Понимание схем усилителя

В общем, усилитель можно определить как схему, предназначенную для повышения приложенного входного сигнала малой мощности до выходного сигнала высокой мощности в соответствии с указанным номиналом компонентов.

Хотя основная функция остается прежней, усилители можно разделить на разные категории в зависимости от их конструкции и конфигурации.

Схемы для усиления логических входов

Возможно, вы встречали усилители с одним транзистором, которые настроены для работы и усиления логики низкого сигнала от входных чувствительных устройств, таких как LDR, фотодиоды , ИК-устройства. Выход этих усилителей затем используется для переключения резкий поворот или реле ВКЛ / ВЫКЛ в ответ на сигналы от сенсорных устройств.

Возможно, вы также видели крошечные усилители, которые используются для предварительного усиления музыкального или аудиовхода или для работы светодиодной лампы.
Все эти небольшие усилители относятся к усилителям малых сигналов.

Типы усилителей

В первую очередь, схемы усилителя включены для усиления музыкальной частоты, так что подаваемый небольшой музыкальный вход многократно усиливается, обычно от 100 до 1000 раз и воспроизводится через громкоговоритель.

В зависимости от мощности или номинальной мощности такие схемы могут иметь различные конструкции от небольших усилителей сигналов малых сигналов на базе операционных усилителей до усилителей больших сигналов, которые также называются усилителями мощности. Эти усилители технически классифицируются в зависимости от их принципов работы, каскадов схемы и способа изготовления. которые они могут быть сконфигурированы для обработки функции усиления.

В следующей таблице представлены детали классификации усилителей в зависимости от их технических характеристик и принципа действия:

Мы обнаружили, что в базовой конструкции усилителя она в основном включает несколько каскадов, состоящих из цепей биполярных транзисторов или BJT, полевых транзисторов (FET) или операционных усилителей.

Такие блоки или модули усилителя могут иметь пару выводов для подачи входного сигнала и другую пару выводов на выходе для получения усиленного сигнала через подключенный громкоговоритель.

Одна из этих двух клемм - это клеммы заземления, и ее можно рассматривать как общую линию между входным и выходным каскадами.

Три свойства усилителя

Три важных свойства, которыми должен обладать идеальный усилитель:

• Входное сопротивление (Rin)
• Выходное сопротивление (Rout)
• Коэффициент усиления (A), который представляет собой диапазон усиления усилителя.

Понимание идеальной работы усилителя

Разница в усиленном сигнале между выходом и входом называется коэффициентом усиления усилителя. Это величина или величина, на которую усилитель может усилить входной сигнал на своих выходных клеммах.

Возьмем, к примеру, если усилитель рассчитан на преобразование входного сигнала в 1 вольт в усиленный сигнал в 50 вольт, то мы бы сказали, что усилитель имеет коэффициент усиления 50, это очень просто.
Это усиление низкого входного сигнала до более высокого выходного сигнала называется прирост усилителя. В качестве альтернативы это можно понимать как увеличение входного сигнала в 50 раз.

Коэффициент усиления Таким образом, коэффициент усиления усилителя - это в основном отношение выходных и входных значений уровней сигнала или просто выходная мощность, деленная на входную мощность, и обозначается буквой «А», которая также обозначает мощность усиления усилителя.

Типы усиления усилителя Различные типы усиления усилителя можно классифицировать как:

1. Увеличение напряжения (выкл.)
2. Текущая прибыль (Ai)
3. Увеличение мощности (Ap)

Примеры формул для расчета коэффициентов усиления усилителя В зависимости от трех указанных выше типов прироста формулы для их расчета можно узнать из следующих примеров:

1. Коэффициент усиления напряжения (Av) = выходное напряжение / входное напряжение = Vout / Vin
2. Коэффициент усиления по току (Ai) = выходной ток / входной ток = Iout / Iin
3. Прирост мощности (Ap) = Av.x.A я

Для расчета прироста мощности вы также можете использовать формулу:
Коэффициент усиления (Ap) = выходная мощность / входная мощность = Aout / Ain

Важно отметить, что нижний индекс p, v, i используемые для расчета мощности, назначаются для определения конкретного типа усиления сигнала, над которым работает.

