Izpratne par pastiprinātāju ķēdēm

Parasti pastiprinātāju var definēt kā ķēdi, kas paredzēta, lai palielinātu pielietoto mazjaudas ieejas signālu lielas jaudas izejas signālā atbilstoši norādītajam komponentu vērtējumam.

Lai gan pamatfunkcija paliek nemainīga, pastiprinātājus var klasificēt dažādās kategorijās atkarībā no to konstrukcijas un konfigurācijas.

Kontūras loģisko ieeju pastiprināšanai

Iespējams, esat saskāries ar atsevišķiem tranzistoru pastiprinātājiem, kas ir konfigurēti darboties un pastiprināt zemu signālu loģiku no ieejas sensora ierīcēm, piemēram, LDR, fotodiodes , IR ierīces. Pēc tam šo pastiprinātāju izeju izmanto, lai pārslēgtu a flip flop vai relejs ieslēgts / izslēgts, reaģējot uz sensoru ierīču signāliem.

Iespējams, esat redzējuši arī sīkus pastiprinātājus, kurus izmanto mūzikas vai audio ieejas iepriekšējai pastiprināšanai vai LED lampas darbināšanai.
Visi šie mazie pastiprinātāji tiek klasificēti kā mazi signāla pastiprinātāji.

Pastiprinātāju veidi

Pirmkārt, mūzikas frekvences pastiprināšanai ir iestrādātas pastiprinātāju shēmas, lai ievadītā mazā mūzikas ieeja tiktu pastiprināta daudzās krokās, parasti no 100 līdz 1000 reizēm un tiktu atveidota skaļrunī.

Atkarībā no jaudas vai jaudas šādām shēmām var būt dizains, sākot no maziem opamp balstītiem maziem signāla pastiprinātājiem līdz lieliem signāla pastiprinātājiem, kurus sauc arī par jaudas pastiprinātājiem. Šie pastiprinātāji ir tehniski klasificēti, pamatojoties uz to darbības principiem, ķēdes posmiem un veidu, kā ko tie var konfigurēt, lai apstrādātu pastiprināšanas funkciju.

Šajā tabulā ir sniegta pastiprinātāju klasifikācijas informācija, pamatojoties uz to tehniskajām specifikācijām un darbības principu:

Pamata pastiprinātāja konstrukcijā mēs atklājam, ka tas galvenokārt ietver dažus posmus, kam ir bipolāru tranzistoru vai BJT tīkli, lauka tranzistori (FET) vai operatīvie pastiprinātāji.

Šādos pastiprinātāju blokos vai moduļos varēja redzēt pāris spailes ieejas signāla ievadīšanai un vēl vienu spaiļu pāri pie izejas pastiprinātā signāla iegūšanai pa pieslēgtu skaļruni.

Viens no šiem diviem termināliem ir zemes spailes, un to var uzskatīt par kopēju līniju pāri ieejas un izejas posmiem.

Trīs pastiprinātāja īpašības

Trīs svarīgas īpašības, kurām vajadzētu būt ideālam pastiprinātājam, ir:

• Ievades pretestība (Rin)
• Izejas pretestība (maršruts)
• Gain (A), kas ir pastiprinātāja amplifikācijas diapazons.

Izpratne par ideāla pastiprinātāja darbību

Pastiprinātā signāla starpību starp izeju un ieeju sauc par pastiprinātāja pastiprinājumu. Tas ir lielums vai apjoms, par kādu pastiprinātājs spēj pastiprināt ieejas signālu pāri izejas spailēm.

Piemēram, ja pastiprinātājs ir novērtēts, lai 1 voltu ieejas signālu apstrādātu pastiprinātā 50 voltu signālā, tad mēs teiktu, ka pastiprinātājam ir 50 pastiprinājums, tas ir tikpat vienkārši.
Šo zema ievades signāla uzlabošanu augstākam izejas signālam sauc par iegūt pastiprinātāja. Alternatīvi to var saprast kā ieejas signāla palielinājumu par koeficientu 50.

Gain Ratio Tādējādi pastiprinātāja pieaugums būtībā ir signāla līmeņu izejas un ieejas vērtību attiecība vai vienkārši izejas jauda dalīta ar ieejas jaudu, un to attiecina ar burtu “A”, kas apzīmē arī pastiprinātāja pastiprināšanas jaudu.

