Электронные усилители мощности: Усилитель — Описание, предназначение, виды усилителей.

Усилитель — Описание, предназначение, виды усилителей.

Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса,  можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Что такое четырехполюсник

В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник — это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего «электрического черного ящика».

Пассивный четырехполюсник

Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

Активный четырехполюсник

А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +U_пит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал U_вх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение U_вых . Питается наш четырехполюсник через +U_пит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.

Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.

Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.

В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке — это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал U_вх, а к выходу цепляется нагрузка R_{н .}

Обобщенная схема усилителя

Она  выглядит примерно вот так:

Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада  через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала  с ЭДС  E_И   и внутренним сопротивлением R_И . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением R_вх . Сила тока I_вх в цепи  E_И —>R_И—>R_вх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от  входного сопротивления усилительного каскада R_вх .

Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) E_вых и выходным сопротивлением R_вых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку R_н , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи E_вых —> R_вых —> R_н  будет зависеть от сопротивления нагрузки R_н .

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

где

K_U — это коэффициент усиления по напряжению

U_вых — напряжение на выходе усилителя, В

U_вх — напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление R_вых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление R_вых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что R_вх намного больше, чем R_вых т. е.  R_вх >>R_и  и R_н намного больше, чем R_вых    (R_н >>R_вых ). Чем больше номинал R_н , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение U_вых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи E_вых —> R_вых —> R_н , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых , исходя из формулы ЭДС: E_вых =I_выхR_вых +I_выхR_н . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где K_I   — коэффициент усиления по току

I_вых  — сила тока в цепи нагрузки, А

I_вх  — сила тока во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в K_I раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а  значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение U_вых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: R_н =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент K_I =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки E_вых —>R_вых —> R_н будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим,  у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=U_вых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А  усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе U_вых на 1=U_вых /5. U_вых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление R_вых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: R_вх << R_и и R_н << R_вых  при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ  мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

где

P — мощность, Вт

I — сила тока, А

U — напряжение, В

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

где

K_P — коэффициент усиления по мощности

P_вых  — мощность на выходе усилителя, Вт

P_вх  — мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: R_вх ≈ R_и и R_н ≈ R_{вых .}

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Выходная мощность усилителя

Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:

где

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

U_Вых  — напряжение на нагрузке, В

Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

где

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

U_вых  — напряжение на нагрузке, В

cosφ  — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения

Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид

Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.

Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.

Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:

В УН K_U > 1, K_I = 1;       в УТ K_I > 1, K_U = 1;          в УМ K_U > 1 и K_I > 1.

 

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

Усилители высокой частоты

Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.

Широкополосные усилители

Они позволяют  усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть  резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

Усилители постоянного тока

Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.

Электронный усилитель | это… Что такое Электронный усилитель?

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Содержание 1 История 2 Устройство и принцип действия 2.1 Структура усилителя 2.2 Каскады усиления 2.3 Режимы (классы) мощных усилительных каскадов 3 Классификация 3.1 Аналоговые усилители и цифровые усилители 3.2 Виды усилителей по элементной базе 3.3 Виды усилителей по диапазону частот 3.4 Виды усилителей по полосе частот 3.5 Виды усилителей по типу нагрузки 3.6 Специальные виды усилителей 3.7 Некоторые функциональные виды усилителей 3.8 Усилители в качестве самостоятельных устройств 4 Основные нормируемые параметры 5 См. также 6 Примечания 7 Литература 8 Ссылки

История

• 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
• 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
• 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

Устройство и принцип действия

УНЧ с обратной связью. Типичная схема

Структура усилителя

• Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями
• В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики
• Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
• Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.
• Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Каскады усиления

• Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.
• В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.
• В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)
  • Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.
  • Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.
  • Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.
  • Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.
• Каскодный усилитель — усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй — по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. CASCade to cathODE)^[1]
• Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными.
  • Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.
  • Двухтактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

Режимы (классы) мощных усилительных каскадов

• Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
• В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления

Классификация

Аналоговые усилители и цифровые усилители

• В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
• В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину — число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

Виды усилителей по элементной базе

• Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы
• Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др. )
• Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках
• Квантовый усилитель — устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

Виды усилителей по диапазону частот

• Усилитель постоянного тока (УПТ) — усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
• Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
• Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) — усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике
• Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот

• Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот
• Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот
• Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

Виды усилителей по типу нагрузки

• с резистивной;
• с ёмкостной;
• с индуктивной;
• с резонансной.