Выражение децибел

Вы найдете еще один метод выражения усиления мощности усилителя в децибелах или (дБ).
Мера или величина Bel (B) - это логарифмическая единица (основание 10), не имеющая единицы измерения.
Однако децибел может быть слишком большой единицей для практического использования, поэтому мы используем пониженную версию децибела (дБ) для расчетов усилителя.
Вот несколько формул, которые можно использовать для измерения усиления усилителя в децибелах:

1. Коэффициент усиления напряжения в дБ: выкл. = 20 * log (выкл.)
2. Текущее усиление в дБ: ai = 20 * log (Ai)
3. Увеличение мощности в дБ: ap = 10 * log (Ap)

Некоторые факты об измерении дБ
Важно отметить, что коэффициент усиления мощности постоянного тока усилителя в 10 раз превышает общий логарифм его отношения выхода / входа, тогда как коэффициенты усиления по току и напряжению в 20 раз превышают общий логарифм их отношений.

Это означает, что, поскольку используется логарифмическая шкала, усиление 20 дБ не может считаться удвоенным по сравнению с 10 дБ из-за нелинейной характеристики измерения логарифмических шкал.

Когда усиление измеряется в дБ, положительные значения означают усиление усилителя, а отрицательные значения в дБ указывают на потерю усиления усилителя.

Например, если определено усиление + 3 дБ, это указывает на 2-кратное или x2-кратное усиление конкретного выхода усилителя.

И наоборот, если результат равен -3 дБ, это означает, что усилитель имеет потери в 50% усиления или х0,5 потерь в его усилении. Это также называется точкой половинной мощности, что означает -3 дБ ниже максимально достижимой мощности по сравнению с 0 дБ, который является максимально возможным выходным сигналом усилителя.

Расчет усилителей

Рассчитайте напряжение, ток и коэффициент усиления по мощности со следующими характеристиками: Входной сигнал = 10 мВ @ 1 мА Выходной сигнал = 1 В @ 10 мА. Кроме того, узнайте коэффициент усиления усилителя, используя значения в децибелах (дБ).

Решение:

Применяя формулы, изученные выше, мы можем оценить различные типы коэффициентов усиления, связанные с усилителем, в соответствии с имеющимися характеристиками входных выходов:

Коэффициент усиления напряжения (Av) = выходное напряжение / входное напряжение = Vout / Vin знак равно 1 / 0,01 = 100
Коэффициент усиления по току (Ai) = выходной ток / входной ток = Iout / Iin знак равно 10/1 = 10
Увеличение мощности (Ap) = Av. х А я знак равно 100 х 10 = 1000

Чтобы получить результаты в децибелах, мы применяем соответствующие формулы, как показано ниже:

av = 20logAv = 20log100 = 40 дБ ai = 20logAi = 20log10 = 20 дБ

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30 дБ

Подразделения усилителей

Усилители малых сигналов: Что касается характеристик усилителя по мощности и напряжению, становится возможным разделить их на несколько различных категорий.

Первый тип называется усилителем слабого сигнала. Эти усилители малых сигналов обычно используются в каскадах предусилителей, инструментальных усилителях и т. Д.

Эти типы усилителей созданы для обработки мельчайших уровней сигналов на их входах, в диапазоне некоторых микровольт, например, от сенсорных устройств или небольших входов аудиосигналов.

Усилители больших сигналов: Второй тип усилителей называется усилителями больших сигналов, и, как следует из названия, они используются в усилителях мощности для достижения огромных диапазонов усиления. В этих усилителях входной сигнал относительно больше по величине, поэтому их можно существенно усилить для воспроизведения и передачи в мощные громкоговорители.

Как работают усилители мощности

Поскольку усилители малых сигналов предназначены для обработки малых входных напряжений, их называют усилителями малых сигналов. Однако, когда усилитель должен работать с приложениями с высоким коммутируемым током на своих выходах, например, с двигателем или сабвуферами, усилитель мощности становится неизбежным.

Чаще всего усилители мощности используются в качестве звуковых усилителей для управления большими громкоговорителями и для достижения огромных усилений уровня музыки и выходной громкости.

Усилители мощности требуют для работы внешнего источника постоянного тока, и эта мощность постоянного тока используется для достижения намеченного усиления высокой мощности на их выходе. Электропитание постоянного тока обычно поступает от сильноточных источников питания высокого напряжения через трансформаторы или блоки на базе SMPS.