Pastiprinātāju ieguvumu veidi Dažādos pastiprinātāju pastiprināšanas veidus var klasificēt kā:

1. Sprieguma pieaugums (izslēgts)
2. Pašreizējais pieaugums (Ai)
3. Jaudas pieaugums (Ap)

Formulu piemērs pastiprinātāja pieauguma aprēķināšanai Atkarībā no iepriekšminētajiem 3 ieguvumu veidiem, to aprēķināšanas formulas var uzzināt no šādiem piemēriem:

1. Sprieguma pieaugums (Av) = izejas spriegums / ieejas spriegums = Vout / Vin
2. Pašreizējais pieaugums (Ai) = Izejas strāva / Ieejas strāva = Iout / Iin
3. Jaudas pieaugums (Ap) = vid i

Lai aprēķinātu jaudas pieaugumu, jūs varat arī izmantot formulu:
Jaudas pieaugums (Ap) = Izejas jauda / Ieejas jauda = Aout / Ain

Būtu svarīgi atzīmēt, ka indekss p, v, i izmanto jaudas aprēķināšanai, tiek piešķirti konkrēta signāla pieauguma veida noteikšanai, ar kuru tiek strādāts.

Izteicot decibelus

Jūs atradīsit citu pastiprinātāja jaudas pieauguma izteikšanas metodi decibelos vai (dB).
Mērījums vai lielums Bel (B) ir logaritmiskā vienība (10. bāze), kurai nav mērvienības.
Tomēr decibels varētu būt pārāk liela vienība praktiskai lietošanai, tāpēc pastiprinātāja aprēķiniem mēs izmantojam pazemināto decibelu (dB) versiju.
Šeit ir dažas formulas, kuras var izmantot pastiprinātāja pieauguma mērīšanai decibelos:

1. Sprieguma pieaugums dB: izslēgts = 20 * log (izslēgts)
2. Pašreizējais pieaugums dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Jaudas pieaugums dB: ap = 10 * log (Ap)

Daži fakti par dB mērīšanu
Būtu svarīgi atzīmēt, ka pastiprinātāja līdzstrāvas jaudas pieaugums ir 10 reizes lielāks par tā izejas / ieejas attiecības kopējo žurnālu, savukārt strāvas un sprieguma pieaugums ir 20 reizes lielāks nekā to attiecību kopējais žurnāls.

Tas nozīmē, ka, tā kā ir iesaistīta loga skala, 20 dB pieaugumu nevar uzskatīt par divkāršu no 10 dB, jo loga skalas nelineārās mērīšanas īpašības ir raksturīgas.

Ja pastiprinājumu mēra dB, pozitīvās vērtības norāda pastiprinātāja pieaugumu, savukārt negatīvā dB vērtība norāda pastiprinātāja pastiprinājuma zudumu.

Piemēram, ja tiek noteikts + 3dB pieaugums, tas norāda konkrētās pastiprinātāja izejas divkāršo vai x2 pieaugumu.

Un otrādi, ja rezultāts ir -3dB, tas norāda, ka pastiprinātājam ir 50% zaudējumi vai x0,5 zaudējumu rādītājs. Tas tiek dēvēts arī par pusi jaudas punktu, kas nozīmē -3dB zemāku par maksimāli sasniedzamo jaudu attiecībā pret 0dB, kas ir maksimālā iespējamā pastiprinātāja izeja

Aprēķina pastiprinātājus

Aprēķiniet pastiprinātāja spriegumu, strāvu un jaudas pieaugumu ar šādām specifikācijām: ieejas signāls = 10mV @ 1mA izejas signāls = 1V @ 10mA. Papildus uzziniet pastiprinātāja pastiprinājumu, izmantojot decibelu (dB) vērtības.

Risinājums:

Izmantojot iepriekš iemācītās formulas, mēs varam novērtēt dažādu veidu pastiprinātājus, kas saistīti ar pastiprinātāju, saskaņā ar ieejas izejas specifikācijām:

Sprieguma pieaugums (Av) = izejas spriegums / ieejas spriegums = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Pašreizējais pieaugums (Ai) = Izejas strāva / Ieejas strāva = Iout / Iin = 10/1 = 10
Jaudas pieaugums (Ap) = vid. x A i = 100 x 10 = 1000

Lai iegūtu rezultātus decibelos, mēs izmantojam atbilstošās formulas, kā norādīts zemāk:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Pastiprinātāja apakšnodaļas

Mazie signāla pastiprinātāji: Attiecībā uz pastiprinātāja jaudas un sprieguma pieauguma specifikācijām mums kļūst iespējams tos sadalīt pāris dažādās kategorijās.

Pirmais veids tiek saukts par mazo signāla pastiprinātāju. Šie mazie signāla pastiprinātāji parasti tiek izmantoti priekšpastiprinātāja pakāpēs, instrumentu ampēros utt.