Специальные виды усилителей

• Дифференциальный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход.
• Операционный усилитель — многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью.
• Инструментальный усилитель — предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала
• Масштабный усилитель — усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью
• Логарифмический усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала
• Квадратичный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала
• Интегрирующий усилитель — усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала
• Инвертирующий усилитель — усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)
• Парафазный (фазоинверсный) усилитель — усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений
• Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал
• Изолирующий усилитель — усилитель, в котором входные и выходные цепи гальванически изолированы. Служит для защиты от высокого напряжения, которое может быть подано на входные цепи, и для защиты от помех, распространяющихся по цепям заземления

Некоторые функциональные виды усилителей

• Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.
• Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.
• Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) — узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего с преобразователя частоты радиоприёмника.
• Резонансный усилитель — усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой.
• Видеоусилитель — импульсный усилитель, предназначенный для усиления видеоимпульсов сложной формы, широкого спектрального состава. Несмотря на название, применяется не только в видео- и телевизионной технике, но и в радиолокации, обработке сигналов с различных детекторов, модемах, и др. Принципиальной особенностью данного усилителя является работоспособность вплоть до 0 Гц (постоянный ток). Также сигнал данного спектра обычно называют видеосигналом, даже если он не имеет никакого отношения к передаче изображения.
• Усилитель магнитной записи — усилитель, нагруженный на записывающую магнитную головку.
• Микрофонный усилитель — усилитель электрических сигналов звуковых частот, поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и регулировать.
• Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) — электронное устройство для изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала, например, даёт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости, контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок, бывают и другие виды усилителей-корректоров.

Усилители в качестве самостоятельных устройств

• Усилители звуковой частоты
  • Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.
  • Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.
  • Бытовые усилители звуковой частоты . В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных.
• Измерительные усилители — предназначены для усиления сигналов в измерительных целях.
  • Усилители биопотенциалов — разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии.
• Антенные усилители — предназначены для измерений слабых сигналов с антенны перед подачей их на вход радиоприёмника, бывают двунаправленные усилители (для приёмопередающих устройств), они усиливают также сигнал, поступающий с оконечного каскада передатчика на антенну. Антенный усилитель устанавливается обычно непосредственно на антенне или поблизости от неё.

Основные нормируемые параметры

• Диапазон частот
• Коэффициент усиления
• Неравномерность АЧХ
• Чувствительность
• Уровень шума
• Коэффициент нелинейных искажений
• Входное сопротивление
• Выходное сопротивление
• Максимальное выходное напряжение
• Максимальная выходная мощность

См. также

• Генератор сигналов
• Критерий устойчивости Найквиста — Михайлова
• Применение операционных усилителей

Примечания

1. ↑ Hickman, R. W. and Hunt, F. V., «On Electronic Voltage Stabilizers, » Review of Scientific Instruments, vol. 10, p. 6-21 (January 1939)

Литература

• Симонов Ю. Л. Усилители промежуточной частоты. — М.: Советское радио, 1973
• Букреев С. С. Транзисторные усилители низкой частоты с обратной связью. — М. : Советское радио, 1972
• Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. — М.: Радио и связь. 1983
• Справочник по радиоэлектронным устройствам: Т. 1 / Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
• Рамм Г. С. Электронные усилители.
• Шамшин В. Г. История технических средств коммуникации, 2003.

Нормативно-техническая документация

• ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
• ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
• ГОСТ 29180-91. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы СВЧ. Усилители малошумящие. Параметры и характеристики. Методы измерений.
• ОСТ4-203.007-84. Аппаратура для озвучивания открытых и закрытых пространств. Усилители звуковой частоты. Общие технические условия.
• ОСТ45-138-99. Усилители оконечные звуковой частоты станций проводного вещания. Основные параметры. Методы измерений.
• IEC 60527(1975). Усилители постоянного тока. Характеристики и методы испытаний.
• IEC 60581-6(1979). Акустическая аппаратура и системы высокой верности воспроизведения (Ні-Fi). Минимальные требования к параметрам. Часть 6. Усилители.
• IEC 61305-3(1995). Аудиоаппаратура и аудиосистемы с высокой верностью воспроизведения бытовые. Методы измерения и установления рабочих характеристик. Часть 3: Усилители.
• IEC 60268-3(2000). Оборудование звуковых систем. Часть 3. Усилители.

