной» моделью операционного усилителя:

Таблица 1: Идеальный усилитель против Практического ОУ
Z IN I IN А В Z ВЫХОД
Идеальный операционный усилитель Бесконечность. Ноль. бесконечность 0 Ом
741 2 МОм 80 нА от 316 до 200000 (от 50 до 106 дБ) Зависит от усиления и обратной связи, но обычно от менее 100 Ом до более 1 кОм
TLC271 1ТОм 60pA от 5000 до 46000 (от 74 дБ до 93 дБ) мин.
LMC660 > 1 Ом 0.002pA от 40 000 до 990 000 (от 92 до 126 дБ)

Отрицательная обратная связь

Существует два основных метода подключения усилителей напряжения на операционных усилителях: они превращаются в инвертирующий или неинвертирующий усилитель напряжения. В каждом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя устанавливается просто соотношением двух резисторов. Использование усилителя с очень высоким коэффициентом усиления и отрицательная обратная связь позволяют получить очень стабильный усилитель с коэффициентом усиления, практически не зависящим от изменений температуры или характеристик полупроводников.Так же, как в дискретных компонентных усилителях, описанных в модуле усилителя 3, отрицательная обратная связь также снижает искажения и шум в дополнение к увеличению полосы пропускания усилителя.

Правила для операционных усилителей

Идеальные операционные усилители, когда используются с обратной связью, работают таким образом, который можно предсказать с помощью пары основных правил, часто называемых «золотыми правилами».

Правило 1. Правило напряжения.

Выходной сигнал операционного усилителя будет изменяться по мере необходимости, чтобы два входных напряжения оставались идентичными.Если какой-либо входной сигнал или напряжение пытается изменить входные потенциалы, выход операционного усилителя изменит полярность, противоположную входной, и через контур обратной связи сохранит разницу между двумя входами на уровне 0 В.

Правило 2. Действующее правило.

Поскольку входное сопротивление бесконечно велико, ток не может течь ни на один из входов.

Эти правила, используемые в отношении идеального операционного усилителя, могут быть использованы для облегчения понимания работы двух основных схем усилителя напряжения.Небольшие различия между идеальными и практичными операционными усилителями можно временно игнорировать.

Рис. 6.7.3 Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель

На рис. 6.7.3 показан инвертирующий усилитель, в этой конфигурации входной сигнал подается на инвертирующий (-) вход для создания противофазного выходного сигнала, амплитуда которого составляет V в x A vcl , где A vcl — коэффициент усиления ОУ с обратной связью.

Отрицательная обратная связь используется для снижения очень высокого максимального усиления операционного усилителя до необходимого уровня.Коэффициент усиления с обратной связью (A vcl ) устанавливается просто как отношение R f к R в

.

Как работает инвертирующий усилитель

Применяя два правила к идеальному операционному усилителю, показанному на рис. 6.7.3a, можно предположить, что:

Контакт 3 находится на 0 В, так как он подключен к земле через R3, на котором не будет развиваться напряжение, поскольку ток не течет на контакт 3 (Правило 2), поэтому на контакте 2 также будет 0 В (Правило 1).

Следовательно, R в и R f эффективно соединены последовательно между V в и V на выходе с выводом 2 между двумя резисторами, поддерживающими 0 В.

Никакой ток не может течь на контакт 2 (Правило 2), поэтому ток, текущий в V в , не может течь в операционный усилитель, поэтому он должен проходить через R f на выход.

Диаграмма на рис. 6.7.3b показывает, что в действительности R в и R f представляют собой два резистора, подключенных последовательно между V в и V на выходе с выводом 2 на 0 В.

Хотя контакт 2 на самом деле не подключен к земле, он должен иметь то же напряжение, что и контакт 3 (Правило 1), который равен 0 В (из-за Правила 2).Этот важный эффект создания некоторого места в цепи, которое фактически не подключено к земле, но поддерживает потенциал 0 В, называется «виртуальной землей» (или виртуальной землей).

Любой входной ток (I в ), следовательно, течет непосредственно от входа, через R в и R на на выход, при этом R в и R f образуют делитель потенциала между напряжениями противоположной полярности. V на входе и V на выходе с контактом 2 на 0 В.

Ток через цепь последовательного резистора одинаков для каждого резистора, поэтому входное напряжение V в будет пропорционально сопротивлению R в , а напряжение на R f будет пропорционально сопротивлению R f

Обратите внимание, что поскольку R f эффективно подключен между выходной клеммой и виртуальной землей (0 В), напряжение на R f также равно V на выходе . Это делает R f / R in равным V out / V in (коэффициент усиления усилителя), и, следовательно, коэффициент усиления с обратной связью усилителя напряжения инвертирующего операционного усилителя (A vcl ) дается по уравнению:

Обратите внимание, что формула сообщает вам только соотношение резисторов, а не их фактические значения.К счастью, в усилителях звука значения не слишком критичны, обычно допустимы значения резисторов между 10 и 100 кОм. Однако лучше попытаться сохранить сопротивление R в как можно более высокое, а также в практическом усилителе, вместо того, чтобы заземлять неинвертирующий вход напрямую, он должен быть заземлен резистором с тем же значением, что и R в , чтобы поддерживать (крошечные) входные токи равными. Это дает больше шансов на то, что выходное напряжение будет нулевым (или близким к нему), когда входное напряжение равно нулю.

