Zrozumienie obwodów wzmacniacza

Ogólnie wzmacniacz można zdefiniować jako obwód zaprojektowany do wzmacniania przyłożonego sygnału wejściowego o małej mocy do sygnału wyjściowego o dużej mocy, zgodnie z określoną wartością znamionową elementów.

Chociaż podstawowa funkcja pozostaje taka sama, wzmacniacze można podzielić na różne kategorie w zależności od ich konstrukcji i konfiguracji.

Obwody wzmacniające wejścia logiczne

Mogłeś spotkać pojedyncze wzmacniacze tranzystorowe, które są skonfigurowane do obsługi i wzmacniania logiki niskiego sygnału z wejściowych urządzeń wykrywających, takich jak LDR, fotodiody , Urządzenia na podczerwień. Wyjścia z tych wzmacniaczy są następnie wykorzystywane do przełączania a flip flop lub przekaźnik WŁ. / WYŁ. w odpowiedzi na sygnały z czujników.

Być może widzieliście również małe wzmacniacze, które są używane do wstępnego wzmacniania wejścia muzycznego lub audio, lub do obsługi lampy LED.
Wszystkie te małe wzmacniacze są klasyfikowane jako małe wzmacniacze sygnału.

Rodzaje wzmacniaczy

Przede wszystkim obwody wzmacniacza są wbudowane w celu wzmocnienia częstotliwości muzycznej tak, że zasilane wejście małej muzyki jest wzmacniane w wielu fałdach, zwykle 100 razy do 1000 razy i odtwarzane przez głośnik.

W zależności od ich mocy lub mocy znamionowej, takie obwody mogą mieć konstrukcje od małych wzmacniaczy sygnału opartych na wzmacniaczach operacyjnych do dużych wzmacniaczy sygnałowych, które są również nazywane wzmacniaczami mocy. Wzmacniacze te są technicznie klasyfikowane na podstawie ich zasad działania, stopni obwodu i sposobu w które mogą być skonfigurowane do przetwarzania funkcji wzmocnienia.

Poniższa tabela przedstawia szczegóły klasyfikacji wzmacniaczy na podstawie ich specyfikacji technicznych i zasady działania:

W podstawowej konstrukcji wzmacniacza okazuje się, że składa się on głównie z kilku stopni z sieciami tranzystorów bipolarnych lub BJT, tranzystorów polowych (FET) lub wzmacniaczy operacyjnych.

Można zauważyć, że takie bloki lub moduły wzmacniacza mają kilka zacisków do doprowadzania sygnału wejściowego oraz inną parę zacisków na wyjściu do pobierania wzmocnionego sygnału przez podłączony głośnik.

Jeden z zacisków z tych dwóch to zaciski uziemienia i może być postrzegany jako wspólna linia między stopniami wejściowymi i wyjściowymi.

Trzy właściwości wzmacniacza

Trzy ważne właściwości, które powinien mieć idealny wzmacniacz to:

• Rezystancja wejściowa (Rin)
• Rezystancja wyjściowa (routing)
• Wzmocnienie (A), które jest zakresem wzmocnienia wzmacniacza.

Zrozumienie działania idealnego wzmacniacza

Różnica w wzmocnionym sygnale między wyjściem a wejściem nazywana jest wzmocnieniem wzmacniacza. Jest to wielkość lub wielkość, o jaką wzmacniacz jest w stanie wzmocnić sygnał wejściowy na swoich zaciskach wyjściowych.

Na przykład, jeśli wzmacniacz jest przystosowany do przetwarzania sygnału wejściowego 1 wolta na wzmocniony sygnał 50 woltów, to powiedzielibyśmy, że wzmacniacz ma wzmocnienie 50, to jest takie proste.
To wzmocnienie niskiego sygnału wejściowego do wyższego sygnału wyjściowego nosi nazwę zdobyć wzmacniacza. Alternatywnie można to rozumieć jako wzrost sygnału wejściowego o współczynnik 50.

Wzmocnij współczynnik Zatem wzmocnienie wzmacniacza jest zasadniczo stosunkiem wartości wyjściowych i wejściowych poziomów sygnału lub po prostu mocą wyjściową podzieloną przez moc wejściową i jest przypisywane literą „A”, która również oznacza moc wzmocnienia wzmacniacza.