Хотя усилители мощности могут повышать входной сигнал с более низкой частотой до сигналов с высокой выходной мощностью, процедура на самом деле не очень эффективна. Это связано с тем, что в этом процессе значительное количество энергии постоянного тока теряется в форме рассеяния тепла.

Мы знаем, что идеальный усилитель будет обеспечивать выходную мощность, почти равную потребляемой мощности, что дает 100% КПД. Однако на практике это выглядит довольно отдаленным и неосуществимым из-за внутренних потерь мощности постоянного тока от силовых устройств в виде тепла.

КПД усилителя Исходя из приведенных выше соображений, мы можем выразить эффективность усилителя как:

КПД = выходная мощность усилителя / потребление постоянного тока усилителя = выход / контакт

Идеальный усилитель

Ссылаясь на вышеприведенное обсуждение, мы можем в общих чертах обрисовать основные характеристики идеального усилителя. Они конкретно описаны ниже:

Коэффициент усиления (A) идеального усилителя должен быть постоянным независимо от меняющегося входного сигнала.

1. Коэффициент усиления остается постоянным независимо от частоты входного сигнала, что позволяет не влиять на усиление выходного сигнала.
2. Выход усилителя свободен от любого вида шума во время процесса усиления, напротив, он включает в себя функцию шумоподавления, отменяющую любой возможный шум, вносимый через источник входного сигнала.
3. На него не влияют изменения температуры окружающей среды или окружающей среды.
4. Длительное использование минимально или не влияет на характеристики усилителя, и оно остается стабильным.

Классификация электронных усилителей

Будь то усилитель напряжения или усилитель мощности, они классифицируются на основе характеристик входного и выходного сигнала. Это делается путем анализа протекания тока относительно входного сигнала и времени, необходимого для его достижения выходом.

В зависимости от конфигурации схем усилители мощности можно разделить на категории в алфавитном порядке. Им присваиваются разные операционные классы, такие как:

Класс 'А'
Класс 'B'
Класс 'C'
Класс «АВ» и так далее.

Они могут иметь свойства в диапазоне от почти линейной выходной характеристики, но довольно низкой эффективности, до нелинейной выходной характеристики с высокой эффективностью.

Ни один из этих классов усилителей нельзя назвать лучше или хуже друг друга, поскольку каждый из них имеет свою конкретную область применения в зависимости от требований.

Вы можете найти оптимальную эффективность конверсии для каждого из них, и их популярность можно определить в следующем порядке:

Усилители класса A: КПД обычно ниже 40%, но может иметь улучшенный линейный выходной сигнал.

Усилители класса «B»: КПД может быть вдвое выше, чем у класса A, практически около 70%, из-за того, что только активные устройства усилителя потребляют мощность, что приводит к потреблению энергии только на 50%.

Усилители класса AB: Усилители этой категории имеют уровень эффективности где-то между классами A и B, но качество воспроизведения сигнала хуже по сравнению с классом A.

Усилители класса «C»: они считаются исключительно эффективными с точки зрения потребляемой мощности, но воспроизведение сигнала хуже всего из-за большого количества искажений, что приводит к очень плохому воспроизведению характеристик входного сигнала.

Как работают усилители класса А:

Усилители класса A имеют транзисторы с идеальным смещением в активной области, что позволяет точно усиливать входной сигнал на выходе.

Благодаря этой функции идеального смещения, транзистору никогда не разрешается дрейфовать к их областям отсечки или перенасыщения, в результате чего усиление сигнала правильно оптимизируется и центрируется между указанными верхним и нижним ограничениями сигнала, как показано ниже. изображение:

В конфигурации класса A одинаковые наборы транзисторов применяются к двум половинам выходного сигнала. И в зависимости от типа смещения, которое он использует, транзисторы выходной мощности всегда отображаются во включенном положении, независимо от того, подан входной сигнал или нет.

Из-за этого усилители класса A имеют чрезвычайно низкий КПД с точки зрения потребляемой мощности, поскольку фактическая подача мощности на выход затрудняется из-за чрезмерных потерь из-за рассеяния устройства.

В описанной выше ситуации можно увидеть, что усилители класса всегда имеют перегретые транзисторы выходной мощности даже при отсутствии входного сигнала.

Даже при отсутствии входного сигнала постоянный ток (Ic) от источника питания может проходить через силовые транзисторы, что может быть равно току, протекающему через громкоговоритель при наличии входного сигнала. Это приводит к постоянному «горячему» транзистору и потере мощности.

