Разбиране на схемите на усилвателя

По принцип усилвателят може да бъде дефиниран като схема, предназначена да усили приложен сигнал с ниска мощност в сигнал с висока мощност, съгласно определената номинална стойност на компонентите.

Въпреки че основната функция остава същата, усилвателите могат да бъдат класифицирани в различни категории в зависимост от техния дизайн и конфигурации.

Схеми за усилване на логически входове

Може да сте се сблъсквали с единични транзисторни усилватели, които са конфигурирани да работят и усилват логика с нисък сигнал от входни сензорни устройства като LDR, фотодиоди , IR устройства. Изходът от тези усилватели след това се използва за превключване a джапанка или реле ВКЛ. / ИЗКЛ. в отговор на сигналите от сензорните устройства.

Може да сте виждали и малки усилватели, които се използват за предварително усилване на музикален или аудио вход или за работа с LED лампа.
Всички тези малки усилватели са категоризирани като малки усилватели на сигнала.

Видове усилватели

Предимно са включени усилвателни схеми за усилване на музикална честота, така че подаденият малък музикален вход се усилва в много гънки, обикновено 100 пъти до 1000 пъти и се възпроизвежда през високоговорител.

В зависимост от мощността или номиналната мощност, такива схеми могат да имат конструкции, вариращи от малки усилватели за малки сигнали, базирани на усилвател, до големи усилватели на сигнала, които също се наричат ​​усилватели на мощност. Тези усилватели са класифицирани технически въз основа на техните работни принципи, етапи на веригата и начина които те могат да бъдат конфигурирани да обработват усилващата функция.

Следващата таблица ни предоставя подробности за класификацията на усилвателите въз основа на техническите им спецификации и принцип на работа:

В основния дизайн на усилвателя откриваме, че той включва най-вече няколко етапа с мрежи от биполярни транзистори или BJT, полеви транзистори (FET) или операционни усилватели.

Такива усилвателни блокове или модули могат да се видят с няколко терминала за подаване на входния сигнал и друга двойка терминали на изхода за получаване на усилващия сигнал през свързан високоговорител.

Един от терминалите от тези два е земните терминали и може да се разглежда като обща линия през входните и изходните етапи.

Три свойства на усилвателя

Трите важни свойства, които трябва да притежава идеалният усилвател, са:

• Входно съпротивление (Rin)
• Изходно съпротивление (Rout)
• Коефициент на усилване (A), който е обхватът на усилване на усилвателя.

Разбиране на идеалния усилвател

Разликата в усиления сигнал между изхода и входа се нарича усилване на усилвателя. Това е величината или количеството, с което усилвателят е в състояние да усили входния сигнал през своите изходни клеми.

Вземете например, ако усилвателят е оценен да обработва входен сигнал от 1 волта в усилен сигнал от 50 волта, тогава бихме казали, че усилвателят има усилване от 50, това е толкова просто.
Това подобряване на нисък входен сигнал към по-висок изходен сигнал се нарича печалба на усилвател. Алтернативно, това може да се разбира като увеличение на входния сигнал с коефициент 50.

Коефициент на печалба По този начин, усилването на усилвателя е основно съотношение на изходните и входните стойности на нивата на сигнала, или просто изходната мощност, разделена на входната мощност, и се приписва с буквата „A“, която също означава мощността на усилване на усилвателя.

Видове печалби от усилвател Различните видове усилватели могат да бъдат класифицирани като:

1. Повишаване на напрежението (изключено)
2. Текущо усилване (Ai)
3. Повишаване на мощността (Ap)

Примерни формули за изчисляване на печалбите от усилвателя В зависимост от горните 3 вида печалби, формулите за изчисляването им могат да бъдат научени от следните примери:

1. Коефициент на напрежение (Av) = изходно напрежение / входно напрежение = Vout / Vin
2. Коефициент на ток (Ai) = изходен ток / входен ток = Iout / Iin
3. Повишаване на мощността (Ap) = Av.x.A i

За изчисляване на печалба от мощност, алтернативно можете да използвате и формулата:
Усилване на мощността (Ap) = изходна мощност / входна мощност = Aout / Ain

Би било важно да се отбележи, че индексът p, v, i използвани за изчисляване на мощността се присвояват за идентифициране на специфичния тип усилване на сигнала, по който се работи.