Rodzaje wzmocnień wzmacniacza Różne rodzaje wzmocnień wzmacniacza można podzielić na:

1. Wzmocnienie napięcia (wyłączone)
2. Bieżący zysk (Ai)
3. Zysk mocy (Ap)

Przykładowe wzory do obliczania wzmocnień wzmacniacza W zależności od powyższych 3 typów wzmocnień, wzorów do ich obliczania można nauczyć się z następujących przykładów:

1. Wzmocnienie napięcia (Av) = napięcie wyjściowe / napięcie wejściowe = Vout / Vin
2. Wzmocnienie prądu (Ai) = prąd wyjściowy / prąd wejściowy = Iout / Iin
3. Zysk mocy (Ap) = Av.x.A ja

Do obliczenia przyrostu mocy możesz również użyć wzoru:
Zysk mocy (Ap) = moc wyjściowa / moc wejściowa = Aout / Ain

Warto zauważyć, że indeks dolny p, v, i używane do obliczania mocy są przypisywane do identyfikacji określonego typu wzmocnienia sygnału, nad którym się pracuje.

Wyrażanie decybeli

Znajdziesz inną metodę wyrażania zysku mocy wzmacniacza, który jest w decybelach lub (dB).
Miara lub wielkość Bel (B) jest jednostką logarytmiczną (podstawa 10), która nie ma jednostki miary.
Jednak decybel może być zbyt dużą jednostką do praktycznego zastosowania, dlatego do obliczeń wzmacniacza używamy obniżonej wersji decybeli (dB).
Oto kilka wzorów, które można zastosować do pomiaru wzmocnienia wzmacniacza w decybelach:

1. Wzmocnienie napięcia w dB: wył. = 20 * log (wył.)
2. Wzmocnienie prądu w dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Zysk mocy w dB: ap = 10 * log (Ap)

Kilka faktów na temat pomiaru dB
Należy zauważyć, że wzmocnienie mocy DC wzmacniacza jest 10 razy większe od wspólnego logarytmu stosunku wyjściowego do wejściowego, podczas gdy zyski prądu i napięcia są 20 razy większe od zwykłego logarytmu ich stosunków.

Oznacza to, że ponieważ w grę wchodzi skala logarytmiczna, nie można uznać, że wzmocnienie o 20 dB jest dwukrotnie większe od 10 dB ze względu na nieliniową charakterystykę pomiaru skali logarytmicznej.

Gdy wzmocnienie jest mierzone w dB, dodatnie wartości oznaczają wzmocnienie wzmacniacza, podczas gdy ujemna wartość dB wskazuje na utratę wzmocnienia wzmacniacza.

Na przykład, jeśli zostanie zidentyfikowane wzmocnienie + 3dB, oznacza to dwukrotne lub x2 wzmocnienie określonego wyjścia wzmacniacza.

I odwrotnie, jeśli wynik wynosi -3 dB, oznacza to, że wzmacniacz ma utratę 50% wzmocnienia lub x0,5 miary utraty wzmocnienia. Nazywa się to również połową punktu mocy, co oznacza -3 dB mniej niż maksymalna osiągalna moc, w odniesieniu do 0 dB, które jest maksymalną możliwą mocą wyjściową ze wzmacniacza.

Obliczanie wzmacniaczy

Obliczyć napięcie, prąd i wzmocnienie mocy wzmacniacza według następujących specyfikacji: Sygnał wejściowy = 10 mV przy 1 mA Sygnał wyjściowy = 1 V przy 10 mA Dodatkowo określ wzmocnienie wzmacniacza za pomocą wartości w decybelach (dB).

Rozwiązanie:

Stosując wyuczone powyżej wzory, możemy ocenić różne typy wzmocnień związanych ze wzmacniaczem zgodnie ze specyfikacjami wejściowymi i wyjściowymi:

Wzmocnienie napięcia (Av) = napięcie wyjściowe / napięcie wejściowe = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Wzmocnienie prądu (Ai) = prąd wyjściowy / prąd wejściowy = Iout / Iin = 10/1 = 10
Zysk mocy (Ap) = Av. x A ja = 100 x 10 = 1000

Aby uzyskać wyniki w decybelach, stosujemy odpowiednie formuły, jak podano poniżej:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Podziały wzmacniacza

Wzmacniacze małych sygnałów: Jeśli chodzi o specyfikacje wzmacniacza mocy i napięcia, możemy podzielić je na kilka różnych kategorii.

Pierwszy typ to wzmacniacz małego sygnału. Te małe wzmacniacze sygnału są zwykle wykorzystywane w stopniach przedwzmacniaczy, wzmacniaczach oprzyrządowania itp.

