Электронные усилители к основные характеристика. Электронные усилители в промышленной электронике. Усилители высокой частоты
Лекция №
Устройства, предназначенные для усиления электрических сигналов с помощью электронных приборов, называются электронными усилителями.
Основным классификационным признаком является диапазон частот
сигналов.
По этому признаку различают следующие типы усилителей:
1. УНЧ – частотный спектр от десятков герц до десятков килогерц.
Что будем делать с полученным материалом
Усилитель является одним из наиболее часто используемых электронных устройств в мире. Это основной строительный блок из большого количества схем и поставляется в различных формах. Усилители можно определить просто как электронное устройство, которое увеличивает мощность сигнала. Другими словами, он увеличивает амплитуду сигнала и делает его сильнее, чем данный вход. Хотя это звучит просто, теоретически, усилители имеют множество параметров и условий в реальном мире. Усиление никогда не бывает абсолютно эффективным, всегда есть потери, искажения и шум.
2. УПТ - (усилители медленно меняющихся сигналов). Частотный диапазон от до кГц. Усиливают как постоянную составляющую, так и переменную составляющую.
3. Избирательные (селективные) усилители – усиливающие сигнал в очень полосе частот. Это резонансные или узко частотные усилители.
Основные параметры электронных усилителей
Таким образом, создается целая мощность усилителей, которые лучше всего работают в разных ситуациях. Не все усилители обеспечивают оптимальную производительность во всех ситуациях, и всегда есть факторы затрат. Итак, вот все типы усилителей и все, что вам нужно знать о них!
Важные характеристики усилителя
Качество усилителя измеряется рядом спецификаций, называемых цифрами достоинства. Усиление: возможно, самое важное, соотношение между величинами входных и выходных сигналов. Линейность: степень пропорциональности входных и выходных сигналов. Эффективность: Еще одна очень важная характеристика - это соотношение между выходной мощностью и потребляемой мощностью. Выходной динамический диапазон: отношение между максимальным и наименьшим полезными уровнями выходного сигнала.
- Полоса пропускания: диапазон частот, с которым может работать усилитель.
- Шум: количество нежелательной дополнительной информации, включенной в выход.
- Скошенная скорость: максимальная скорость изменения выходной мощности.
- Стабильность: способность обеспечить постоянный и надежный выход.
4. Широкополосные (импульсные) усилители, усиливающие широкую полосу частот (от нескольких килогерц и ниже до нескольких мегагерц и выше). Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи (радиолокации и телевидения). Часто эти усилители называются видеоусилителями.
Основные технические показатели усилителей
Текущий усилитель: Как следует из названия, усилитель, который делает данный входной ток выше. Усилитель напряжения: усилитель, который усиливает заданное напряжение для большего выходного напряжения. Усилитель сопротивления: усилитель, который меняет выходной ток в соответствии с изменением входного напряжения. Усилитель сопротивления перегрузки: усилитель, который изменяет выходное напряжение в зависимости от изменения входного тока. Он также известен как преобразователь тока в напряжение.
- Он характеризуется низким входным импедансом и высоким выходным сопротивлением.
- Он характеризуется высоким входным импедансом и низким выходным сопротивлением.
Важнейшим техническими показателями усилителей является:
1.Коэфициенты усиления (по напряжению, току и мощности).
2. Входное и выходное сопротивление.
3. Входная мощность.
4. Коэффициент полезного действия.
5. Номинальное входное напряжение (чувствительность).
6. Диапазон усиливающих частот.
7. Динамический диапазон амплитуд.