Изразяване на децибели

Ще намерите друг метод за изразяване на усилване на мощността на усилвател, който е в децибели или (dB).
Мярката или величината Bel (B) е логаритмична единица (основа 10), която няма мерна единица.
Децибел обаче може да бъде твърде голяма единица за практическа употреба, затова използваме понижена версия децибел (dB) за изчисления на усилвателя.
Ето някои формули, които могат да се използват за измерване на усилването на усилвателя в децибели:

1. Повишаване на напрежението в dB: изключено = 20 * log (Off)
2. Текущо усилване в dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Повишаване на мощността в dB: ap = 10 * log (Ap)

Някои факти за измерването на dB
Важно е да се отбележи, че усилването на постояннотоковата мощност на усилвателя е 10 пъти по-голямо от общия дневник на неговото съотношение изход / вход, докато усилванията на ток и напрежение са 20 пъти по-големи от общия дневник на техните съотношения.

Това предполага, че тъй като е включена скала на дневника, 20dB усилване не може да се счита за два пъти по 10dB, поради нелинейната характеристика на измерване на логаритмичните скали.

Когато усилването се измерва в dB, положителните стойности означават усилване на усилвателя, докато отрицателната стойност на dB показва загуба на усилването на усилвателя.

Например, ако се идентифицира + 3dB усилване, това показва двукратно или x2 усилване на конкретния усилвател.

И обратно, ако резултатът е -3dB, показва, че усилвателят има загуба от 50% печалба или x0.5 мярка за загуба в печалбата си. Това също се нарича точка на половин мощност, което означава -3dB по-ниска от максималната постижима мощност, по отношение на 0dB, което е максимално възможният изход от усилвателя

Изчисляване на усилватели

Изчислете усилването на напрежението, тока и мощността на усилвателя със следните спецификации: Входен сигнал = 10mV @ 1mA Изходен сигнал = 1V @ 10mA. Освен това разберете усилването на усилвателя, като използвате стойности в децибели (dB).

Решение:

Прилагайки формулите, научени по-горе, можем да оценим различните типове печалби, свързани с усилвателя, според входните изходни спецификации в ръка:

Коефициент на напрежение (Av) = изходно напрежение / входно напрежение = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Коефициент на ток (Ai) = изходен ток / входен ток = Iout / Iin = 10/1 = 10
Повишаване на мощността (Ap) = Av. x A i = 100 х 10 = 1000

За да получим резултатите в Децибели, прилагаме съответните формули, както е дадено по-долу:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Подразделения на усилвателя

Усилватели за малък сигнал: По отношение на спецификациите за усилване на мощността и напрежението на усилвателя, става възможно да ги разделим на няколко различни категории.

Първият тип се нарича усилвател с малък сигнал. Тези малки усилватели на сигнала обикновено се използват в предусилвателни етапи, усилвателни усилватели и т.н.

Този тип усилватели са създадени за обработка на нива на минутен сигнал на техните входове, в обхвата на някои микроволта, като например от сензорни устройства или малки входове за аудио сигнали.

Усилватели с голям сигнал: Вторият тип усилватели се наричат ​​големи усилватели на сигнала и както подсказва името, те се използват в приложенията на усилватели на мощност за постигане на огромни диапазони на усилване. В тези усилватели входният сигнал е относително по-голям по размер, така че те могат да бъдат значително усилени за възпроизвеждане и задвижване в мощни високоговорители.

Как работят усилвателите на мощност

Тъй като малките усилватели на сигнала са проектирани да обработват малки входни напрежения, те се наричат ​​усилватели с малък сигнал. Когато обаче е необходим усилвател за работа с приложения с висок импулсен ток на техните изходи, като например работа с мотор или експлоатация на субуфери, усилвателят на мощността става неизбежен.

Най-популярните усилватели на мощност се използват като аудио усилватели за задвижване на големи високоговорители и за постигане на огромни усилвания на ниво музика и изходи на звука.

Усилвателите на мощност изискват външна постоянна мощност за своята работа и тази постоянна мощност се използва за постигане на предвиденото усилване с висока мощност на изхода им. DC мощността обикновено се получава чрез високотокови захранвания с високо напрежение чрез трансформатори или модули, базирани на SMPS.

Въпреки че усилвателите на мощност могат да усилят по-ниския входен сигнал във високо изходни сигнали, процедурата всъщност не е много ефективна. Това е така, защото в процеса се губи значително количество DC мощност под формата на разсейване на топлината.