Неинвертирующий усилитель

Рис. 6.7.4 Неинвертирующий усилитель

В неинвертирующем усилителе, показанном на рис. 6.7.4a, входной сигнал подается на неинвертирующий вход (вывод 3), в то время как резистор отрицательной обратной связи (R f ) вместе с R1 устанавливает коэффициент усиления с обратной связью усилителя. .

Теперь входной и выходной сигналы совпадают по фазе, что изменяет работу схемы. Как показано на рис. 6.7.4b, схема не имеет виртуальной точки заземления, но нижний конец R1 подключен к земле, что означает, что контакт 2 будет соответствовать изменяющемуся входному напряжению V в на контакте 3 (Правило 1).

R f и R1 теперь образуют потенциальный делитель между V out и 0 В. Как и в инвертирующем усилителе, ток не будет течь на контакт 2 (Правило 2), поэтому напряжения на R1 и R f будут пропорциональны их отдельным сопротивлениям. Отношение этих сопротивлений и, следовательно, отношение V на выходе к V на , то есть усиление замкнутого контура определяется формулой стандартного делителя потенциала (R f + R1) / R1.

Начало страницы

Микроусилители сверхнизкого напряжения Выбор и использование

Портативные медицинские контрольно-измерительные приборы, слуховые аппараты и оборудование для контроля безопасности — все это примеры изделий, которые должны работать от батареек и продолжать работать в течение очень длительных периодов времени.Из-за ограничений по размеру доступная мощность сильно ограничена как по напряжению питания, так и по току.

Усилители для этих приложений должны работать при таком низком напряжении и потреблять очень небольшой ток. Кроме того, их диапазоны входного и выходного сигналов должны быть как можно более широкими, чтобы получить достаточный динамический диапазон (полномасштабное отношение сигнал / шум). Лучшие устройства будут иметь выходное напряжение, которое может колебаться от положительного источника питания к заземлению, а входные диапазоны могут даже превышать диапазон источника питания.Усилители, способные подключаться к обеим «шинам» питания, называются усилителями Rail-to-Rail.

Чтобы выбрать усилители для этих приложений, в первую очередь учитывайте требуемую производительность, а не производственный процесс. Продукты с низким энергопотреблением доступны в процессах CMOS, биполярных и JFET, но вы не должны исходить из предубеждений относительно диапазона производительности, на который они способны.

До недавнего времени низковольтные КМОП-схемы не подходили для прецизионных низковольтных операций. КМОП-процессы имели относительно высокие пороговые напряжения в диапазоне 1.От 8 до 2,1 вольт. Поскольку для работы большинства усилителей требуется не менее двух В TH с, минимальное напряжение питания было> 3 В даже при комнатной температуре.

Биполярные конструкции, такие как CMOS, требуют как минимум двух транзисторных цепей; но эти перепады составляют V BE s, поэтому работа на 1,8 вольта вполне практична. Усилители, такие как сдвоенный операционный усилитель OP293 *, гарантированно работают при напряжении 2 В и хорошо работают при напряжении до 1,7 В. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы гарантировать, что функциональность будет поддерживаться при низких температурах, потому что V BE увеличивается (примерно на -2 мВ / ° C) при понижении температуры.Таким образом, для работы при -25 ° C потребуется дополнительный запас на 100 мВ или более сверх минимального рабочего напряжения при комнатной температуре.

В настоящее время отсутствуют операционные усилители с полевым транзистором и входами и выходами rail-to-rail; Семейство AD820 ближе всего к выходам Rail-to-Rail. Операционные усилители на JFET-транзисторах могут быть очень полезны в приложениях, требующих низкого уровня шума, низкого тока смещения или широкой полосы пропускания.

Ограничения микромощных конструкций: По сравнению со стандартными операционными усилителями, слаботочные усилители относительно ограничены в отношении полосы пропускания, выходной мощности и уровня шума.Значения для каждого параметра зависят от технологии, используемой при проектировании. Сегодня микромощные усилители могут достигать соотношения скорость / мощность 10 кГц / мкА; и в следующем году эта цифра увеличится более чем вдвое. Следовательно, можно создавать усилители с произведением коэффициента усиления и полосы пропускания более мегагерц, работающие при потребляемом токе менее 100 мА. OP496 — это пример того, что возможно сегодня; он имеет коэффициент усиления более 300 кГц при потреблении тока питания всего 45 мкА.

Широкополосный шум усилителя зависит от входного тока, размера транзистора и обработки.Из-за их малой мощности и, как правило, меньшей геометрии, маломощные конструкции обычно имеют относительно высокий уровень шума, приведенного к входу. И снова семейство OP496 с показателем 26 нВ / √Гц демонстрирует возможности современных технологий.

Выходное напряжение в значительной степени зависит от тока, необходимого для управления выходным каскадом усилителя. В отличие от стандартных усилителей, в конструкциях Rail-to-Rail нельзя использовать схемы Дарлингтона или аналогичные конфигурации для повышения тока. Повышенные падения напряжения, связанные с сильным током, недопустимы в этих конструкциях, поэтому выходной ток часто ограничивается микроампер; но некоторые конструкции продуктов (например, OP293 *) могут выдавать ± 8 мА, даже если для этого требуется всего 25 мкА тока покоя.