Šāda veida pastiprinātāji ir izveidoti, lai apstrādātu minūšu signāla līmeņus to ieejās dažu mikro voltu diapazonā, piemēram, no sensoru ierīcēm vai mazām audio signālu ieejām.

Lieli signāla pastiprinātāji: Otro pastiprinātāju veidu sauc par lieliem signāla pastiprinātājiem, un, kā norāda nosaukums, tie tiek izmantoti jaudas pastiprinātāju lietojumos, lai sasniegtu milzīgus amplitūdas diapazonus. Šajos pastiprinātājos ieejas signāls ir salīdzinoši lielāks, lai tos varētu ievērojami pastiprināt, lai tos atveidotu un virzītu jaudīgos skaļruņos.

Kā darbojas jaudas pastiprinātāji

Tā kā mazie signāla pastiprinātāji ir paredzēti mazu ieejas spriegumu apstrādei, tos sauc par maziem signāla pastiprinātājiem. Tomēr, ja pastiprinātājs ir nepieciešams darbam ar lielām komutācijas strāvas programmām to izejās, piemēram, darbinot motoru vai darbinot zemfrekvences skaļruņus, jaudas pastiprinātājs kļūst neizbēgams.

Visizplatītākais ir tas, ka jaudas pastiprinātāji tiek izmantoti kā audio pastiprinātāji lielu skaļruņu vadīšanai un milzīgu mūzikas līmeņa pastiprinājumu un skaļuma izejas sasniegšanai.

Strāvas pastiprinātājam darbībai ir nepieciešama ārēja līdzstrāvas jauda, ​​un šī līdzstrāvas jauda tiek izmantota, lai sasniegtu paredzēto lieljaudas pastiprinājumu viņu izejā. Līdzstrāvas jaudu parasti iegūst, izmantojot augstsprieguma augstsprieguma barošanas avotus, izmantojot transformatorus vai uz SMPS balstītas ierīces.

Lai gan jaudas pastiprinātāji spēj palielināt zemāko ieejas signālu lielos izejas signālos, procedūra faktiski nav ļoti efektīva. Tas ir tāpēc, ka procesā tiek izšķiests ievērojams daudzums līdzstrāvas enerģijas siltuma izkliedes veidā.

Mēs zinām, ka ideāls pastiprinātājs ražotu izeju gandrīz vienādu ar patērēto jaudu, kā rezultātā iegūtu 100% efektivitāti. Tomēr praktiski tas izskatās diezgan tāls un, iespējams, nav iespējams, pateicoties raksturīgajiem līdzstrāvas zudumiem no enerģijas ierīcēm siltuma veidā.

Pastiprinātāja efektivitāte No iepriekš minētajiem apsvērumiem mēs varam izteikt pastiprinātāja efektivitāti kā:

Efektivitāte = Pastiprinātāja jaudas izeja / Pastiprinātāja līdzstrāvas patēriņš = Pout / Pin

Ideāls pastiprinātājs

Atsaucoties uz iepriekš minēto diskusiju, mums var būt iespējams izklāstīt ideālā pastiprinātāja galvenās īpašības. Tie ir īpaši šādi paskaidroti:

Ideāla pastiprinātāja pastiprinājumam (A) jābūt nemainīgam neatkarīgi no mainīgā ieejas signāla.

1. Palielinājums paliek nemainīgs neatkarīgi no ieejas signāla biežuma, ļaujot izejas pastiprinājumu palikt neietekmētu.
2. Pastiprinātāja izvadā pastiprināšanas procesā nav trokšņu, gluži pretēji, tajā ir iekļauta trokšņa samazināšanas funkcija, kas atceļ visus iespējamos trokšņus, kas rodas caur ievades avotu.
3. Apkārtējās vides vai atmosfēras temperatūras izmaiņas to neietekmē.
4. Ilgstošai lietošanai ir minimāla ietekme uz pastiprinātāja darbību vai tā nav vispār, un tā paliek nemainīga.

Elektroniskā pastiprinātāja klasifikācija

Neatkarīgi no tā, vai tas ir sprieguma pastiprinātājs vai jaudas pastiprinātājs, tos klasificē, pamatojoties uz to ieejas un izejas signāla īpašībām. To veic, analizējot strāvas plūsmu attiecībā pret ieejas signāla signālu un laiku, kas nepieciešams, lai tas sasniegtu izeju.