Ссылки

• Усилители высокой частоты нового поколения
• Антенный усилитель метровых волн
• Электронные усилители

Что такое усилитель мощности? Типы, классы и приложения

В этом уроке мы изучим интересную тему в области электроники: усилитель мощности. Они используются в аудиоприложениях, радиосвязи, медицинском оборудовании (МРТ) и во многих других областях. Итак, мы узнаем, что такое усилитель мощности, какие существуют типы усилителей мощности, классы усилителей мощности, а также несколько приложений.

Краткое описание

Введение

Усилитель — это электронное устройство, используемое для увеличения величины напряжения/тока/мощности входного сигнала. Он принимает слабый электрический сигнал/форму волны и воспроизводит аналогичную более сильную форму волны на выходе с помощью внешнего источника питания.

В зависимости от изменений, которые он вносит во входной сигнал, усилители подразделяются на усилители тока, напряжения и мощности. В этой статье мы подробно узнаем об усилителях мощности. Для получения дополнительной информации о различных типах усилителей: Различные типы и области применения усилителей

Что такое усилитель мощности?

Усилитель мощности — это электронный усилитель, предназначенный для увеличения величины мощности заданного входного сигнала. Мощность входного сигнала увеличивается до уровня, достаточного для управления нагрузками устройств вывода, таких как динамики, наушники, радиочастотные передатчики и т. д. В отличие от усилителей напряжения/тока, усилитель мощности предназначен для непосредственного управления нагрузками и используется в качестве конечного блока. в цепи усилителя.

Входной сигнал усилителя мощности должен быть выше определенного порога. Таким образом, вместо того, чтобы напрямую передавать необработанный аудио/ВЧ-сигнал на усилитель мощности, он сначала предварительно усиливается с помощью усилителей тока/напряжения и после внесения необходимых изменений отправляется на вход усилителя мощности. Вы можете увидеть блок-схему аудиоусилителя и использование усилителя мощности ниже.

В этом случае в качестве источника входного сигнала используется микрофон. Величина сигнала с микрофона недостаточна для усилителя мощности. Итак, сначала его предварительно усиливают, где немного увеличивают его напряжение и ток. Затем сигнал проходит через схему управления тоном и громкостью, которая вносит эстетические коррективы в форму звуковой волны. Наконец, сигнал проходит через усилитель мощности, а выходной сигнал от усилителя мощности направляется на динамик.

Типы усилителей мощности

В зависимости от типа подключаемого выходного устройства усилители мощности делятся на следующие три типа:

• Усилители мощности звука
• ВЧ усилители мощности
• Усилители мощности постоянного тока

Усилители мощности звука

Усилители мощности этого типа используются для увеличения мощности более слабого аудиосигнала. К этой категории относятся усилители, используемые в схемах управления динамиками телевизоров, мобильных телефонов и т. д.

Выходная мощность аудиоусилителя варьируется от нескольких милливатт (как в усилителях для наушников) до тысяч ватт (как в усилителях мощности в системах Hi-Fi/домашних кинотеатрах).

Радиочастотные усилители мощности

Беспроводная передача требует передачи модулированных волн на большие расстояния по воздуху. Сигналы передаются с помощью антенн, и дальность передачи зависит от величины мощности сигналов, подаваемых на антенну.

Для беспроводной передачи, такой как FM-вещание, антеннам требуются входные сигналы мощностью в тысячи киловатт. Здесь усилители мощности радиочастоты используются для увеличения величины мощности модулированных волн до уровня, достаточно высокого для достижения требуемого расстояния передачи.

Усилители мощности постоянного тока

Усилители мощности постоянного тока используются для усиления мощности сигналов с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией). Они используются в электронных системах управления, которым требуются сигналы высокой мощности для управления двигателями или исполнительными механизмами. Они принимают входные данные от систем микроконтроллеров, увеличивают его мощность и подают усиленный сигнал на двигатели постоянного тока или приводы.

Классы усилителей мощности

Существует несколько способов проектирования схемы усилителя мощности. Рабочие и выходные характеристики каждой из схемных конфигураций отличаются друг от друга.

Чтобы различать характеристики и поведение различных схем усилителей мощности, используются классы усилителей мощности, в которых буквенные символы назначаются для обозначения метода работы.

Их можно разделить на две категории. Усилители мощности, предназначенные для усиления аналоговых сигналов, относятся к категориям A, B, AB или C. Усилители мощности, предназначенные для усиления цифровых сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), относятся к классам D, E, F и т. д.

Наиболее часто используемые усилители мощности используются в схемах усилителей звука и относятся к классам A, B, AB или C. Итак, давайте рассмотрим их подробно.

Усилитель мощности класса А

Аналоговые сигналы состоят из положительного максимума и отрицательного минимума. В усилителях этого класса в процессе усиления используется вся форма входного сигнала.

Один транзистор используется для усиления как положительной, так и отрицательной половины сигнала. Это делает их конструкцию простой и делает усилители класса А наиболее часто используемым типом усилителей мощности. Хотя этот класс усилителей мощности вытеснен более совершенными конструкциями, они по-прежнему популярны среди любителей.

В усилителях этого класса активный элемент (электронный компонент, используемый для усиления, в данном случае транзистор) используется все время, даже при отсутствии входного сигнала. Это выделяет много тепла и снижает эффективность усилителей класса А до 25% в случае нормальной конфигурации и до 50% в случае конфигурации с трансформаторной связью.

Угол проводимости (часть формы волны, используемая для усиления, из 360°) для усилителей класса А составляет 360°. Таким образом, уровни искажения сигнала очень малы, что позволяет улучшить характеристики на высоких частотах.

Усилитель мощности класса B

Усилители мощности класса B предназначены для снижения эффективности и снижения проблем с нагревом, присутствующих в усилителях класса A. Вместо одного транзистора для усиления всей формы сигнала в усилителях этого класса используются два комплементарных транзистора.

Один транзистор усиливает положительную половину сигнала, а другой — отрицательную. Таким образом, каждое активное устройство проводит одну половину (180°) сигнала, а два из них при объединении усиливают весь сигнал.

Эффективность усилителей класса B значительно выше, чем у усилителей класса A, благодаря конструкции с двумя транзисторами. Они могут достигать теоретического КПД около 75%. Усилители мощности этого класса используются в устройствах с батарейным питанием, таких как FM-радиоприемники и транзисторные радиоприемники.

Из-за наложения двух половин сигнала в области кроссовера возникает небольшое искажение. Для уменьшения этого искажения сигнала разработаны усилители класса AB.

Усилитель мощности класса AB

Усилители класса AB представляют собой комбинацию усилителей класса A и класса B. Усилители этого класса предназначены для решения проблемы меньшей эффективности усилителей класса A и искажения сигнала в области кроссовера в усилителях класса B.

Сохраняет высокую частотную характеристику, как у усилителей класса А, и хороший КПД, как у усилителей класса В. Комбинация диодов и резисторов используется для обеспечения небольшого напряжения смещения, что уменьшает искажение формы сигнала вблизи области кроссовера. Из-за этого наблюдается небольшое падение эффективности (60%).

Усилитель мощности класса C

Конструкция усилителей мощности класса C обеспечивает большую эффективность, но снижает линейность/угол проводимости, который составляет менее 90°. Другими словами, он жертвует качеством усиления ради повышения эффективности.

Меньший угол проводимости подразумевает большее искажение, поэтому этот класс усилителей не подходит для усиления звука. Они используются в высокочастотных генераторах и усилении радиочастотных сигналов.

Усилители класса C обычно содержат настроенную нагрузку, которая фильтрует и усиливает входные сигналы определенной частоты, а формы сигналов других частот подавляются.

В этом типе усилителя мощности активный элемент работает только тогда, когда входное напряжение превышает определенный порог, что снижает рассеиваемую мощность и повышает эффективность.

Другие классы усилителей мощности

Усилители мощности классов D, E, F, G и т. д. используются для усиления цифровых сигналов с ШИМ-модуляцией. Они относятся к категории импульсных усилителей мощности и постоянно включают или постоянно выключают выход без каких-либо промежуточных уровней.

Из-за этой простоты усилители мощности, подпадающие под вышеупомянутые классы, могут достигать теоретического КПД до (90-100)%.