Дополнительным требованием к выходу является способность принимать и подавать ток. Это позволит выходу вращаться с одинаковой скоростью в обоих направлениях. Если выход не может потреблять ток, необходимо добавить понижающие резисторы. Это, конечно, потребовало бы ненужного тока и лишило бы смысла использование таких усилителей для экономии энергии.

Определение пределов правильной работы при низких напряжениях: Вот три удобных способа определить, действительно ли работает усилитель при понижении напряжения: тест синусоидальной волны , тест напряжения смещения и проверка тока питания .Первые два теста полезны для проверки производительности переменного и постоянного тока соответственно; третий — универсальный.

Тест синусоидальной волны — самый простой из этих тестов. Подключите усилитель для усиления от одного до двух и подайте на вход синусоидальную волну, которая находится в пределах синфазного диапазона усилителя. Посмотрите на форму выходного сигнала на осциллографе или измерьте искажения. При уменьшении напряжения питания возникает точка, в которой форма сигнала становится явно искаженной.Непосредственно перед достижением этой точки находится минимальное рабочее напряжение.

Для выполнения теста зависимости смещения от напряжения питания подключите усилитель в конфигурации с высоким коэффициентом усиления и заземлите входы. Коэффициент усиления должен быть установлен таким образом, чтобы усиленное смещение на выходе было около одного вольт. Начните с напряжения питания, при котором, как известно, усилитель работает правильно, затем измерьте и запишите выходной сигнал (смещение). Уменьшите питание и продолжайте записывать напряжение питания и смещение. Когда эти значения нанесены на график и при дальнейшем уменьшении питания, вы обычно увидите излом на графике, где смещение быстро ухудшается, чуть ниже минимального напряжения питания для правильной работы.

При снижении рабочего напряжения внутренние цепи смещения начинают отключаться. На первый взгляд кажется, что усилитель работает, но производительность может существенно снизиться. Кроме того, дополнительные конструкции могут отключиться при дальнейшем понижении напряжения. Поскольку эти изменения влияют на ток питания усилителя, он может выступать в качестве заместителя для прогрессивных изменений, которые может быть труднее наблюдать в конкретном аспекте производительности. Чтобы определить эти точки, постройте график зависимости тока от напряжения питания.Вероятно, на кривой будет несколько изгибов, каждый из которых указывает на дальнейшее ухудшение характеристик.

Приложения

Телефонная гарнитура Micropower: Наушники могут работать от батареи, используя OP296 * с двумя источниками питания 2,5 В. Выберите наушники с импедансом 600 Ом, чтобы потребление тока было низким. Эта схема будет работать до 2 вольт. Как видно из рисунка, искажения составляют от 1% до 5 кГц.

Рисунок 1. Усилитель для наушников с графиком полного гармонического искажения.

Монитор пульса: Мониторы ЭКГ требуют изоляции для защиты пациентов от любых возможных сбоев, которые могут привести к протеканию опасного тока через тело. Используя усилитель очень малой мощности, усилитель электрокардиографа, используемый в качестве монитора пульса, может получать питание от источника настолько слабого, что он не может обеспечивать опасные уровни тока. В качестве примера приведена схема, которую можно использовать для занятий спортом или другого мониторинга (но не предназначена для использования в системах жизнеобеспечения).

В этой схеме есть три входа — от набора измерительных электродов — пара входов считывания и вход эталонного возврата.

Передний конец представляет собой стандартную дифференциальную схему с тремя усилителями. Прирост на первом этапе устанавливается RG. Прирост от 50 до 150 работает хорошо. Значения сопротивления выбраны несколько выше, чем обычно, для снижения потребления тока. Выходной каскад имеет усиление 10 В / В и должен быть настроен на спад от 400 до 1000 Гц, достаточно быстрый, чтобы передать форму волны ЭКГ, но с высокой частотой. шум отфильтрован.

Рисунок 2. Импульсный усилитель с типичной формой волны.

Схема требует тщательной компоновки из-за высокого усиления и низкого уровня сигнала.Все выводы должны быть короткими, чтобы уменьшить наведенный шум. Два входа датчиков должны быть витой парой, экранированной опорным проводом.

Эта схема пульсометра разработана для работы от двух небольших литиевых батарей, поэтому ее можно использовать в портативных приложениях, таких как спортивный мониторинг, в течение длительного периода времени. OP493 * гарантированно работает от источников питания до 2 В, а общий ток питания составляет всего 100 мкА, что обеспечивает длительный срок службы батарей. (Например, литиевые элементы имеют рейтинг 3.От 6 до 4,2 вольт, но они все еще подают ток, когда они разряжены до половины своего номинального напряжения.)

Компаратор: Усилители часто используются в качестве компараторов из-за удобства и доступности усилителей с большим разнообразием технических характеристик. Часто бывает проще найти усилитель, отвечающий заданному набору критериев в прецизионном компараторе, особенно там, где необходима низкая мощность. Новые усилители с разъемами rail-to-rail создают отличные компараторы, требующие не больше компонентов, чем простой блок усиления.

С OP196 * в показанной неинвертирующей конфигурации можно спроектировать прецизионный компаратор с диапазоном входных сигналов rail-to-rail, использующий ток питания всего 50 мкА. Типичные задержки распространения по заднему и переднему фронту составляют 12 мкс и 20 мкс, при этом достижима тактовая частота 25 кГц. При R 1 = 10 кОм и R (1) = 1 МОм гистерезис составляет около 70 мВ. При R 1 около 0 Ом гистерезис составляет всего около 100 мкВ.