Работа усилителя класса B

В отличие от конфигурации усилителя класса A, которая зависит от одиночных силовых транзисторов, в классе B используется пара дополнительных BJT на каждой половине схемы. Они могут быть в форме NPN / PNP или N-канального MOSFET / P-канала MOSFET).

Здесь один из транзисторов может работать в ответ на одну половину цикла входного сигнала, в то время как другой транзистор обрабатывает другую половину цикла формы волны.

Это гарантирует, что каждый транзистор в паре будет проводить половину времени в активной области и половину времени в области отсечки, что позволяет только 50% участвовать в усилении сигнала.

В отличие от усилителей класса A, в усилителях класса B силовые транзисторы не смещены прямым постоянным током, вместо этого конфигурация гарантирует, что они проводят только тогда, когда входной сигнал идет выше, чем напряжение базового эмиттера, которое может составлять около 0,6 В для кремниевых BJT.

Это означает, что при отсутствии входного сигнала BJT остаются отключенными, а выходной ток равен нулю. Благодаря этому только 50% входного сигнала может поступать на выход в любой момент, что позволяет значительно повысить эффективность этих усилителей. Результат можно увидеть на следующей диаграмме:

Поскольку нет прямого участия постоянного тока для смещения силовых транзисторов в усилителях класса B, чтобы инициировать проводимость в ответ на каждую половину циклов +/- формы волны, это становится обязательным для их базы / эмиттера. Vbe для получения потенциала выше 0,6 В (стандартное значение смещения базы для BJT)

Из-за вышеуказанного факта это означает, что, хотя форма выходного сигнала ниже отметки 0,6 В, его нельзя усилить и воспроизвести.

Это приводит к появлению искаженной области выходного сигнала как раз в тот период, когда один из BJT выключается и ожидает, пока другой снова не включится.

Это приводит к тому, что небольшая часть формы сигнала подвергается незначительным искажениям в течение периода перехода или переходного периода около перехода через нуль, именно тогда, когда переключение с одного транзистора на другой происходит через дополнительные пары.

Работа усилителя класса AB

Усилитель класса AB построен с использованием смеси характеристик схем класса A и класса B, отсюда и название Class AB.

Хотя конструкция класса AB также работает с парой дополнительных BJT, выходной каскад гарантирует, что смещение силовых BJT контролируется близко к порогу отсечки при отсутствии входного сигнала.

В этой ситуации, как только обнаруживается входной сигнал, транзисторы перестают нормально работать в своей активной области, таким образом предотвращая любую возможность перекрестных искажений, которые обычно преобладают в конфигурациях класса B. Тем не менее, через BJT может проводиться небольшой ток коллектора, который можно считать незначительным по сравнению с конструкциями класса A.

Усилитель класса AB демонстрирует значительно улучшенный КПД и линейную характеристику по сравнению с аналогом класса A.

Форма выходного сигнала усилителя класса AB

Класс усилителя - важный параметр, который зависит от того, как транзисторы смещены через амплитуду входного сигнала, для реализации процесса усиления.

Он зависит от того, какая часть формы волны входного сигнала используется транзисторами для проведения, а также от коэффициента эффективности, который определяется количеством мощности, фактически используемой для выдачи выходного сигнала и / или потраченной впустую из-за рассеяния.

Что касается этих факторов, мы, наконец, можем создать сравнительный отчет, показывающий различия между различными классами усилителей, как указано в следующей таблице.

Затем мы можем провести сравнение между наиболее распространенными типами классификаций усилителей в следующей таблице.

Классы усилителей мощности

Последние мысли

Если усилитель спроектирован неправильно, как, например, конструкция усилителя класса A, может потребоваться значительный радиатор на силовых устройствах, а также охлаждающие вентиляторы для работы. Для таких конструкций также потребуются более мощные источники питания для компенсации огромных потерь энергии на тепло. Все такие недостатки могут сделать такие усилители очень неэффективными, что, в свою очередь, может вызвать постепенный износ устройств и, в конечном итоге, отказы.

Следовательно, может быть целесообразно выбрать усилитель класса B, разработанный с более высокой эффективностью около 70%, в отличие от 40% усилителя класса A. Сказано, что усилитель класса A может обещать более линейный отклик с его усилением и более широкую частотную характеристику, хотя это связано со значительными потерями мощности.