Знаем, че идеалният усилвател би произвел мощност, почти равна на консумираната мощност, което би довело до ефективност от 100%. На практика обаче това изглежда доста отдалечено и може да не е осъществимо поради присъщите постоянни загуби на мощност от захранващите устройства под формата на топлина.

Ефективност на усилвател От горните съображения можем да изразим ефективността на усилвателя като:

Ефективност = усилвател Изходна мощност / консумация на постоянен ток на усилвателя = Pout / Pin

Идеален усилвател

Във връзка с горната дискусия може да е възможно да очертаем основните характеристики на идеалния усилвател. Те са изрично посочени по-долу:

Коефициентът на усилване (A) на идеалния усилвател трябва да бъде постоянен, независимо от променлив входен сигнал.

1. Усилването остава постоянно, независимо от честотата на входния сигнал, което позволява изходното усилване да остане незасегнато.
2. Изходът на усилвателя е свободен от всякакъв вид шум по време на процеса на усилване, а напротив, той включва функция за намаляване на шума, отменяща всеки възможен шум, въведен през входния източник.
3. Той остава незасегнат от промените в околната температура или атмосферната температура.
4. Продължителната употреба има минимален или никакъв ефект върху производителността на усилвателя и остава постоянна.

Класификация на електронния усилвател

Независимо дали става въпрос за усилвател на напрежение или усилвател на мощност, те се класифицират въз основа на характеристиките на входния и изходния им сигнал. Това се прави чрез анализ на потока на тока по отношение на сигнала на входния сигнал и времето, необходимо за достигане на изхода.

Въз основа на тяхната конфигурация на веригата, усилвателите на мощност могат да бъдат категоризирани по азбучен ред. Те са назначени с различни оперативни класове като:

Клас „A“
Клас „B“
Клас 'С'
Клас 'AB' и т.н.

Те могат да имат свойства, вариращи от почти линейна реакция на изхода, но доста ниска ефективност до нелинейна реакция на изхода с висока ефективност.

Нито един от тези класове усилватели не може да бъде разграничен като по-лош или по-добър един от друг, тъй като всеки има своя специфична област на приложение в зависимост от изискването.

Може да намерите оптимална ефективност на преобразуване за всеки от тях и тяхната популярност може да бъде идентифицирана в следния ред:

Усилватели от клас A: Ефективността обикновено е по-ниска под 40%, но може да покаже подобрен линеен изходен сигнал.

Усилватели от клас B: Ефективността може да е два пъти по-висока от тази на клас A, на практика около 70%, поради факта, че само активните устройства на усилвателя консумират мощност, причинявайки само 50% използване на мощност.

Усилватели клас AB: Усилвателите от тази категория имат ниво на ефективност някъде между това от клас A и клас B, но възпроизвеждането на сигнала е по-лошо в сравнение с клас A.

Усилватели от клас C: Те се считат за изключително ефективни по отношение на консумацията на енергия, но възпроизвеждането на сигнала е най-лошото с много изкривявания, което води до много лоша репликация на характеристиките на входния сигнал.

Как работят усилвателите от клас А:

Усилвателите от клас А имат идеално пристрастни транзистори в активната област, което прави възможно входният сигнал да бъде точно усилен на изхода.

Поради тази перфектна характеристика на отклонение, транзисторът никога не може да се отклонява към своите отсечени или свръхнаситени области, в резултат на което усилването на сигнала е правилно оптимизирано и центрирано между посочените горни и долни ограничения на сигнала, както е показано по-долу изображение:

В конфигурация от клас А, идентични набори транзистори се прилагат през две половини на изходната форма на вълната. И в зависимост от вида на пристрастието, което използва, транзисторите с изходна мощност винаги се визуализират в включено положение, независимо дали входният сигнал е приложен или не.

Поради това усилвателите от клас А получават изключително ниска ефективност по отношение на консумацията на енергия, тъй като действителното доставяне на мощност към изхода се затруднява поради излишното разхищение при разсейване на устройството.

С горната обяснена ситуация, клас усилватели могат да се видят винаги с прегряти транзистори на изходна мощност, дори при липса на входен сигнал.

Дори и да няма входен сигнал, DC (Ic) от захранването може да тече през силовите транзистори, което може да бъде равно на тока, протичащ през високоговорителя, когато е бил наличен входния сигнал. Това поражда непрекъснати „горещи“ транзистори и загуба на мощност.