Рисунок 3. Неинвертирующий компаратор.

* Квадроциклы OP493 и OP496 представляют собой семейства OP193 / 293/493 и OP196 / 296/496 одиночных / парных / квадроциклов.

4.3 Напряжение к напряжению

4.3 Напряжение к напряжению
Далее: 4.4 Ток к напряжению Up: 4 Обработка сигналов Предыдущий: 4.2 Дополнительные требования для

4.3.1 Мотивация

Многие датчики выдают сигнал напряжения. Таким образом, схема преобразования сигнала не требуется. выполнить преобразование в напряжение. Однако изменение динамического диапазона, импеданс преобразование и уменьшение полосы пропускания могут потребоваться при преобразовании сигнала. системы в зависимости от амплитуды и ширины полосы сигнала и импеданса датчик.Цепи, обсуждаемые в этом и последующих разделах, рассматриваются как строительные блоки человеко-компьютерной системы ввода. Их определяющие уравнения для их операции приведены без доказательств. Более подробное описание того, как они работают, см. Конструкция с операционными усилителями и аналоговыми интегральными схемами , Franco 1988 или The Art of Electronics , Horowitz and Hill 1989. Особенно важно рассмотреть анализ идеальных схем операционных усилителей.

4.3.2 Схемы: усилители

Инвертирующий

Наиболее распространенной схемой, используемой для преобразования сигнала, является схема инвертирующего усилителя, как показано на рисунке 15. Этот усилитель впервые был использован, когда операционные усилители имели только один вход, инвертирующий (-) вход. Коэффициент усиления по напряжению этого усилителя составляет. Таким образом, уровень выходы датчиков могут быть согласованы с уровнем, необходимым для системы сбора данных. В входной импеданс приблизительно равен, а выходной импеданс почти равен нулю.Таким образом, эта схема обеспечивает преобразование импеданса между датчиком и сборщиком данных. система.


Рисунок 15: Инвертирующий усилитель

Важно помнить, что размах напряжения на выходе усилителя ограничен. блоком питания усилителя, как показано на рисунке 16. В этом примере блок питания составляет +/- 13 В. Когда выход усилителя превышает этот уровень, выход « ограничивается ».


Рисунок 16: Ограничение выхода усилителя

Ограничен не только динамический диапазон усилителя, но и его полоса пропускания.Операционные усилители иметь фиксированное произведение коэффициента усиления и полосы пропускания, указанное производителем. Если для Например, операционный усилитель должен иметь произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, и это подключен с коэффициентом усиления 100, это означает, что полоса пропускания усилителя будет Ограничен ( ). Еще одно важное ограничение схемы усилителя — это шум. Все операционные усилители создают шум к сигналу. Количество и характеристики шума указаны в производитель ОУ. Также резисторы вносят шум.Уравнение для этого тепловой шум есть; где k — постоянная Больцмана, T — постоянная температура, B — полоса пропускания измерительного устройства, а R — значение сопротивление. Главное помнить, что чем больше номинал резистора, тем больше количество вносимого шума. Еще одно ограничение операционного усилителя — напряжение смещения. Все операционные усилители имеют небольшой напряжение между инвертирующей и неинвертирующей клеммами.Этот потенциал постоянного тока равен затем усиливается, как если бы это была часть сигнала от датчика. Есть много других ограничений схемы усилителя, которые важны для HCI. дизайнер, чтобы быть в курсе. На самом деле их слишком много, чтобы подробно описывать здесь (см. упомянутые ссылки.)

не инвертирующий

Другая часто используемая конфигурация усилителя показана на рисунке 17. Коэффициент усиления этого схема представлена ​​как. Входной импеданс почти бесконечен (ограничен только входным сопротивлением операционного усилителя), а выходное сопротивление почти равно нулю.В Схема идеальна для датчиков с высоким импедансом источника, которые, таким образом, будут подвержены влиянию текущим розыгрышем системы сбора данных.


Рисунок 17: Неинвертирующий усилитель

Если и открыт (убран), то коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен единство. Эта схема, показанная на рисунке 18, обычно называется буфером с единичным усилением. или просто буфер.


Рисунок 18: Буфер Unity-Gain

Суммирование и вычитание

Операционный усилитель можно использовать для сложения двух или более сигналов, как показано на рисунке 19.


Рисунок 19: Суммирующий усилитель

Выход этой схемы. Эта схема может использоваться для объединения выходов многих датчиков. например, микрофонный массив. Операционный усилитель также может использоваться для вычитания двух сигналов, как показано на рисунке 20. обычно используется для удаления нежелательного смещения постоянного тока. Его также можно использовать для устранения различий. в потенциале земли датчика и потенциале земли сбора данных схемотехника (так называемые контуры заземления).


Рисунок 20. Разностный усилитель

Выход этой схемы представлен как. Таким образом может быть выходом датчика и может быть сигналом, который необходимо удалить.

Инструментальный усилитель

Возможно, наиболее важной схемой для усиления выходного сигнала датчика является инструментальный усилитель (ИА). Франко определяет требования к IA следующим образом:

  1. Конечное, точное и стабильное усиление, обычно от 1 до 1000.
  2. Чрезвычайно высокий входной импеданс.
  3. Чрезвычайно низкий выходной импеданс
  4. Чрезвычайно высокий CMRR.