Хотя это и не является технически подобным типом, усилитель мощности является общим термином, который относится к количеству энергии, обеспечиваемой схемой питания или количеству энергии, подаваемой на нагрузку. Опять же, мы рассмотрим классификации усилителей мощности, в частности, немного, так как они очень важны. Операционные усилители: Еще один очень важный тип, операционный усилитель - это интегральная схема, которая действует как усилитель напряжения и имеет дифференциальный вход. Он имеет положительный и отрицательный вход, но один выход с очень высоким коэффициентом усиления. Клапанные вакуумные трубчатые усилители: усилитель, который использует вакуумные трубки для обеспечения увеличения мощности или напряжения, известен как усилитель вакуумной лампы клапана. В приложениях с высокой степенью мощности они все еще используются из-за их экономической эффективности и качества выпуска. Транзисторные усилители: известный тип усилителя, специально для студентов-инженеров, транзисторный усилитель - это многоконтактный высокопроизводительный усилитель, который использует транзисторы в качестве рабочей базы. К ним относятся биполярные переходные транзисторы и полупроводниковые полевые транзисторы с оксидом металла. Клистрон: специальный тип вакуумной трубки с линейным пучком, используемый в качестве усилителя на высоких радиочастотах. Он очень точен и используется в крупномасштабных операциях, обычно под микроволновыми усилителями. Инструментальные усилители: специально разработанные усилители для усиления звука, голоса или музыки. Используется в основном в приложениях для музыкальных инструментов. Распределенные усилители. Усилители, которые используют линии передачи для временного разделения входа и индивидуального усиления каждого сегмента, называются распределенными усилителями. Они обычно встречаются в осциллографах.
- Усилители мощности.
- Он обычно используется на последних выходных каскадах схемы.
8. Уровень собственных помех.
9. Показатели, характеризующие уровень: - нелинейных, частотных, фазовых искажений усиливаемого сигнала.
Коэффициент усиления
Коэффициентами усиления по напряжению называется величина, показывающая во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше чем на входе:
Для многокаскадных усилителей отсутствует коэффициент усиления, равен произведению коэффициентов отдельных каскадных.
Существует огромное количество приложений в мире, и для большинства из них есть усилитель. Теперь наиболее известные типы усилителей - это не те, которые описаны выше, а типы усилителей мощности. Часто путаются как единственные категории усилителей, они на самом деле являются типами усилителей мощности и классифицируются на основе доли входного цикла, в течение которого усилитель дает выход. Доля активного входного цикла также известна как угол проводимости. Например, угол проводимости на 360 градусов означает, что устройство всегда включено, угол проводимости на 180 градусов означает, что устройство включено только на половину каждого цикла.
|
|
|
= * * или =
Здесь - безразмерная величина, причём довольно большая. В электронике получил распространение способ записи в логарифмических единицах - децибелах
Обратный переход: =
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя в логарифмических единицах:
Некоторые функциональные виды усилителей
Ниже описаны различные типы усилителей мощности. Это самый простой и наиболее распространенный тип усилителя мощности из-за низкого уровня искажений сигнала. Однако он имеет свою долю недостатков и обычно не используется в приложениях с высокой степенью мощности.
Некоторые из его характеристик. Говоря простыми словами, эти усилители усиливают только половину входного цикла. На бумаге, который, вероятно, звучит непригодным, но на самом деле это совсем другое. Использует 2 дополнительных транзистора, по одному для положительного и отрицательного циклов. Требуется не менее 7 В для начала проводки, что означает, что все, что под ней не регистрируется, поэтому не может быть используется для точных приложений. Комбинирует 2 пол цикла, чтобы сформировать один полный цикл.
- Значительно более высокая эффективность, около 75-5%.
- Малая тепловая мощность.
- Стабильная и надежная.
Коэффициент усиления по току:
Коэффициент усиления по мощности:
;
Входное и выходное сопротивление
Усилитель можно рассматривать как четырёхполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным сопротивление нагрузки.
Таким образом, угол проводимости находится где-то около 180 градусов и 360 градусов, обычно в некоторых случаях это обозначается как 270 градусов. Вот его характеристики. Это самый эффективный, но имеет самый низкий рабочий цикл и линейность. Поскольку он сильно предвзято, он остается включенным менее чем на половину входного цикла и, следовательно, имеет проводящий угол где-то около 90 градусов. Они используются в некоторых радиочастотных приложениях, где эффективность является ключевой. Его наиболее важные характеристики.
Это нелинейный коммутационный усилитель, в котором два транзистора функционируют как переключатели вместо линейных усилительных устройств. Он преобразует аналоговый сигнал в цифровой с помощью широтно-импульсной модуляции, модуляции плотности импульсов или чего-то подобного до усиления. Конечным результатом является циклический выход с высокой эффективностью и коэффициентом усиления без чрезмерного искажения.
Входное сопротивление усилителя – это сопротивление между входными зажимами усилителя:
Выходное сопротивление определяют между выходными зажимами усилителя, при отключенном сопротивлении нагрузки .
Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении.