Применение

Ниже приведены области применения усилителей мощности в различных секторах:

• Бытовая электроника: Усилители мощности звука используются практически во всех бытовых электронных устройствах, начиная от микроволновых печей, драйверов наушников, телевизоров, мобильных телефонов и домашних кинотеатров. систем театрального и концертного армирования.
• Industrial: Усилители мощности импульсного типа используются для управления большинством промышленных приводных систем, таких как сервоприводы и двигатели постоянного тока.
• Беспроводная связь: Мощные усилители важны при передаче пользователям сигналов сотовой связи или FM-радиовещания. Более высокие уровни мощности стали возможными благодаря усилителям мощности, увеличивающим скорость передачи данных и удобство использования. Они также используются в оборудовании спутниковой связи.

Вывод

Краткое введение в концепцию усилителей мощности. Вы узнали, что такое усилитель мощности и его необходимость, различные типы и классы усилителей мощности, а также пару приложений.

Введение в усилители мощности

• Раздел 5.0 Введение в усилители мощности.
• Понимание работы усилителей мощности.
• Раздел 5.1 Силовые транзисторы и радиаторы.
•   • Конструкция силового транзистора.
•   • Снижение номинальной мощности и режим повышенной мощности.
•   • Термическое сопротивление радиаторов.
•   • Термический разгон.
• Раздел 5.2 Усилители мощности класса A.
•   •Ограничения, связанные с эффективностью усилителей мощности класса А.
•   • Силовые выходные каскады класса А с трансформаторной связью.
• Раздел 5.3 Усилители класса B.
•   • Смещение класса B.
•   • Искажение кроссовера.
•   • Смещение класса B.
•   • Двухтактный выход.
•   • Преимущества и недостатки класса B.
• Раздел 5.4 Двухтактные драйверы.
•   • Задающие трансформаторы.
•   • Транзисторный фазоделитель.
•   • Фазоделитель с эмиттерной связью.
•   • Бестрансформаторный двухтактный.
• Раздел 5.5 Усилители класса AB.
•   • Дополнительные выходные данные.
•   • Стабилизация температуры и постоянного тока.
•   • Регулировка средней точки и кроссовера.
•   • NFB и начальная загрузка.
• Раздел 5.6 Усилители классов от C до H.
•   • Работа класса C.
•   • Работа усилителя мощности класса D.
•   • Усилители мощности классов E и F.
•   • Усилители мощности классов G и H.
• 5.7 Тест по усилителям мощности.
•   • Проверьте свои знания и понимание усилителей мощности.

 

Схемы усилителей составляют основу большинства электронных систем, многие из которых должны производить большую мощность для управления некоторыми выходными устройствами. Выходная мощность аудиоусилителя может быть от менее 1 Вт до нескольких сотен Вт. Радиочастотные усилители, используемые в передатчиках, могут быть необходимы для производства тысяч киловатт выходной мощности, а усилителям постоянного тока, используемым в электронных системах управления, также может потребоваться высокая выходная мощность для привода двигателей или исполнительных механизмов многих различных типов. В этом модуле описываются некоторые часто встречающиеся классы выходных цепей мощности и методы, используемые для повышения производительности.

Усилители напряжения, описанные в Модуле усилителей 1, Модуле 2, Модуле 3 и Модуле 4, могут многократно увеличивать амплитуду сигнала, но сами по себе они не могут управлять устройством вывода, таким как громкоговоритель или двигатель. .

Например, усилитель напряжения может иметь коэффициент усиления 100 и усиливать сигнал 150 мВ до амплитуды 15 В, и вполне возможно, что усилитель может подавать этот сигнал 15 В на нагрузку, скажем, 10 кОм, но если нагрузка изменяется на значение 10 Ом, усилитель напряжения не сможет обеспечить дополнительный ток, необходимый для поддержания выходного напряжения 15 В на 10 Ом.

Аналогично, усилитель тока может иметь коэффициент усиления 100 и быть в состоянии усилить сигнал 10 мкА до 1 мА при очень низком выходном напряжении, но не сможет обеспечить сигнал 1 мА, скажем, при 10 В.

В любом случае усилитель напряжения или тока не имеет достаточной МОЩНОСТИ (вольты V x ток I).
Усилители напряжения и тока могут использовать небольшие транзисторы и не потреблять большое количество энергии от источника питания, чтобы часто и очень сильно усиливать сигналы.