CMRR (коэффициент отклонения синфазного сигнала) определяется как:

Где:

То есть CMRR — это коэффициент усиления усилителя для сигналов дифференциального режима. (сигналы, которые различаются между двумя входами) на коэффициент усиления усилителя для синфазные сигналы (сигналы, одинаковые на обоих входах).Описанный выше дифференциальный усилитель явно не удовлетворяет второму требованию. высокого входного сопротивления. Чтобы решить эту проблему, на каждом один из входов дифференциального усилителя, как показано на рисунке 21. Помните, что неинвертирующий усилитель имеет почти бесконечное входное сопротивление. Обратите внимание, что вместо заземляя резисторы, два резистора соединены вместе, чтобы создать один общий резистор,. Общий дифференциальный коэффициент усиления схемы составляет:


Рисунок 21: Инструментальный усилитель

Фильтры нижних и верхних частот

Конфигурация неинвертирующего усилителя может быть изменена, чтобы ограничить полосу пропускания входящий сигнал.Например, резистор обратной связи можно заменить на комбинация резистор / конденсатор, как показано на рисунке 22 Таким образом, теперь коэффициент усиления схемы: где:


Рисунок 22: Однополюсный фильтр нижних частот

Фильтр « спадает » на 20 дБ при 10-кратном увеличении частоты (20 дБ / декаду), умноженном на порядок фильтра, то есть: . Таким образом, фильтр первого порядка « сползает » на 20 дБ / декаду, как показано на рисунке 23.


Рисунок 23: Частотная характеристика однополюсного фильтра нижних частот

Входной резистор инвертирующего усилителя также можно заменить резистором / конденсатором. пара для создания фильтра верхних частот, как показано на рисунке 24. Коэффициент усиления этого фильтра определяется как: где:


Рисунок 24: Однополюсный фильтр высоких частот

Частотная характеристика этого фильтра показана на рисунке 25.


Рисунок 25: Частотная характеристика однополюсного фильтра верхних частот

Фильтры более высокого порядка, которые, следовательно, имеют более высокую скорость затухания, могут быть созданы с помощью каскадирование множества фильтров первого порядка. В качестве альтернативы, схема фильтра может включать в себя больше пары резистор / конденсатор, чтобы увеличить его порядок. Технику для этого можно найти в любая из ссылок, приведенных ранее. Однако для дизайнера HCI два важными шагами являются определение требуемого порядка фильтров и выбор схемы этого порядка. — убедитесь, что схема также соответствует любому из других ранее описанных требования к схеме преобразования сигнала.

4.3.3 Пример: пьезоэлектрические датчики

Как упоминалось ранее, распространенной практикой является размещение пьезоэлектрический кристалл между двумя металлическими пластинами. На рисунке 26 показан эквивалентный электрический схема этого устройства. Источник напряжения представляет собой напряжение, развивающееся из-за избыточному поверхностному заряду на кристалле. Конденсатор, который появляется последовательно, возникает из-за конденсатор образован металлическими пластинами датчика. Важно отметить что пьезодатчики не могут использоваться для измерения постоянной силы, а полезны только для динамические силы.Если кто-то знаком с базовой теорией схем, должно быть ясно, что Конденсатор блокирует постоянный ток (постоянное напряжение, возникающее при постоянной силе).


Рисунок 26: Пьезоэлектрический датчик с сопротивлением нагрузки

Чтобы измерить силу, необходимо измерить напряжение, которое появляется на клеммы датчика. Невозможно измерить напряжение, не проведя хотя бы небольшой электрический ток. Эта ситуация резюмируется в Рисунок 26, где представляет импеданс нагрузки, присущий измеряемой величине. устройство.На рисунке 27 показан типичный ответ, который может возникнуть, если постоянная сила применяется к пьезо. В отсутствие сопротивления нагрузки сила, приложенная к кристаллу, будет выработайте заряд, который будет оставаться до тех пор, пока присутствует сила. В случае, если имеется нагрузочный резистор, образуется электрический путь, который служит для того, чтобы заряд рассеиваются, что, в свою очередь, снижает напряжение. Чем выше значение сопротивления, тем для рассеивания заряда потребуется больше времени. Постоянная времени системы равна определяется как время, необходимое для уменьшения заряда (или напряжения) до приблизительно 37 его первоначального значения.Постоянная времени дается. Типичные значения для обычные пьезодатчики составляют около (нанофарад), а типичные входные сопротивления для измерительных приборов порядка (МОм). Эти ценности Результат в оф. Грубо говоря, это означает, что силы, которые постоянным или медленно меняющимся будет зависеть от того факта, что напряжение на датчике будет имеют тенденцию к уменьшению амплитуды, и общая амплитуда измеряемого напряжения будет уменьшенный. В качестве альтернативы, силы, которые быстро меняются, не будут подвергаться значительному воздействию, если таковые имеются. уменьшение амплитуды.