Хотя они первоначально использовались для управления двигателями, они теперь используются как усилители мощности звука. Высокая эффективность, теоретически может быть 100% Низкая рассеиваемая мощность Потребление низкой мощности Более сложное, чем другие типы усилителей мощности Точный и точный выход. И все дело в усилителях!
Усилители могут быть указаны в соответствии с их свойствами ввода и вывода. Они имеют некоторый коэффициент усиления или коэффициент умножения, связывающий величину выходного сигнала с входным сигналом. Во многих случаях при вводе и выводе в одних и тех же единицах коэффициент усиления будет единичным; для других это не обязательно так - например, усилитель с поперечной проводимостью имеет коэффициент усиления с единицами проводимости.
При активном сопротивлении нагрузки:
где - действующее - амплитудное значение выходного напряжения.
Коэффициент полезного действия (КПД)
где - мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания
В большинстве случаев усилитель должен быть линейным, то есть коэффициент усиления должен быть постоянным для любой комбинации входного и выходного сигналов. Если коэффициент усиления не является линейным, т.е. путем отсечения выходного сигнала в пределах его возможностей, выходной сигнал искажается.
Существует множество альтернативных классификаций, которые затрагивают различные аспекты конструкций усилителей, и все они выражают определенную перспективу, связанную с параметрами проектирования с целями схемы. Конструкция усилителя всегда является компромиссом многих факторов, таких как стоимость, энергопотребление, недостатки устройства в реальных условиях и множество характеристик производительности. Ниже приведены несколько различных подходов к классификации.
Номинальное входное напряжение (чувствительность)
Это напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающая заданную мощность, тем выше чувствительность усилителя.
Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя).
Четыре типа зависимого источника; управляющая переменная слева, выходная переменная справа. Электронные усилители используют две переменные: ток и напряжение. Либо может использоваться как вход, либо как выход, приводящий к четырем типам усилителей. В идеализированной форме они представлены каждым из четырех типов зависимого источника, используемого в линейном анализе, как показано на рисунке, а именно.
Каждый тип усилителя в идеальной форме имеет идеальное входное и выходное сопротивление, которое совпадает с сопротивлением соответствующего зависимого источника. На практике идеальные импедансы только приближены. Для любой конкретной схемы часто используется анализ малого сигнала, чтобы найти фактически достигнутое полное сопротивление.
Называется область частот, в которой коэффициент усиления усилителя изменяется не более, чем в раз.
Уровень собственных помех.
Собственные помехи делятся:
- Тепловые шумы
- Шумы усилительных элементов
- Шумы из-за пульсаций напряжения питания и наводок, со стороны внешних и магнитных полей.
- Тепловой шум вызван случайным явлением электронов в веществе под влиянием тепловой энергии, получаемой от окружающей среды.
Действующее значение теплового шума:
Один набор классификаций для усилителей основан на том, какой терминал устройства является общим как для входной, так и для выходной схемы. В случае транзисторов с биполярным соединением три класса являются общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Для полевых транзисторов соответствующие конфигурации - это общие ворота и общий сток; для триодных вакуумных устройств, общего катода, общей сетки и общей пластины.
Когда усилитель имеет выход, который не имеет обратной связи со своей входной стороной, он называется односторонним. Одним из следствий является то, что усилитель имеет входной импеданс, который не зависит от нагрузки, подключенной к усилителю, и выходной импеданс, который не зависит от источника сигнала, приводящего в действие усилитель.
где - постоянная Больцмана
- температура в К
R – величина сопротивления
Мощность теплового шума, имеет равномерную частотную характеристику. Такой шум называют белым (шум Джонсона).
Напряжение шумов, также может возникнуть из-за неравномерности движения носителей электрических зарядов через усилитель. Это изменение вызывает шумовой ток. Это - дробовой шум.
Действующее значение шумового тока:
кг – заряд электрона
Среднее значение постоянного тока
Полоса пропускания усилителя
Это также белый шум- т.е. частотнонезависимый.
Фликкер шум – вызван изменением скоростей электронов, обусловленных дефектами полупроводникового элемента. Этот шум называют также шумом, т.е. он увеличивается с уменьшением частоты.
Помехи, из-за пульсации напряжения питания, а также наводки со стороны внешних и магнитных полей.
Для уменьшения этих помех используют:
- Дополнительные сглаживающие фильтры на выходе источников питания
- Тщательную экранировку наиболее ответственных цепей усилителя (в основном входных)
Динамический диапазон амплитуд –это отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя.
Графическая зависимость усилителя, на некоторой не изменой частоте называется амплитудной характеристикой.
|
где - определяется уровнем собственных шумов усилителя.
При - расходится с идеальной (прямая линия), обусловленная перегрузкой усилителя со стороны элементов входа.
Реальный усилитель усиливает без заметных искажений напряжения в диапазоне:
Отношение амплитуд наиболее сильного и наиболее слабого сигналов на входе усилителя называют динамическим диапазоном амплитуд. Его обычно выражают в децибелах:
Искажения в усилителях
Нелинейные искажения - изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которою эти колебания проходят.
Основная причина – нелинейность характеристик усилительных элементов.
Появление нелинейных искажений сигнала из-за нелинейности входной характеристики транзистора.
В результате нелинейности характеристики транзистора, форма входного тока отличается от синусоидальной. Это приводит к искажению формы выходного тока и выходного напряжения.
В результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники. Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивается величиной коэффициента нелинейных искажений(коэффициент гармоник).
- мощности гармоник
Р 1 - мощность первой (основной) гармоники.
При
где - действующие (амплитудные) значения соответствующих гармоник входного напряжения.
обычно выражают в процентах.
Общая величина нелинейных искажений на выходе усилителя, созданных отдельными его каскадами, определяется по формуле:
Частотные искажения – искажения обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах.
Причина – наличие в схеме усилителя реактивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных ёмкостей, ёмкости монтажа и т.д.).
Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по его амплитудно - частотной характеристике – зависимости коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала.
Степень искажений на отдельных частотах выражают коэффициентом частотных искажений: М
где коэффициенты усиления на средней частоте
Коэффициент усиления на данной частоте
Обычно определяют коэффициенты искажения на границах диапазона:
где коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона
Из определения М следует:
если М>1, то частотная характеристика в области данной частоты имеет завал;
Термин усилитель весьма многозначен. Это может быть гидроусилитель, хорошо известный автомобилистам, магнитный усилитель, применявшийся когда-то в системах автоматики. Также известны электромеханические и релейные усилители.
Принцип работы всех усилителей одинаков: под воздействием слабого управляющего сигнала на выходе усилителя появляется мощный выходной сигнал. Естественно, что для получения выходного сигнала большой мощности требуется внешний источник энергии.
Например, на управление катушкой реле требуется мощность в доли ватта, в то время, как контакты могут коммутировать нагрузку в несколько киловатт. Что называется, налицо усиление по мощности. Но в этой статье будут вкратце рассмотрены только электронные усилители.
Именно они являются наиболее распространенным узлом различных приборов и устройств. В зависимости от выполняемой функции, от природы входного сигнала, усилители разделяются на несколько типов. В одном случае это, например, а в другом музыка, речь или сигнал телевизионной антенны, работающей в дециметровом диапазоне волн.
Но все электронные усилители объединяет то, что они используют явление электропроводимости в различных средах. Прежде всего это вакуум (электронные лампы) и полупроводники ( и микросхемы).
Большая часть электронных усилителей в настоящее время выполнена на полупроводниках, конструкции на лампах используются любителями очень качественного звука, меломанами, и еще там, где без ламп обойтись невозможно.
Усилители конструктивно могут быть как отдельным устройством, так и составной частью какого-либо прибора, например измерительного.
Усилители постоянного тока (УПТ)
Эти усилители работают в диапазоне частот от нуля до некоторой верхней частоты. Другими словами они способны усиливать постоянное напряжение. При этом, конечно же, усиливается и переменная составляющая сигнала. Схема, если не всего, то какой-то части УПТ показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема усилителя постоянного тока
Для того, чтобы иметь возможность усиливать «постоянку», связь между каскадами выполняется с помощью резисторов, диодов, стабилитронов или вовсе непосредственно. Именно этот вариант и показан на рисунке 1. Наиболее широкое применение УПТ находят в , преобразователях неэлектрических величин, в измерительных приборах, в усилителях сигналов разных датчиков.
УПТ являются также основой для создания операционных усилителей (ОУ), которые широко применяются в различных приборах. Собственно, все УПТ в настоящее время строятся на основе ОУ, достоинства которых широко известны и не подлежат никакому сомнению.
На рисунке 2 показана схема УПТ на базе операционного усилителя. Как видно, она намного проще предыдущей, хотя параметры ее намного лучше.
Рисунок 2. УПТ на основе ОУ
Усилители переменного тока
Усилители переменного тока отличаются от УПТ тем, что усиливают лишь переменную составляющую входного сигнала. В качестве примера на рисунке 3 показан микрофонный усилитель для динамического микрофона типа МД-52 или ему подобным, которым комплектовались отечественные магнитофоны.
Рисунок 3. Микрофонный усилитель
На входе и выходе усилителя, выполненного на микросхеме, установлены разделительные конденсаторы, что позволяет пропустить через усилитель только переменную составляющую сигнала.
Такая схема называется также микрофонным усилителем. Будучи подключенной к звуковой карте компьютера упомянутый микрофон позволяет получить прекрасный звук, гораздо лучший, нежели при помощи китайского компьютерного микрофона.
Усилитель прекрасно работает даже от +5В, поэтому запитать его можно от разъема USB, или вывести 12 вольт из компьютера. Налаживания устройство не требует, начинает работать сразу. Малое количество деталей позволяет собрать эту схему навесным монтажом, используя выводы деталей. При этом следует стремиться, чтобы соединения были как можно короче. Это спасет от наводок и помех.
Усилители высокой частоты
Применяются в основном в радиоприемниках и телевизорах. Их назначение несколько усилить входной сигнал, например, от антенны. Далее происходит супергетеродинное преобразование, и дальнейшее основное усиление происходит на промежуточной частоте. Спецификой таких усилителей является применение ВЧ транзисторов, а также особенности монтажа устройства. Подобный монтаж можно увидеть, если открыть радиочастотный блок любого современного телевизора.
Полосовые усилители
Полосовые усилители предназначены для усиления сигналов в узком диапазоне частот. В качестве примера можно привести усилители промежуточной частоты (УПЧ). Полоса частот в таких усилителях обеспечивается за счет колебательных контуров и фильтров сосредоточенной селекции (ФСС) или пьезокерамических фильтров (ПКФ). Ведь усилить сигнал в узкой полосе частот намного проще, чем создавать очень широкополосный усилитель.
Кроме уже упомянутых усилителей существует весьма большое количество из разновидностей, вот еще некоторые из них.
Предварительные усилители
Их назначение усилить сигнал от слабого источника до уровня, приемлемого для дальнейших каскадов. Например, поднять уровень магнитофонной приставки до входного уровня оконечного усилителя звуковой частоты. Предварительный усилитель также может включать в себя регуляторы тембра и громкости.
Для воспроизведения грамзаписи с виниловых дисков применяются специальные предварительные усилители-корректоры, формирующие частотную характеристику для работы с головкой звукоснимателя. Когда музыку записывали и слушали на магнитофонах, в ходу были усилители записи и воспроизведения. Назначение таких усилителей состояло в формировании требуемой частотной характеристики канала запись - воспроизведение.
Измерительные усилители
Чаще всего применяются в измерительных приборах, средствах автоматики, контроллерах управления промышленным оборудованием. Эти усилители также называют инструментальными. Они обладают очень малым собственным шумом, очень большим коэффициентом усиления (при разорванной цепи ОС) и очень большим коэффициентом подавления синфазных помех. Такие очень высокие характеристики достигаются применением определенного соединения нескольких ОУ. Вот, как много всяких «очень» у измерительных усилителей. На рисунке 4 показана классическая схема инструментального усилителя.
Рисунок 4.
Наряду с этой схемой широкое применения находят также схемы на одном ОУ или двух. Встречаются и более сложные конструкции. В последнее время измерительные усилители выпускаются в интегральном варианте,- все что показано на рисунке 4 умещается в одном корпусе, при этом количество подстроечных элементов минимально, как правило, один внешний резистор. На рисунке 4 это R1, а на рисунке 5 резистор RG (GAIN).
Внутреннее устройство интегрального измерительного усилителя типа AD623, естественно, упрощенная схема показано на рисунке 5 . Отличительная особенность этого усилителя малая цена и способность работать с однополярным питанием.
Рисунок 5. Схема интегрального измерительного усилителя типа AD623
Более подробно про электронные усилители вы можете узнать .