Pamatojoties uz to ķēdes konfigurāciju, jaudas pastiprinātājus var iedalīt alfabētiskā secībā. Viņiem tiek piešķirtas dažādas darbības klases, piemēram:

A klase
B klase
C klase
'AB' klase un tā tālāk.

Viņiem var būt īpašības, sākot no gandrīz lineāras izejas reakcijas, bet diezgan zemas efektivitātes līdz nelineārai izejas reakcijai ar augstu efektivitāti.

Nevienu no šīm pastiprinātāju klasēm nevar atšķirt kā sliktākas vai labākas par otru, jo katrai no tām ir sava specifiskā pielietojuma zona atkarībā no prasības.

Katram no tiem varat atrast optimālu reklāmguvumu efektivitāti, un to popularitāti var noteikt šādā secībā:

A klases pastiprinātāji: efektivitāte ir zemāka, parasti mazāka par 40%, bet var uzrādīt uzlabotu lineāro signāla izvadi.

“B” klases pastiprinātāji: Efektivitātes līmenis var būt divreiz lielāks nekā A klases, praktiski ap 70%, jo tikai pastiprinātāja aktīvās ierīces patērē enerģiju, kas tikai par 50% patērē enerģiju.

AB klases pastiprinātāji: Šīs kategorijas pastiprinātājiem efektivitātes līmenis ir kaut kur starp A klases un B klases pastiprinātājiem, taču signāla reproducēšana ir sliktāka salīdzinājumā ar A klasi.

C klases pastiprinātāji: tie tiek uzskatīti par ārkārtīgi efektīviem enerģijas patēriņa ziņā, taču signāla reproducēšana ir vissliktākā ar daudziem traucējumiem, izraisot ļoti sliktu ieejas signāla raksturlielumu atkārtošanos.

Kā darbojas A klases pastiprinātāji:

A klases pastiprinātājiem aktīvā apgabalā ir ideāli novirzīti tranzistori, kas ļauj precīzi pastiprināt ieejas signālu izejā.

Šīs perfektās novirzes funkcijas dēļ tranzistoram nekad nav atļauts novirzīties uz to nogrieztajiem vai pārsātinātajiem apgabaliem, kā rezultātā signāla pastiprinājums tiek pareizi optimizēts un centrēts starp norādītajiem signāla augšējiem un apakšējiem ierobežojumiem, kā parādīts nākamajā attēls:

A klases konfigurācijā identiskas tranzistoru kopas tiek pielietotas divās izejas viļņu formas pusēs. Atkarībā no tā, kāda veida novirzi tā izmanto, izejas jaudas tranzistori vienmēr tiek parādīti ieslēgtā stāvoklī neatkarīgi no tā, vai tiek ievadīts ieejas signāls.

Tāpēc A klases pastiprinātājiem ir ārkārtīgi slikta efektivitāte enerģijas patēriņa ziņā, jo faktiskā enerģijas piegāde izejai tiek kavēta pārmērīga izšķērdēšanas dēļ, izkliedējot ierīci.

Ar iepriekš izskaidroto situāciju var redzēt, ka klases pastiprinātājiem vienmēr ir pārkarsēts izejas jaudas tranzistors, pat ja nav ieejas signāla.

Pat ja nav ieejas signāla, līdzstrāvai (Ic) no barošanas avota ir atļauts plūst caur strāvas tranzistoriem, kas var būt vienāds ar strāvu, kas plūst caur skaļruni, kad bija ieejas signāls. Tas rada nepārtrauktus “karstos” tranzistorus un enerģijas izšķērdēšanu.

B klases pastiprinātāja darbība

Atšķirībā no A klases pastiprinātāja konfigurācijas, kas ir atkarīga no atsevišķiem jaudas tranzistoriem, B klase katrā ķēdes pusē izmanto pāris papildu BJT. Tie var būt NPN / PNP vai N-kanāla mosfet / P-kanāla mosfet formā).

Šeit vienam no tranzistoriem ir atļauts vadīt, reaģējot uz ieejas signāla pusi viļņu formas ciklu, bet otrs tranzistors apstrādā viļņa formas otro pusi.

Tas nodrošina, ka katrs pāra tranzistors pusi laika vada aktīvajā reģionā un pusi laika nogriežņa zonā, tādējādi ļaujot tikai 50% iesaistīties signāla pastiprināšanā.

Atšķirībā no A klases pastiprinātājiem, B klases pastiprinātājos jaudas tranzistori netiek novirzīti ar tiešu līdzstrāvu, tā vietā konfigurācija nodrošina to vadīšanu tikai tad, kad ieejas signāls ir lielāks par bāzes izstarotāja spriegumu, kas silīcija BJT varētu būt aptuveni 0,6 V.