Рисунок 27: Отклик во временной области выходного сигнала пьезодатчика, подверженного постоянной силе


Рисунок 28: Частотная характеристика пьезодатчика

Эту ситуацию также можно описать в частотной области . Во временной области система характеризуется своей постоянной времени, тогда как в частотной области она характеризуется своей частотой среза. Сюжет о АЧХ пьезодатчика вместе с сопротивлением нагрузки показаны на рисунке 28.Для упомянутого ранее датчика с внутренней емкостью и сопротивление нагрузки, частота среза равна. В частности, это означает, что сила, изменяющаяся с частотой, приведет к измеренное напряжение, которое меньше быстро меняющейся силы при том же амплитуда. Во многих приложениях важно сделать частоту не ниже возможный. Для этого необходимо, чтобы входное сопротивление их измерительной цепи как можно выше.Таким образом, неинвертирующий усилитель подключается к пьезо выходу как показано на рисунке 29.


Рисунок 29: Пьезоэлектрический датчик с усилением

Следовательно, схема увеличивает напряжение в несколько раз. В частота среза этой схемы, где C — внутренняя емкость датчика. Понятно, что увеличение стоимости входа резистор приведет к уменьшению частоты среза.


Рисунок 30: Использование пьезоэлектрического датчика в качестве акселерометра

Как уже упоминалось несколько раз, пьезодатчики находят множество применений.На рисунке 30 показан механическая система, в которой реализован акселерометр. В этой системе помещается масса на конце пьезодатчика, образующего консольную балку. Когда масса подвергается ускорение, результирующая сила вызовет изгиб пьезопленки, что приведет к Напряжение. Помните, что пьезоэлектрический датчик не может измерять постоянную силу, поэтому это устройство может измерять только динамическое ускорение и не может использоваться для таких приложений, как наклон датчики.



Далее: 4.4 Ток к напряжению Up: 4 Обработка сигналов Предыдущий: 4.2 Дополнительные требования для
Тим Стилсон
Чт 17 октября 16:32:33 PDT 1996

NF Corporation: Усилитель



CA-550 и CA-650 — это малошумящие широкополосные усилители тока (преобразователь тока в напряжение) с высоким коэффициентом усиления и широкой полосой частот.
CA261F2 и CA-461F2 — это малошумящие усилители напряжения, которые обеспечивают высокоточную обработку сигналов и монтаж с высокой плотностью за счет использования однорядного корпуса со строгим экраном с шестью поверхностями.
CA-102R3 — инвертирующий усилитель, а CA-206L2 / 406L2 — малошумящие усилители постоянного тока. Серия
PD-206 — линейный усилитель, подходящий для управления пьезоэлементами.


Малошумящий предусилитель

Широкополосный усилитель тока (трансимпедансный усилитель, преобразователь тока в напряжение)
(pdf: 710 KB)
Модель Описание Конфигурация входа Усиление Амплитудно-частотная характеристика Эквивалентный входной шумовой ток Упаковка
CA-653F2

Усилитель тока (преобразователь тока в напряжение)
Высокий коэффициент усиления и широкополосный диапазон

Несимметричная муфта постоянного тока, несимметричная

1M (В / А) от 0 до 1 МГц 150fA / √Hz (тип.) SIP
CA-554F2 10M (В / А) DC до 500 кГц 45fA / √Гц (тип.) DIP
CA-654F2 SIP
CA-555F2 100M (В / А) DC до 250 кГц 15fA√Гц (тип.) DIP
CA-655F2 SIP
CA-556F2 1 г (В / А) DC до 100 кГц 6fA√Гц (тип.) DIP
CA-656F2 SIP
CA-557F2 10 г (В / А) DC до 20 кГц 2.5fA√Гц (тип.) DIP
CA-657F2 SIP

Напряжение питания ± 15 В
Габаритные размеры DIP: 59 x 39 x 10 (мм), строгий экран с 6 поверхностями, 40-контактный двухрядный корпус
SIP: 66.7 x 10,5 x 40,8 (мм), 6-слойный жесткий экран, 20-контактный двухрядный корпус
Трансимпедансный усилитель
(pdf: 721 KB)
Модель Описание Конфигурация входа Усиление Амплитудно-частотная характеристика Упаковка
IV-202F4 Преобразователь тока в напряжение Муфта постоянного тока несимметричная, несимметричная 1 × 10 5 В / А от 0 до 10 МГц 6-слойное экранирование
IV-204F3 4 × 10 6 В / А от 0 до 1 МГц

Напряжение питания: ± 15 В
Размеры: 80 x 15 x 20 (мм)
Малошумящий усилитель
Модель Описание Конфигурация входа Усиление Амплитудно-частотная характеристика Эквивалентное входное шумовое напряжение
CA-261F2 Усилитель с низким уровнем шума биполярный 40 дБ ± 0.2 дБ от 0 до 200 кГц 0,8 н / √Гц (тип.)
CA-461F2 Дифференциальный усилитель с низким уровнем шума
Усилитель
дифференциал биполярный 1,5 н / √Гц (тип.)