Te typy wzmacniaczy są stworzone do obsługi minimalnych poziomów sygnału na ich wejściach, w zakresie niektórych mikro-woltów, na przykład z urządzeń czujnikowych lub wejść małych sygnałów audio.

Wzmacniacze dużego sygnału: Drugi typ wzmacniaczy nazywany jest wzmacniaczami o dużych rozmiarach i jak sama nazwa wskazuje, są one wykorzystywane w aplikacjach wzmacniaczy mocy w celu uzyskania ogromnych zakresów wzmocnienia. W tych wzmacniaczach sygnał wejściowy jest stosunkowo większy pod względem amplitudy, tak że można je znacznie wzmocnić w celu odtworzenia i wprowadzenia ich do mocnych głośników.

Jak działają wzmacniacze mocy

Ponieważ małe wzmacniacze sygnału są zaprojektowane do przetwarzania małych napięć wejściowych, określa się je jako wzmacniacze małych sygnałów. Jednak gdy wzmacniacz jest wymagany do pracy z aplikacjami o wysokim prądzie przełączania na swoich wyjściach, takich jak praca silnika lub obsługa subwooferów, wzmacniacz mocy staje się nieunikniony.

Najczęściej wzmacniacze mocy są stosowane jako wzmacniacze audio do napędzania dużych głośników i do uzyskiwania ogromnych wzmocnień poziomu muzycznego i głośności.

Wzmacniacze mocy wymagają zewnętrznego zasilania DC do swojej pracy, a ta moc DC jest wykorzystywana do osiągnięcia zamierzonego wzmocnienia dużej mocy na ich wyjściu. Moc prądu stałego jest zwykle uzyskiwana z wysokoprądowych zasilaczy wysokiego napięcia przez transformatory lub jednostki oparte na SMPS.

Chociaż wzmacniacze mocy są w stanie podbić niższy sygnał wejściowy do wysokich sygnałów wyjściowych, procedura w rzeczywistości nie jest zbyt wydajna. Dzieje się tak, ponieważ w tym procesie znaczna ilość prądu stałego jest tracona w postaci rozpraszania ciepła.

Wiemy, że idealny wzmacniacz dawałby moc wyjściową prawie równą zużywanej mocy, co daje 100% sprawność. Jednak praktycznie wygląda to na dość odległe i może być niewykonalne ze względu na nieodłączne straty mocy DC z urządzeń zasilających w postaci ciepła.

Sprawność wzmacniacza Z powyższych rozważań możemy wyrazić sprawność wzmacniacza jako:

Sprawność = Moc wyjściowa wzmacniacza / Pobór prądu stałego wzmacniacza = Pout / Pin

Idealny wzmacniacz

W nawiązaniu do powyższej dyskusji, może uda nam się zarysować główne cechy idealnego wzmacniacza. Są one szczegółowo opisane poniżej:

Wzmocnienie (A) idealnego wzmacniacza powinno być stałe niezależnie od zmieniającego się sygnału wejściowego.

1. Wzmocnienie pozostaje stałe niezależnie od częstotliwości sygnału wejściowego, dzięki czemu wzmocnienie wyjściowe pozostaje niezmienione.
2. Wyjście wzmacniacza jest wolne od wszelkiego rodzaju szumów podczas procesu wzmacniania, wręcz przeciwnie, zawiera funkcję redukcji szumów, która niweluje wszelkie możliwe szumy wprowadzane przez źródło wejściowe.
3. Pozostaje niewrażliwy na zmiany temperatury otoczenia ani temperatury atmosferycznej.
4. Długotrwałe użytkowanie ma minimalny lub żaden wpływ na działanie wzmacniacza i pozostaje niezmienny.

Klasyfikacja wzmacniaczy elektronicznych

Niezależnie od tego, czy jest to wzmacniacz napięcia, czy wzmacniacz mocy, są one klasyfikowane na podstawie ich charakterystyki sygnału wejściowego i wyjściowego. Odbywa się to poprzez analizę przepływu prądu w odniesieniu do sygnału wejściowego i czasu potrzebnego do osiągnięcia przez niego sygnału wyjściowego.

Na podstawie konfiguracji obwodów wzmacniacze mocy można podzielić na kategorie w porządku alfabetycznym. Mają przypisane różne klasy operacyjne, takie jak:

Klasa A'
Klasa „B”
Klasa „C”
Klasa „AB” i tak dalej.