Работа с усилвател клас B

За разлика от конфигурацията на усилвател клас A, която зависи от единични силови транзистори, клас B използва двойка допълващи BJT във всяка половина секции на веригата. Те могат да бъдат под формата на NPN / PNP или N-канал MOSFET / P-канал MOSFET).

Тук на един от транзисторите е позволено да провежда в отговор на цикъла на половината форма на вълната на входния сигнал, докато другият транзистор обработва другата половина на цикъла на формата на вълната.

Това гарантира, че всеки транзистор в двойката провежда половината от времето в активната област и половината от времето в граничната зона, като по този начин позволява само 50% участие в усилването на сигнала.

За разлика от усилвателите от клас А, в усилвателите от клас В силовите транзистори не са предубедени с директен постоянен ток, вместо това конфигурацията гарантира, че те провеждат само докато входният сигнал е по-висок от напрежението на базовия емитер, което може да бъде около 0,6 V за силициеви BJT.

Това означава, че когато няма входен сигнал, BJT остават изключени и изходният ток е нула. Поради това само 50% от входния сигнал е разрешено да влезе в изхода във всеки случай, което позволява много по-добра степен на ефективност за тези усилватели. Резултатът може да бъде засвидетелстван в следната диаграма:

Тъй като няма пряко участие на DC за отклоняване на силовите транзистори в усилватели от клас B, за да се започне провеждането в отговор на всеки половин цикъл +/- форма на вълната, става задължително за тяхната база / излъчвател Vbe за придобиване на по-висок потенциал от 0,6 V (стандартна базова отклонителна стойност за BJT)

Поради горния факт, това предполага, че докато изходната форма на вълната е под знака 0.6V, тя не може да бъде усилена и възпроизведена.

Това води до изкривена област за изходната форма на вълната, точно по време на периода, когато един от BJT се изключва и чака другият да се включи отново.

Това води до това, че малка част от формата на вълната е подложена на незначителни изкривявания по време на периода на пресичане или на преходния период близо до нулевото пресичане, точно когато преминаването от един транзистор към друг се случва в допълващи се двойки.

Работа с усилвател клас AB

Усилвателят от клас AB е изграден, използвайки смесени f характеристики от схеми от клас A и клас B, откъдето идва и името Class AB.

Въпреки че дизайнът на клас AB работи и с двойка допълващи BJT, изходният етап гарантира, че отклонението на мощността BJT се контролира близо до граничния праг, при липса на входен сигнал.

В тази ситуация, веднага щом се усети входен сигнал, транзисторите започват да работят нормално в своята активна област, като по този начин възпрепятстват всяка възможност за кръстосано изкривяване, което обикновено е разпространено в конфигурации от клас В. Въпреки това, може да има малко количество ток на колектора, провеждащ през BJT, количеството може да се счита за незначително в сравнение с дизайна от клас А.

Усилвателят от клас AB показва много подобрена степен на ефективност и линейна реакция, за разлика от колегата от клас A.

Клас AB усилвател изходна форма на вълната

Класът на усилвателя е важен параметър, който зависи от начина на преминаване на транзисторите през амплитудата на входния сигнал, за изпълнение на процеса на усилване.

Той разчита на това каква част от величината на формата на вълната на входния сигнал се използва за провеждане на транзисторите, както и коефициентът на ефективност, който се определя от количеството мощност, реално използвано за доставяне на изхода и / или загубено чрез разсейване.

По отношение на тези фактори можем най-накрая да създадем доклад за сравнение, показващ разликите между различните класове усилватели, както е дадено в следващата таблица.

След това можем да направим сравнение между най-често срещаните видове класификации на усилвателите в следващата таблица.

Класове на усилвателя на мощност

Финални мисли

Ако усилвателят не е проектиран правилно, като например дизайн на усилвател клас А, може да се наложи значително охлаждане на захранващите устройства, заедно с охлаждащи вентилатори за операциите. Такива проекти също ще се нуждаят от по-големи входове за захранване, за да компенсират огромното количество енергия, загубена в топлина. Всички подобни недостатъци могат да направят такива усилватели много неефективни, което от своя страна може да доведе до постепенно влошаване на състоянието на устройствата и в крайна сметка откази.

Следователно може да е препоръчително да изберете усилвател от клас B, проектиран с по-висока ефективност от около 70%, за разлика от 40% от усилвател от клас А. Казано е, че усилвател от клас А може да обещае по-линеен отговор със своето усилване и по-широка честотна характеристика, въпреки че това идва с цена на значителни загуби на мощност.