Напряжение питания: ± 15 В
Размеры: 67 х 10.5 x 20 (мм), 6-слойный строгий экран, 20-контактный одинарный корпус
Прочие
От От От От От
Модель Описание Конфигурация входа Усиление Амплитудно-частотная характеристика Полоса пропускания при полной мощности

Макс.выходное напряжение

Макс. выходной ток

CA-102R3 Высокоскоростной инвертирующий усилитель Комплект с 2 внешними подключенными регистраторами до
10 МГц
до
1 МГц
± 10 В ± 10 мА
CA-206L2 Программируемый усилитель усиления
несимметричный 1, 2, 5, 10,
x 1, x 10
до
500 кГц
до
100 кГц
± 5 мА
CA-406L2 Дифференциальный
Усилитель
дифференциал до
200 кГц

Напряжение питания: ± 15 В
Размеры: CA-102R3: 32 x 13.3 x 4,0, 12 контактов
CA-206L2: 51,5 x 14 x 5,5, 20 контактов
CA-406L2: 51,5 x 14 x 6,5, 20 контактов
Однолинейный корпус
Усилитель крутизны
(pdf: 883 KB)
Модель Описание Крутизна Диапазон сопротивления нагрузке Амплитудно-частотная характеристика Макс.выходной ток
VI-206F1 Преобразователь напряжения в ток 100 мкА / В от 0 Ом до 100 кОм от 0 до 7 кГц ± 100 мкА
VI-207F1 1 мА / В от 0 Ом до 10 кОм от постоянного тока до 10 кГц ± 1 мА
VI-309F1 5 мА / В
(вход с высоким коэффициентом усиления)
50 мкА / В
(вход с низким коэффициентом усиления)
от 0 Ом до 10 Ом ± 50 мА

Напряжение питания: ± 15 В
Размеры:

VI-206F1 / VI-207F1: 65 x 80 x 27.6 (мм)
VI-309F1: 80 x 65 x 25 (мм)

Рекомендуемая мощность постоянного тока
Источник питания:
Источник питания постоянного тока с низким уровнем шума серии LP

Драйвер-усилитель

Пьезодрайвер
(pdf: 673 KB)
Модель Описание Усиление Выходное напряжение Выходной ток Амплитудно-частотная характеристика
ПД-206-150П Модуль линейного усилителя (униполярный) х 15 + 150 В 15 мА (непрерывно) от 0 до 100 Гц
ПД-206-150Б Модуль линейного усилителя (биполярный) ± 75 А

Напряжение питания: ± 15 В
Размеры: 67 х 10.5 x 20 (мм), 6-слойный строгий экран, 20-контактный одинарный корпус

Усилители высокого напряжения | COR серии

Усилитель постоянного напряжения и постоянного тока высокого напряжения

  • Макс.напряжение: от
    до +10 кВ постоянного тока
  • Макс.ток:
    от -2 мА до + 2 мА
  • Максимальная мощность: 20 Вт
  • Макс.скорость нарастания:
    более 30 В / мкс
  • Полная шкала:
    от постоянного тока до 1 кГц

Лучше всего подходит для контроля коронного тока

COR-10B2 — это биполярный высокоскоростной усилитель высокого напряжения, разработанный с учетом нашего многолетнего опыта и знаний в области источников питания высокого напряжения.Высокая производительность и надежность достигается за счет твердотельной конфигурации.

Особенности и преимущества

  • COR — это усилитель высокого напряжения, которым можно управлять в режимах CC и CV.
  • Клемма обратного тока является стандартной и лучше всего подходит для контроля коронного тока
  • Четырехквадрантный выход ± 10 кВ, ± 2 мА

Приложения

  • Испытание светочувствительного барабана
  • Эксперимент коронного разряда
  • Исследование и разработка электрофотографического процесса
Модель Выход Скорость нарастания Амплитудно-частотная характеристика
(-3 дБ)
Напряжение [кВ постоянного тока] Ток [мА] Максимальная мощность [Вт]
COR-10B2 от -10 кВ постоянного тока до +10 кВ постоянного тока от -2 мА до +2 мА 20 более 30 В / мкс от 0 до 1 кГц

* Типичное значение при синусоиде.

Контроль тока короны (контроль обратного тока)

Когда для зарядки фоточувствительного барабана используется источник питания высокого напряжения, в большинстве случаев целью является регулирование тока барабана (Id). Нормальный источник питания может управлять только током барабана (Id) и током вывода на экран. (рис. 1.)
Использование терминала COR RTN позволяет точно контролировать ток барабана (Id), даже если барабан заземлен или нет. (рис. 2 и 3)

Диапазон мощности

Усилитель

HV обычно оснащен функцией «стока» для выходных токов, которая обеспечивает работу с постоянным напряжением, независимо от типа нагрузки, емкостной или проводящей.
Поскольку он обеспечивает быстрый отклик, это идеальный источник питания для приложений, требующих выхода переменного тока. Серия COR является биполярным типом и может работать во всей четырехквадрантной области. (I · II · III · IV участок)

Для получения подробной информации загрузите техническое описание ниже.

-L (230 В): входное напряжение 230 В переменного тока ± 10%, однофазный

-L (5 м): Выходной кабель высокого напряжения 5 метров

Обратите внимание, что использование кабеля длиной 5 метров может снизить скорость нарастания, время отклика и исказить формы выходных сигналов.

Как заказать

При заказе добавьте номер опции в следующем порядке по входному напряжению и длине выходного кабеля к модели №

.
Пример:
COR-10B2-L (230 В) (5 м)

Функциональный генератор

Кабель

Входной кабель
КАБЕЛЬ ТИПА 1

125 В / 10 А

Стандартный

КАБЕЛЬ ТИПА 3

250 В / 10 А

Стандарт для -L (230 В)

Длина 2.5 м для обоих. Подробности см. В таблице данных серии CABLE.