Mogą one mieć właściwości w zakresie od prawie liniowej odpowiedzi wyjściowej, ale raczej niskiej wydajności, do nieliniowej odpowiedzi wyjściowej o wysokiej wydajności.

Żadnej z tych klas wzmacniaczy nie można odróżnić jako słabszych lub lepszych od siebie, ponieważ każda z nich ma swój własny, specyficzny obszar zastosowania w zależności od wymagań.

Dla każdego z nich możesz znaleźć optymalną efektywność konwersji, a ich popularność można określić w następującej kolejności:

Wzmacniacze klasy „A”: sprawność jest niższa, zwykle poniżej 40%, ale może wykazywać ulepszone liniowe wyjście sygnału.

Wzmacniacze klasy „B”: Sprawność może być dwukrotnie większa niż w klasie A, praktycznie około 70%, ze względu na fakt, że tylko urządzenia aktywne wzmacniacza pobierają moc, powodując tylko 50% zużycia.

Wzmacniacze klasy `` AB '': Wzmacniacze w tej kategorii mają poziom sprawności gdzieś pomiędzy klasą A i klasą B, ale reprodukcja sygnału jest gorsza w porównaniu do klasy A.

Wzmacniacze klasy „C”: Uważa się, że są one wyjątkowo wydajne pod względem zużycia energii, ale reprodukcja sygnału jest najgorsza przy dużych zniekształceniach, powodujących bardzo słabe odwzorowanie charakterystyk sygnału wejściowego.

Jak działają wzmacniacze klasy A:

Wzmacniacze klasy A mają idealnie spolaryzowane tranzystory w obszarze aktywnym, co umożliwia dokładne wzmocnienie sygnału wejściowego na wyjściu.

Dzięki tej doskonałej funkcji polaryzacji tranzystor nigdy nie może dryfować w kierunku obszarów odcięcia lub nadmiernego nasycenia, co powoduje, że wzmocnienie sygnału jest prawidłowo zoptymalizowane i wyśrodkowane między określonymi górnymi i dolnymi ograniczeniami sygnału, jak pokazano poniżej wizerunek:

W konfiguracji klasy A identyczne zestawy tranzystorów są stosowane na dwóch połówkach przebiegu wyjściowego. W zależności od zastosowanego rodzaju polaryzacji tranzystory mocy wyjściowej są zawsze renderowane w pozycji włączonej, niezależnie od tego, czy sygnał wejściowy jest stosowany, czy nie.

Z tego powodu wzmacniacze klasy A uzyskują wyjątkowo słabą wydajność pod względem zużycia energii, ponieważ faktyczne dostarczanie mocy do wyjścia jest utrudnione z powodu nadmiernych strat spowodowanych rozpraszaniem przez urządzenie.

W opisanej powyżej sytuacji można zauważyć, że wzmacniacze klasowe zawsze mają przegrzane tranzystory mocy wyjściowej, nawet przy braku sygnału wejściowego.

Nawet gdy nie ma sygnału wejściowego, prąd stały (Ic) z zasilacza może przepływać przez tranzystory mocy, co może być równe prądowi przepływającemu przez głośnik, gdy sygnał wejściowy był obecny. Powoduje to ciągłe „gorące” tranzystory i marnotrawstwo mocy.

Działanie wzmacniacza klasy B.

W przeciwieństwie do konfiguracji wzmacniacza klasy A, która zależy od pojedynczych tranzystorów mocy, klasa B wykorzystuje parę uzupełniających się BJT na każdej połowie sekcji obwodu. Mogą to być NPN / PNP lub mosfet z kanałem N / mosfet z kanałem P).

W tym przypadku jeden z tranzystorów może przewodzić w odpowiedzi na jedną połowę cyklu sygnału wejściowego, podczas gdy drugi tranzystor obsługuje drugą połowę cyklu przebiegu.

Zapewnia to, że każdy tranzystor w parze przewodzi przez połowę czasu w obszarze aktywnym i przez połowę w obszarze odcięcia, umożliwiając w ten sposób tylko 50% udział we wzmocnieniu sygnału.

W przeciwieństwie do wzmacniaczy klasy A, we wzmacniaczach klasy B tranzystory mocy nie są spolaryzowane bezpośrednim prądem stałym, zamiast tego konfiguracja zapewnia, że ​​przewodzą tylko wtedy, gdy sygnał wejściowy jest wyższy niż napięcie bazowego emitera, które może wynosić około 0,6 V dla krzemowych BJT.

Oznacza to, że gdy nie ma sygnału wejściowego, BJT pozostają wyłączone, a prąd wyjściowy wynosi zero. Z tego powodu tylko 50% sygnału wejściowego może wejść na wyjście w każdym przypadku, co pozwala na znacznie lepszą sprawność tych wzmacniaczy. Wynik można zobaczyć na poniższym diagramie:

Ponieważ nie ma bezpośredniego udziału prądu stałego w polaryzowaniu tranzystorów mocy we wzmacniaczach klasy B, w celu zainicjowania przewodzenia w odpowiedzi na każde pół cykli fali +/-, staje się konieczne dla ich bazy / emitera Vbe uzyskać potencjał wyższy niż 0,6 V (standardowa podstawowa wartość odchylenia dla BJT)

Z powyższego wynika, że ​​chociaż przebieg wyjściowy jest poniżej znaku 0,6 V, nie może być wzmacniany i odtwarzany.

Powoduje to zniekształcenie obszaru przebiegu wyjściowego, tylko w okresie, gdy jeden z BJT zostaje wyłączony i czeka na ponowne włączenie drugiego.

Powoduje to, że niewielka część przebiegu jest poddawana niewielkim zniekształceniom podczas okresu krzyżowania lub okresu przejściowego w pobliżu przejścia przez zero, dokładnie wtedy, gdy przejście z jednego tranzystora na drugi następuje w komplementarnych parach.

Działanie wzmacniacza klasy AB

Wzmacniacz klasy AB jest zbudowany przy użyciu mieszanki charakterystyk f z projektów obwodów klasy A i klasy B, stąd nazwa Class AB.

Chociaż konstrukcja klasy AB współpracuje również z parą komplementarnych BJT, stopień wyjściowy zapewnia, że ​​polaryzacja BJT mocy jest kontrolowana w pobliżu progu odcięcia, w przypadku braku sygnału wejściowego.

W tej sytuacji, gdy tylko zostanie wykryty sygnał wejściowy, tranzystory zaprzeczają normalnej pracy w ich aktywnym regionie, hamując w ten sposób jakąkolwiek możliwość zniekształcenia krzyżowego, które normalnie jest powszechne w konfiguracjach klasy B. Jednak może wystąpić niewielka ilość prądu kolektora przewodzącego przez BJT, wielkość tę można uznać za nieistotną w porównaniu z projektami klasy A.

Wzmacniacz klasy AB wykazuje znacznie lepszą sprawność i liniową odpowiedź w przeciwieństwie do odpowiednika klasy A.

Kształt fali wyjściowej wzmacniacza klasy AB

Klasa wzmacniacza jest ważnym parametrem, który zależy od tego, w jaki sposób tranzystory są polaryzowane przez amplitudę sygnału wejściowego, w celu realizacji procesu wzmacniania.

Zależy to od tego, jaka część wielkości przebiegu sygnału wejściowego jest wykorzystywana do przewodzenia tranzystorów, a także od współczynnika wydajności, który jest określony przez ilość energii faktycznie używanej do dostarczania sygnału wyjściowego i / lub marnowanej przez rozpraszanie.

W odniesieniu do tych czynników możemy wreszcie stworzyć raport porównawczy pokazujący różnice między różnymi klasami wzmacniaczy, jak podano w poniższej tabeli.

Następnie możemy dokonać porównania między najpopularniejszymi typami klasyfikacji wzmacniaczy w poniższej tabeli.

Klasy wzmacniaczy mocy

Końcowe przemyślenia

Jeśli wzmacniacz nie jest prawidłowo zaprojektowany, jak na przykład konstrukcja wzmacniacza klasy A, może wymagać znacznych radiatorów w urządzeniach zasilających, wraz z wentylatorami chłodzącymi dla operacji. Takie projekty będą również wymagały większych wejść zasilania, aby skompensować ogromne ilości energii marnowanej na ciepło. Wszystkie takie wady mogą spowodować, że takie wzmacniacze będą bardzo nieefektywne, co z kolei może spowodować stopniowe niszczenie urządzeń i ostatecznie ich awarie.

Dlatego może być wskazane wybranie wzmacniacza klasy B zaprojektowanego z wyższą wydajnością około 70% w porównaniu do 40% wzmacniacza klasy A. Powiedział, że wzmacniacz klasy A może obiecać bardziej liniową odpowiedź ze swoim wzmocnieniem i szerszą charakterystyką częstotliwościową, chociaż wiąże się to z ceną znacznej straty mocy.