Tas nozīmē, ka tad, ja nav ieejas signāla, BJT paliek izslēgti un izejas strāva ir nulle. Tāpēc tikai 50% no ieejas signāla ir atļauts ievadīt izeju jebkurā gadījumā, nodrošinot daudz labāku šo pastiprinātāju efektivitātes līmeni. Rezultātu var redzēt šajā diagrammā:

Tā kā B klases pastiprinātājos nav tiešas līdzstrāvas līdzdalības jaudas tranzistoru novirzīšanā, lai ierosinātu vadīšanu, reaģējot uz katru pusi +/- viļņu formas cikliem, tas ir obligāti nepieciešams viņu bāzei / izstarotājam Vbe iegūt lielāku potenciālu nekā 0,6 V (BJT standarta bāzes novirzes vērtība)

Iepriekš minētā fakta dēļ tas nozīmē, ka, kamēr izejas viļņu forma ir zemāka par 0,6 V atzīmi, to nevar pastiprināt un reproducēt.

Tas rada izkropļotu izejas viļņu reģionu tieši laikā, kad viens no BJT tiek izslēgts un gaida, kamēr otrs atkal ieslēdzas.

Tā rezultātā neliela viļņu formas daļa tiek pakļauta nelieliem traucējumiem krustojuma laikā vai pārejas periodā tuvu nulles krustojumam, tieši tad, kad pāreja no viena tranzistora uz otru notiek komplementāros pāros.

AB klases pastiprinātāja darbība

AB klases pastiprinātājs ir veidots, izmantojot sajaukuma f raksturlielumus no A un B klases ķēžu modeļiem, tāpēc nosaukums AB klase.

Lai gan AB klases dizains darbojas arī ar papildinošu BJT pāri, izejas pakāpe nodrošina, ka jaudas BJT slīpums tiek kontrolēts tuvu izslēgšanas slieksnim, ja nav ieejas signāla.

Šajā situācijā, tiklīdz tiek uztverts ieejas signāls, tranzistori negīni normāli darbojas savā aktīvajā reģionā, tādējādi kavējot jebkādu krustojuma deformācijas iespēju, kas parasti ir izplatīta B klases konfigurācijās. Tomēr BJT varētu būt neliels kolektora strāvas daudzums, ko var uzskatīt par nenozīmīgu salīdzinājumā ar A klases konstrukcijām.

AB klases pastiprinātāja efektivitātes rādītājs un lineāra reakcija ir daudz uzlabota, salīdzinot ar A klases kolēģiem.

AB klases pastiprinātāja izejas viļņu forma

Pastiprinātāja klase ir svarīgs parametrs, kas pastiprināšanas procesa īstenošanai ir atkarīgs no tā, kā tranzistori tiek novirzīti caur ieejas signāla amplitūdu.

Tas ir atkarīgs no tā, cik lielu daļu no ieejas signāla viļņu formas izmanto tranzistoru vadīšanai, kā arī efektivitātes koeficientu, ko nosaka jaudas daudzums, kas faktiski izmantots izejas piegādei un / vai izšķērdēšanas laikā.

Attiecībā uz šiem faktoriem mēs beidzot varam izveidot salīdzināšanas ziņojumu, parādot atšķirības starp dažādām pastiprinātāju klasēm, kā norādīts nākamajā tabulā.

Tad šajā tabulā varam salīdzināt visbiežāk sastopamos pastiprinātāju klasifikācijas veidus.

Jaudas pastiprinātāja klases

Pēdējās domas

Ja pastiprinātājs nav pareizi projektēts, piemēram, piemēram, A klases pastiprinātāja konstrukcija, darbībām var būt nepieciešama ievērojama enerģijas padeves dzesēšana, kā arī dzesēšanas ventilatori. Šādām konstrukcijām būs nepieciešami arī lielāki barošanas avoti, lai kompensētu milzīgo siltumā iztērēto enerģiju. Visi šādi trūkumi var padarīt šādus pastiprinātājus ļoti neefektīvus, kas savukārt var izraisīt pakāpenisku ierīču bojāšanos un galu galā kļūmes.

Tāpēc var būt ieteicams izvēlēties B klases pastiprinātāju, kas konstruēts ar lielāku efektivitāti - aptuveni 70% pretstatā 40% A klases pastiprinātāja. Teicis, ka A klases pastiprinātājs var solīt lineārāku atbildi ar tā pastiprinājumu un plašāku frekvences reakciju, lai gan tas nāk par ievērojamu enerģijas izšķērdēšanas cenu.