Выходной кабель
CN-40-AHVP

Выходной кабель высокого напряжения 1,5 м

(стандарт)

CN-40-AHVP (5)

Выходной кабель высокого напряжения 5 м

[опция -L (5 м)]

Емкостная нагрузка

Когда емкостная нагрузка превышает 100 пФ (включая паразитную емкость выходного провода), на выходе может возникнуть резонанс.В этом случае установите последовательно на выходе высоковольтное сопротивление от 100 Ом (@ 0,1 мкФ) до 1000 Ом (@ 1000 пФ). Обратите внимание, что полоса частот будет ограничена в соответствии с формулой, записанной на правом рисунке, когда усилитель используется с емкостной нагрузкой.
Кроме того, когда усилитель используется для такого использования, как коронный разряд, будет течь ток, превышающий номинальный, и это сильно повлияет на усилитель. В этом случае, а также время для использования усилителя с емкостной нагрузкой, установите выходное сопротивление и ограничьте ток.

* Избегайте постоянного ввода высокочастотного сигнала, который снижает выходную частоту усилителя. Усилитель выйдет из строя из-за увеличения внутренних потерь.

Подробнее

Серия COR Лист данных

Дата: 2021-12-20 изм.04
PDF (1,515 КБ)

Скачать

Руководство по выбору высокоскоростного высоковольтного усилителя

Дата: 09.06.2021 ред.15
PDF (5,263 КБ)

Скачать

Для скачивания
необходима регистрация аккаунта.
Серия COR Лист данных

Дата: 2021-12-20 изм.04
PDF (1,515 КБ)

Руководство по выбору высокоскоростного высоковольтного усилителя

Дата: 09.06.2021 ред.15
PDF (5,263 КБ)

На этом веб-сайте мы предоставляем только самую последнюю версию информации, включая инструкции по эксплуатации наших продуктов. Таким образом, новейшие версии руководств на веб-сайте могут отличаться от тех, которые вы приобрели ранее.

Нажмите здесь, если вы уже зарегистрированы на нашем сайте.

Войти

Информация о связанных статьях в разделе «Технические знания»

Продукты для использования в комбинации

Рекомендуемые статьи для вас

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Разница между усилителем напряжения и усилителем мощности

Привет, друзья, надеюсь, у вас все отлично.В этом посте мы подробно рассмотрим разницу между усилителем напряжения и усилителем мощности . Усилитель — это схема, которая используется для увеличения уровня сигнала на входе и предлагает высококачественный сигнал. Результирующий сигнал называется приложенным сигналом, а используемый процесс — усилением.

Есть 2 типа усилителей, первый — усилитель напряжения, второй — усилитель мощности. Основное отличие состоит в том, что в усилителе напряжения увеличивается уровень напряжения, а в усилителе мощности увеличивается уровень мощности сигнала.так что давайте начнем с

Разница между усилителем напряжения и усилителем мощности

Что такое усилитель напряжения

  • Этот тип конфигурации схемы выполняет усиление напряжения и создается в такой конфигурации для увеличения сигнала, подаваемого на вход схемы.
  • Расчетная конфигурация рассчитана на максимальное значение усиления по напряжению.
  • Коэффициент усиления — это отношение выходного напряжения к входному, а в случае усилителя напряжения — это отношение выходного напряжения к входному.
  • AV = Vo / p / Vip
  • Предположим, что напряжение на входе составляет один вольт, а на выходе — двадцать пять вольт после процесса усиления, поэтому коэффициент усиления по напряжению будет двадцать пять вольт.
  • Такие усилители имеют такую ​​конфигурацию, что на нагрузку передается очень мало мощности.
  • Эти устройства также называются усилителями слабого сигнала.

Что такое усилитель мощности

  • Усилитель мощности представляет собой такую ​​схемотехническую конфигурацию, которая создана для увеличения уровня мощности сигнала, подаваемого на вход схемы.
  • Для получения высокого значения мощности на выходе необходимо высокое значение сигнала на входе.
  • Итак, на входе усилителя мощности используется усилитель напряжения.

Сравнение усилителя напряжения и усилителя мощности

Усилитель напряжения

  • Этот усилитель используется для увеличения уровня напряжения сигнала.
  • Его также называют меньшей конфигурацией усилителя сигнала
  • Его величина меньше.
  • Для этой цепи используется соединительная цепь RC.
  • Используется базовая область меньшего размера.
  • Для этой схемы очень низкий ток коллектора.
  • Его значение усиления составляет от пяти до двадцати.
  • В схемотехнике используется малогабаритный транзистор.
  • Ладская наглость от четырех до десяти килоомов

Усилитель мощности

  • Эта схема используется для увеличения уровня мощности сигнала.
  • Известен как большой усилитель сигнала.
  • Его величина меньше.
  • Для этого модуля используется
  • Транфомерер.
  • База транзистора имеет большую площадь.
  • Коллекторный ток велик почти сто ампер.
  • Значение усиления — сто.
  • Большое тепловыделение.
  • Импеданс составляет от пяти до двадцати Ом.

Это подробный пост о разнице между усилителями напряжения и усилителями мощности, если у вас есть какие-либо дополнительные вопросы, задавайте их в комментариях.Спасибо за чтение.

Автор: Генри
http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Сообщение навигации

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *