Основные характеристики электронных усилителей. Общие сведения об электронных усилителях. Классификация усилительных устройств
Электронные усилители
Рис. 36. Схемы сглаживающих фильтров
Рис. 35. Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки обмотки трансформатора
Схема выпрямителя показана на рис. 35. Необходимым элементом выпрямителя является силовой трансформатор Тр с двумя вторичными обмотками n=ω 1 /ω 2-1 =ω 1 /ω 2-2 . Схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно общей (нулевой) точки сдвинуты по фазе на 180°. Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам диодов Д 1 , Д 2 . Выходное напряжение U d снимается между нулевой точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих диодов. Принцип действия схемы рассмотрим для случая чисто активной нагрузки R Н. При поступлении полуволны напряжения u 1 положительной полярности на вторичных обмотках трансформатора действуют напряжения u 2-1 и u 2-2 с полярностью относительно нулевой точки, показанной на рис. 35 без скобок. К аноду диода Д 1 относительно нулевой точки прикладывается напряжение положительной полярности, а к аноду диода Д 2 - отрицательной. При указанной полярности напряжений на анодах диод Д 1 на интервале 0 -π открыт, а диод Д 2 закрыт. Поскольку в открытом состоянии падение напряжения на диоде мало, практически все напряжение u 2-1 прикладывается к нагрузке R H, создавая на ней напряжение u d . На данном интервале анодный ток диода равен току нагрузки i a1 =i d =u 2-1 /R H . В конце интервала 0-π напряжения и токи в схеме достигают нулевых значений.
Это связано с очень низким токовым выходом этого типа усилителя. Затем эти полуволны переходят в отдельный транзистор и усиливаются. Однако эта технология усилителя чаще встречается, когда речь идет об усилении речи - например, при использовании мегафона. То есть, эти усилители могут переключаться между обеими методами и, таким образом, работать относительно эффективно, не слишком искажая их. В результате мы нашли эти усилители сегодня в основном в небольших устройствах. Поэтому везде, где мало места.
Интересные продукты для этого поста
Как конечный пользователь, не обязательно думать о различных классах усилителей, потому что современные средние усилители среднего класса очень похожи в любом случае. Поэтому, конечно, полезно понять основной принцип классов усилителей. Уже знает он, он уже знает, почему эти устройства настолько щедры, жаркие и все еще очень популярны. Они представляют собой классику среди усилителей мощности. Их недостатком является их низкая эффективность. Большая часть энергии теряется как тепло. Это цифровой усилитель.
При поступлении напряжения u 1 отрицательной полярности полярность напряжений на вторичных обмотках становится обратной. В проводящем состоянии находится диод Д 2 , а диод Д 1 закрыт. К нагрузке R H прикладывается напряжение u 2-2 определяющее напряжение u d той же полярности, что и на предшествующем интервале. Теперь токи в схеме определяются полуволной напряжения положительной полярности u 2-2:i d =i a2 =u 2-2 /R H . В последующем процессы в схеме повторяются: поочередно проводят ток то диод Д 1 ,то диод Д 2 .
Здесь выходной ток всегда переключается между максимальным и нулевым. Усилитель класса А представляет собой транзисторную схему с транзистором, работающим в линейной части его характеристики. Его рабочая точка находится в середине характерной линии. Рабочее напряжение делится между коллекторным резистором и эмиттерным резистором. Поэтому линейность усилителя очень хорошая. Однако эффективность часто бывает только в одноразрядном процентном диапазоне. Из-за постоянно протекающего тока потребляемая мощность усилителя практически не зависит от мощности, производимой в громкоговорителе.
Фильтрацию выпрямленного напряжения осуществляют обычно путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих ф и л ь т р о в . Виды выходных сигналов однополупериодного выпрямителя без фильтра и с простейшим емкостным фильтром приведены на рисунке ниже.
Однако зависящее от цепи чередование между положительной и отрицательной полуволнами не является идеальным. Результатом является искажение и неприемлемое качество звука. Теоретически теоретически до 78%. Схема также состоит из двух транзисторов. С помощью схемно-ориентированного расширения протекают ток покоя, который уменьшает искажения при переходе от положительной к отрицательной полуволне или наоборот. Тем не менее, потребление электроэнергии растет из-за постоянного потока выхода на пенсию. Эффективность от 60 до 70 процентов.
Здесь аудиосигнал не усиливается, но синусоидальный сигнал с широтно-импульсной модуляцией генерируется и подается через цифровой усилитель. После этого низкочастотные компоненты усиленного сигнала отфильтровываются с помощью фильтра нижних частот. Требования к компонентам соответственно высоки. Конструкция схемы не совсем тривиальна. Очень быстро был изготовлен помех.
Сглаживающие фильтры выполняют на базе реактивных элементов - индуктивностей (катушку с сердечником называют дроссель) и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и наоборот-для постоянного тока. Указанные свойства этих элементов используют при построении простейших сглаживающих фильтров: сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор - параллельно ей. Виды сглаживающих фильтров показаны на рис. 36. На рис. 36, а, б представлены схемы простейших одноэлементных сглаживающих фильтров, выполненных соответственно на базе дросселя L ф и конденсатора С ф; на рис. 3.28, в - схема однозвенного Г-образного LC-фильтра, а на рис. 3.28, г - схема двухзвенного сглаживающего фильтра с использованием двух Г-образных LС-фильтров. Путем надлежащего выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций.
Акцент делается на «до». Но этот случай встречается редко в аудио усилителях. Мнение клиента: Моя похвала - это четкое и красивое представление и хорошее дидактическое лечение. Редко эти схемы так хорошо объясняют, что с ними все еще весело. Электрофоны, состоящие из электрона, древнегреческого языка для «янтаря» и телефона для «звука», группы музыкальных инструментов, которые требуют электрического тока для производства звуков; звук звучит по следующей цепочке электроакустических устройств.
Электрофоны подразделяются на несколько больших групп, которые отличаются типом генерации тона. Однако, общий для всех электрофонов заключается в том, что звук, создаваемый ими, представляет собой переменное напряжение и поэтому требует электрического усиления; это усиленное переменное напряжение в конечном итоге звучит с помощью звуковых преобразователей - наушников, динамиков. Размер объема зависит от этой электроакустической цепи - усилителей, громкоговорителей - выключен. Тем не менее, другие звукопоглощающие электрические устройства, такие как фильтры и ревербераторы, также могут быть вставлены в эту цепь, изменяя звук звука, создаваемого инструментом.
Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так, для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам рис. 36 а, в, г, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный х а р а к т е р, а для сглаживающего фильтра, выполненного по схеме рис. 36 б, - активно-емкостный характер.
В этом смысле цепь передачи принимает задачи, для которых резонансный орган отвечает за обычные инструменты. Фактически, интерфейс между генератором и электрическим резонатором можно найти почти в каждом электрофоре. Конечно, с помощью микрофона, усилителя и громкоговорителя из любого инструмента - фортепиано, скрипки, трубы - может быть выполнен электроакустический инструмент, в котором звук, производимый прибором, звучит как звук, но в последующей электроакустической цепочке он увеличивается в объеме а также обертонный спектр.
Однако обычный инструмент еще не является электрофоном. Таким образом, обычные инструменты, звук которых просто электрически усилен и изменен, не могут считаться электрофорезом. Поэтому в более узком смысле это относится к электрофоническим приборам, для которых для генерации звука и резонансных элементов абсолютно необходимо использование электрического тока. Это электромеханические и электронные приборы.
Между сглаживающим фильтром и нагрузкой иногда подключают стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с крайне важно й точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.
Усилитель - ϶ᴛᴏ устройство, преобразующее маломощный входной сигнал в подобный, но более мощный выходной.
В электромеханических приборах звук создается вибрациями механически возбужденного элемента в соответствии с обычными приборами. Это могут быть струны, языки или палочки, поэтому они все металлические элементы. Эти колебания подбираются электромагнитными датчиками, так называемыми, и преобразуются в переменное напряжение, аналогичное колебаниям. Это звуковое напряжение затем подается в цепь электроакустической передачи.
Вторая большая группа приборов в электрофонах - это электронные приборы, приборы, чье тональное напряжение генерируется электрическими средствами, поэтому для снятия звука не требуются пикапы. Звук создается в этих приборах электронными осцилляторами различных типов, колеблющимися цепями, в которых отдельные компоненты могут непрерывно изменяться по электрической ценности; например, емкости конденсаторов, значения сопротивления для изменения напряжений и индуктивности катушек. К фактической генерации колебаний в прошлом использовались лампы накаливания и электронные трубки, более поздние транзисторы и интегральные схемы.
Учитывая закон сохранения энергии, усилитель рассматривают как многополюсник, в котором помимо входной и выходной цепей есть цепь для поступления энергии от источника питания (рис. 37).
Рис. 37. Структурная схема усилителя: 1 – входная цепь; 2 – предварительный усилитель; 3 – промежуточные каскады; 4 – оконечный каскад; 5 – источник питания.
Внутри синтезаторов есть и другие подгруппы; примерно они делятся на аналоговые и цифровые устройства. Аналогично, выбранная форма синтеза - субтрактивная или аддитивная - играет определенную роль. В дополнение к этим двум крупным группам - электромеханическим приборам и электронным инструментам - инструменты теперь составляют большую группу, звукогенерация которой основана на программном обеспечении, то есть на алгоритмах. С одной стороны, это так называемые программные синтезаторы, которые являются либо подлинными новыми разработками, либо имитируют известные синтезаторы.
Входная цепь предназначена для согласования с источником сигнала, как по амплитуде, так и по сопротивлению. Как правило, требуется обеспечение большого входного сопротивления, что обеспечивается предварительным усилительным каскадом. Для получения требуемого коэффициента усиления может потребоваться многокаскадный усилитель. Основное усиление сигнала обеспечивается в промежуточных каскадах. Оконечный каскад – усилитель мощности. Он обеспечивает согласование усилителя с нагрузкой. Для обеспечения максимальной выходной мощности требуется выполнение равенства Rвых=Rнагр (режим согласования).
Также для этой группы должны учитываться инструменты, генерирование звука которых основано на так называемом виртуальном моделировании, то есть вычислительном имитации механических осцилляторов. Другая группа в электрофонах - это пробоотборники, инструменты, основой для генерации звука которых являются оцифрованные звуки достоверных источников. Пробоотборники нельзя рассматривать как подгруппу электрофонов в смысле точной классификации, поскольку они сами не могут производить звук, а только хранят и обрабатывают предопределенные звуки.
В схеме ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. Схема и выходные характеристики изображены на рис. 38:
Рис 38. Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером
Например, сэмплер можно использовать для создания произвольных звуков для дизайна музыки. Представление электрофонов было бы неполным без классификации электроакустической цепи передачи. Используемые здесь устройства можно условно разделить на устройства, которые либо служат для управления томом, либо для управления обертонным спектром, либо для управления временной прогрессией звука. В частности, они представлены в виде трубной или полупроводниковой технологии, звуковых преобразователей, то есть различных типов, фильтров и, наконец, устройств и устройств Холла.
Видно, что схема стала очень сложной. При этом главное, что здесь есть - ϶ᴛᴏ резистор
R к , на котором происходит падение напряжения от тока, проходящего через транзистор, резистор, который определяет коэффициент усиления по напряжению, и который составляет от единиц килоом до мегома (чем больше данный резистор, тем больше усиление). Все остальные элементы более или менее условны.
Все устройства в электроакустической цепочке могут быть отнесены к одному из этих параметров: например, компрессоры относятся к группе манипуляторов тома или к группе фильтров, устройств хоруса к группе устройств, работающих с манипуляцией по времени.
Возможности современных технологий, в данном случае и музыкальной электроники, также порождают различные формы смешивания. Итак, есть синтезаторы, генерация которых частично основана на образцах, а также есть усилители, которые имитируют любые усилители с помощью образцов; также различные аппараты Холла и программное обеспечение Холла, лежащие в основе работы с образцами.
Прежде всего R э крайне важно для термостабилизации транзистора. Это осуществляется за счёт обратной связи по постоянному току. С э – конденсатор, который шунтирует данный резистор на рабочих частотах, так что при переменном сигнале резистора нет. Этот конденсатор – несколько мкФ. Обычно это электролитический конденсатор.
Усилитель. Уровни электронных схем увеличивают ток, напряжение или силу сигнала, которые применяются к вашему входу; увеличенный сигнал получается на выходе. Чтобы усилить мощность, необходимо получить питание от внешнего источника питания. В этом смысле усилитель можно рассматривать как модулятор выхода источника питания.
Общая концепция Усилителя: устройство для увеличения амплитуды или мощности электрического сигнала. Он используется для усиления слабого электрического сигнала, захваченного антенной радиоприемника, слабого излучения фотоэлемента, ослабленного тока междугородной телефонной сети, электрического сигнала, представляющего звук в системе общедоступных адресов, и для многих других приложений. Обычно используемым устройством усиления является транзистор.
С р – разделительные конденсаторы, которые отделяют постоянную составляющую сигнала на входе и выходе схемы от внешних сигналлов. Обычно это несколько мкФ.
R б1 – важный резистор, управляющий работой транзистора, служит для задания рабочей точки. Этот резистор задаёт постоянную составляющую тока базы. Его значение зависит от величины R к .
В зависимости от места работы транзистора усилителя они классифицируются по трем основным типам. В этой конфигурации транзистор всегда будет работать независимо от того, присутствует ли входной сигнал. Без сигнала транзистор находится в состоянии покоя, он только усиливает полупериод входного сигнала, или полупериод или.
Электронные усилители в основном используются для увеличения напряжения, тока или мощности сигнала. Линейные усилители увеличивают сигнал без искажения, поэтому выход пропорционален входу. Нелинейные усилители позволяют значительно изменить форму сигнала.
R б2 – практически ненужный резистор, просто он ставится для предохранения транзистора от сгорания. Его значение должно быть большим, так как стоит он параллельно входу и может его закоротить. Обычно это 1 или несколько килоом, так как входное сопротивление транзистора мало.
R н – сопротивление нагрузки, лучше, в случае если оно большое, так как оно подключено параллельно выходу транзистора, и если оно будет малым, выходной сигнал упадёт.
Линейные усилители используются для звуковых и видеосигналов, тогда как нелинейные усилители используются в генераторах, электронных силовых устройствах, модуляторах, микшерах, логических схемах и других приложениях, где требуется уменьшение амплитуды. Хотя вакуумные трубки имели большое значение в усилителях, сегодня часто используются дискретные транзисторные схемы или интегральные схемы.
Схема схемы аудиоусилителя. Усилители с малыми шумовыми характеристиками необходимы для спутников связи. Электромагнитные СВЧ-сигналы усиливаются мазерными устройствами. Вместо усиления электрического тока мазер непосредственно усиливает электромагнитные сигналы.
U вх – сигнал на входе транзистора. Как видно, на входе много различных деталей – резисторов и конденсаторов. Но на рабочих частотах сопротивления конденсаторов малы, и они хорошо пропускают сигналы. А два параллельных резистора R б1 и R б2 достаточно велики по сравнению с входным сопротивлением транзистора. По этой причине учтём только это входное сопротивление.
Одними из базовых параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:
1) по напряжению ; 2) по току ;
3) по мощности .
Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что K p всегда должен быть больше единицы. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для K u можно записать К u = K u 1 · K u 2 …K uN .
В случае если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя, дБ:
К u = K u 1 + K u 2 +…+ K uN .
Помимо усиления сигнала крайне важно, чтобы усилитель не изменял его формы, ᴛ.ᴇ. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.
Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений), K r :
где U 1 , U 2 , U 3 – значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.
Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя (рис. 2.5, а ) , представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения U вых от амплитудного значения входного сигнала U вх неизменной частоты. При небольших U вх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших U вх указывает на появление искажений формы сигнала.
Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств, в частности, разделительными ёмкостями. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость K u усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ ). С помощью АЧХ (рис. 2.5, б ) можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей M н и высшей M в частотах заданного диапазона работы усилителя:
Рис. 2.5 Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики
Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что f = f в - f н принято называть полосой пропускания усилителя.
Резистивно-емкостной усилительный каскад.
Усилительные каскады этого типа (рис. 39) получили наибольшее распространение, так как имеют простую схемную реализацию при малых габаритах элементов и обладают хорошими характеристиками.
Рис. 39. Резистивно-емкостной усилительный каскад
Назначение элементов схемы.
Разделительный конденсатор на входе – Ср1 предназначен для разделения усилительного каскада с источником сигнала по постоянному току, а полученный переменный сигнал он легко пропускает.
Аналогичную роль играет разделительный конденсатор–С р2 на выходе – он разделяет каскад и нагрузку по постоянному току. Величина этих конденсаторов влияет на величину fн усилителя, так как с понижением их сопротивление сигналу растет, и они хуже его передают по цепи усиления. Для понижения fн нужно увеличивать Ср.
Rн – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи. Оно задает положение (вместе с Rэ) нагрузочной прямой (зависимость Iк от Uкэ при наличии Rн в цепи коллекторного тока) на семействе выходных характеристик.
Электронные усилители - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Электронные усилители" 2014, 2015.
Это устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности электрического сигнала.
Простейший усилитель представляет собой схему на основе транзистора. Использование усилителей вызвано тем, что обычно электрические сигналы (напряжения и токи), поступающие в электронные устройства малы по амплитуде и возникает необходимость увеличивать их до требуемой величины, достаточной для дальнейшего использования (преобразования, передачи, подачи на нагрузку).
На рисунке 1 представлены устройства, необходимые для работы усилителя.
Рисунок 1 - Окружение усилителя
Мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя, является преобразованной мощностью его источника питания, а входной сигнал только управляет ею. Усилители питаются от источников постоянного тока.
Обычно усилитель состоит из нескольких каскадов усиления (рис. 2). Первые каскады усиления, предназначенные, главным образом для усиления напряжения сигнала, называют предварительными. Их схемное построение определяется типом источника входного сигнала.
Каскад, служащий для усиления мощности сигнала, называют оконечным или выходным. Их схемотехника определяется видом нагрузки. Так же, в состав усилителя могут входить промежуточные каскады, предназначенные для получения необходимого коэффициента усиления и (или) формирования необходимых характеристик усиливаемого сигнала.
Рисунок 2 - Структура усилителя
Классификация усилителей:
1) в зависимости от усиливаемого параметра усилители напряжения, тока, мощности
2) по роду усиливаемых сигналов:
усилители гармонических (непрерывных) сигналов;
усилители импульсных сигналов (цифровые усилители).
3) по полосе усиливаемых частот:
усилители постоянного тока;
усилители переменного тока
низкой частоты, высокой, сверхвысокой и т.д.
4) по характеру частотной характеристики:
резонансные (усиливают сигналы в узкой полосе частот);
полосовые (усиливают определенную полосу частот);
широкополосные (усиливают весь диапазон частот).
5) по типу усилительных элементов:
на электровакуумных лампах;
на полупроводниковых приборах;
на интегральных микросхемах.
При выборе усилителя исходят из параметров усилителя:
Выходная мощность , измеряется в Ватах. Выходная мощность варьируется в широких пределах в зависимости от назначения усилителя, например в усилителях звука - от милливатт в наушниках до десятков и сотен ватт в аудиосистемах.
Диапазон частот , измеряется в Герцах. Например, тот же усилитель звука обычно должен обеспечивать усиление в диапазоне частот 20–20 000 Гц, усилитель телевизионного сигнала (изображение + звук) – 20 Гц – 10 МГц и выше.
Нелинейные искажения , измеряются в процентах %. Характеризуют искажение формы усиливаемого сигнала. Обычно тем меньше данный параметр, тем лучше.
КПД (коэффициент полезного действия) , измеряются в процентах %. Показывает, какая часть энергии источника питания расходуется на выделение мощности в нагрузке. Дело в том, что часть мощности источника тратится бесполезно, в большей степени это тепловые потери – протекание тока всегда вызывает нагрев материала. Особенно критичен данный параметр для устройств с автономным питанием (от аккумуляторов и батарей).
На рисунке 3 представлена типовая схема предварительного каскада усиления на биполярном транзисторе. Входной сигнал поступает от источника напряжения Uвх. Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 пропускают переменный, т.е. усиливаемый сигнал и не пропускают постоянный ток, что позволяет создавать независимые режимы работы по постоянному току в последовательно включенных каскадах усилителя.
Рисунок 3 - Схема каскада усиления на биполярном транзисторе
Резисторы Rб1 и Rб2 являются базовым делителем, обеспечивая начальный ток базы транзистора Iб0, резистор Rк обеспечивает начальный ток коллектора Iк0. Эти токи называют токами покоя. При отсутствии входного сигнала они постоянные. На рисунке 4 изображены временные диаграммы работы усилителя. Временная диаграмма – это изменение какого-либо параметра во времени.
Резистор Rэ обеспечивает отрицательную обратную связь (ООС) по току. Обратная связь (ОС) - это передача части выходного сигнала во входную цепь усилителя. Если входной сигнал и сигнал обратной связи противоположны по фазе, обратная связь называется отрицательной. ООС уменьшает коэффициент усиления, но при этом уменьшает нелинейные искажения и увеличивает стабильность усилителя. Применяется практически во всех усилителя.
Резистор Rф и конденсатор Сф являются элементами фильтра. Конденсатор Сф образует цепь низкого сопротивления для переменной составляющей тока, потребляемого усилителем от источника Uп. Элементы фильтра необходимы если от источника запитываются несколько усилительных каскадов.
При подаче входного сигнала Uвх во входной цепи появляется ток Iб~, а в выходной Iк~. Падение напряжения, создаваемое током Iк~ на нагрузке Rн, и будет усиленным выходным сигналом.
Из временных диаграмм напряжений и токов (рис. 3) видно, что переменные составляющие напряжений на входе Uб~ и выходе Uк~ = Uвых каскада противофазны, т.е. каскад усиления на транзисторе с ОЭ изменяет (инвертирует) фазу входного сигнала на противоположную.
Рисунок 4 - Временные диаграммы токов и напряжений в усилительном каскаде на биполярном транзисторе
Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного и переменного тока с большим коэффициентом усиления и глубокой отрицательной обратной связью.
Позволяет реализовывать большое количество электронных устройств, но традиционно называется усилителем.
Можно сказать, что операционные усилитель являются основой всей аналоговой электроники. Широкое распространение ОУ связано с их универсальностью (возможность построения на их основе различных электронных устройств, причём, как аналоговых, так и импульсных), широким диапазоном частот (усиление сигналов постоянного и переменного токов), независимость основных параметров от внешних дестабилизирующих факторов (изменение температуры, напряжения питания и др.). В основном используются интегральные усилители (ИОУ).
Присутствие в названии слова "операционные" объясняется возможностью выполнения данными усилителями ряда математических операций - суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования и др.
На рисунке 5 изображены УГО ИОУ. Усилитель имеет два входа – прямой и инверсный, и один выход. При подаче входного сигнала на неинвертирующий (прямой) вход, выход-ной сигнал имеет ту же полярность (фазу) – рисунок 5, а.
Рисунок 6 - Временные диаграммы ОУ: а) – неинвертирующего, б) - инвертирующего
При подаче напряжения на обои входы выходное напряжение пропорционально разности входных напряжений. Т.е. сигнал на инвертирующем входе берётся со знаком «-». Uвых=К(Uнеинв – Uинв), где К – коэффициент усиления.
Рисунок 7 – Амплитудная характеристика ОУ
Питание ОУ осуществляется от двухполярного источника, обычно +15В и -15В. Также допускается однополярное питание. Остальные выводы ИОУ указывают по мере их использования.
Работу ОУ поясняет амплитудная характеристика – рисунок 8. На характеристике можно выделить линейный участок, на котором с увеличением входного напряжения пропорционально увеличивается выходное, и два участка насыщения U+нас и U-нас. При определённом значении входного напряжения Uвх.max усилитель переходит в режим насыщения, при котором выходное напряжение принимает максимальное значение (при значении Uп=15 В примерно Uнас=13 В) и остаётся неизменным при дальнейшем увеличении входного сигнала. Режим насыщения используется в импульсных устройствах на ОУ.
Усилители мощности применяются в оконечных каскадах усиления и предназначены для создания необходимой мощности в нагрузке.
Их основная особенность - работа при больших уровнях входного сигнала и больших выходных токах, что вызывает необходимость использовать мощные усилительные приборы.
Усилители могут работать в режимах А, АВ, В, С и D.
В режиме А выходной ток усилительный прибор (транзистора или радиоэлектронная лампа) открыт в течении всего периода усиливаемого сигнала (т.е. постоянно) и через него протекает выходной ток. Усилители мощности класса А вносят минимальные искажения в усиливаемый сигнал, но имеют очень низкий КПД.
В режиме В выходной ток делится на две части, один усилительный прибор усиливает положительную полуволну сигнала, второй отрицательную. Как следствие более высокий КПД, чем в режиме А, но и большие нелинейные искажения, возникающие в момент переключения транзисторов.
Режим АВ повторяет режим В, но в момент перехода с одной полуволны на другую открыты оба транзистора, что позволяет снизить искажения при сохрани высокого КПД. Режим АВ является наиболее распространенным для аналоговых усилителей.
Режим С применяют в тех случаях, когда искажение формы сигнала при усилении не имеет, т.к. выходной ток усилительного прибора протекает меньше чем половина периода, что конечно же ведет к большим искажениям.
В режиме D используется преобразование входных сигналов в импульсы, усиление этих импульсов, а затем обратное преобразование. При этом выходные транзисторы работают в ключевом режиме (транзистор полностью закрыт или полностью открыт), что приближает КПД усилителя к 100% (в режиме АВ КПД не превышает 50%). Усилители, работающие в режиме D, называют цифровыми усилителями.
В двухтактной схеме усиление (режим В и АВ) происходит за два такта. В течение первого полупериода входной сигнал усиливается одним транзистором, а другой в течение этого полупериода или его части закрыт. При втором полупериоде сигнал усиливается вторым транзистором, а первый при этом закрыт.
Двухтактная схема усилителя на транзисторах показана на рисунке 8. Каскад на транзисторе VT3 обеспечивает двухтактный режим работы выходных транзисторов VT1 и VT2. Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзисторов по постоянному току.
При приходе отрицательной полуволны Uвх ток коллектора VT3 увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2. При этом VT2 закрывается, а через VT1 протекает ток коллектора по цепи: +Uп, переход К-Э VT1, С2 (при этом заряжается), Rн, корпус.
При приходе положительной полуволны Uвх VT3 подзакрывается, что приводит к уменьшению напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2 – VT1 закрывается, а через VT2 протекает ток коллектора по цепи: +С2, переход Э-К VT2, корпус, Rн, -С2. Т
аким образом, обеспечивается протекание тока обоих полуволн входного напряжения через нагрузку.
Рисунок 8 – Схема двухтактного усилителя мощности
В режиме D работают усилители с . Входной сигнал модулирует прямоугольные импульсы, изменяя их длительность. При этом сигнал преобразуется в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которых пропорциональна значению сигнала в каждый момент времени.
Последовательность импульсов поступает на транзистор (транзисторы) для усиления. Т.к. усиливаемый сигнал импульсный, транзистор работает в ключевом режиме. Работа в ключевом режиме связана с минимальными потерями, т.к. транзистор либо закрыт, либо полностью открыт (обладает минимальным сопротивлением). После усиления из сигнала извлекается низкочастотная составляющая (усиленный исходный сигнал) с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) и подается на нагрузку.
Рисунок 9 – Структурная схема усилителя класса D
Усилители класса D применяются в аудиосистемах портативных компьютеров, мобильные средства связи, устройствах управления двигателями и д.р.
Для современных усилителей характерно широкое использование интегральных схем.