Porozumění obvodům zesilovače

Porozumění obvodům zesilovače

Obecně lze zesilovač definovat jako obvod určený k posílení aplikovaného vstupního signálu s nízkým výkonem na výstupní signál s vysokým výkonem, podle specifikovaného výkonu komponent.

Ačkoli základní funkce zůstává stejná, zesilovače lze rozdělit do různých kategorií v závislosti na jejich designu a konfiguracích.



Obvody pro zesílení logických vstupů

Možná jste narazili na jednotlivé tranzistorové zesilovače, které jsou nakonfigurovány tak, aby fungovaly a zesilovaly logiku nízkého signálu ze vstupních snímacích zařízení, jako jsou LDR, fotodiody Zařízení IR. Výstup z těchto zesilovačů se poté použije pro přepínání a žabky nebo relé ON / OFF v reakci na signály ze senzorových zařízení.



Možná jste také viděli malé zesilovače, které se používají k předzesílení hudebního nebo zvukového vstupu nebo k ovládání LED lampy.
Všechny tyhle malé zesilovače jsou kategorizovány jako malé zesilovače signálu.

Typy zesilovačů

Primárně jsou zabudovány zesilovací obvody pro zesílení hudební frekvence tak, že přiváděný malý hudební vstup je zesílen do mnoha skladeb, obvykle 100krát až 1000krát a reprodukován přes reproduktor.



V závislosti na výkonu nebo výkonu mohou mít tyto obvody návrhy od malých zesilovačů signálu založených na operačních zesilovačích po velké zesilovače signálu, které se také nazývají výkonové zesilovače. Tyto zesilovače jsou technicky klasifikovány na základě jejich pracovních principů, stupňů obvodu a způsobu v které mohou být konfigurovány pro zpracování funkce zesílení.

Následující tabulka poskytuje podrobnosti o klasifikaci zesilovačů na základě jejich technických specifikací a provozního principu:



V základním provedení zesilovače zjistíme, že většinou zahrnuje několik stupňů se sítěmi bipolárních tranzistorů nebo BJT, tranzistorů s efektem pole (FET) nebo operačních zesilovačů.

Bylo vidět, že takové bloky nebo moduly zesilovače mají několik svorek pro napájení vstupního signálu a další pár svorek na výstupu pro získávání zesíleného signálu přes připojený reproduktor.

Jednou ze svorek z těchto dvou jsou zemnicí svorky a lze ji považovat za společnou linku napříč vstupním a výstupním stupněm.

Tři vlastnosti zesilovače

Tři důležité vlastnosti, které by ideální zesilovač měl mít, jsou:

  • Vstupní odpor (Rin)
  • Výstupní odpor (směrování)
  • Zisk (A), což je rozsah zesílení zesilovače.

Pochopení funkčnosti ideálního zesilovače

Rozdíl v zesíleném signálu mezi výstupem a vstupem se označuje jako zisk zesilovače. Je to velikost nebo velikost, o kterou je zesilovač schopen zesilovat vstupní signál přes své výstupní svorky.

Vezměme si například, že pokud je zesilovač dimenzován na zpracování vstupního signálu 1 volt do zesíleného signálu 50 voltů, pak bychom řekli, že zesilovač má zisk 50, je to tak jednoduché.
Toto vylepšení nízkého vstupního signálu na vyšší výstupní signál se nazývá získat zesilovače. Alternativně to lze chápat jako zvýšení vstupního signálu o faktor 50.

Poměr zisku Zisk zesilovače je tedy v podstatě poměr výstupních a vstupních hodnot úrovní signálu, nebo jednoduše výstupní výkon dělený vstupním výkonem, a je přičítán písmenem „A“, které také označuje zesilovací výkon zesilovače.

Typy zisků zesilovače Různé typy zisků zesilovače lze klasifikovat jako:

  1. Zisk napětí (vypnuto)
  2. Aktuální zisk (Ai)
  3. Power Gain (Ap)

Příklad vzorců pro výpočet zisků zesilovače V závislosti na výše uvedených 3 typech zisků lze vzorce pro jejich výpočet zjistit z následujících příkladů:

  1. Zisk napětí (Av) = výstupní napětí / vstupní napětí = Vout / Vin
  2. Zisk proudu (Ai) = výstupní proud / vstupní proud = Iout / Iin
  3. Zisk energie (Ap) = Av.x.A i

Pro výpočet energetického zisku můžete také použít vzorec:
Zisk výkonu (Ap) = výstupní výkon / vstupní výkon = Aout / Ain

Bylo by důležité poznamenat, že dolní index p, v, i používané pro výpočet výkonu jsou přiřazeny k identifikaci konkrétního typu zesílení signálu, na kterém se pracuje.

Vyjadřování decibelů

Najdete další metodu vyjádření energetického zisku zesilovače, která je v decibelech nebo (dB).
Míra nebo množství Bel (B) je logaritmická jednotka (základna 10), která nemá jednotku měření.
Decibel však může být pro praktické použití příliš velká jednotka, proto pro výpočty zesilovače používáme decibel (dB) ve snížené verzi.
Zde je několik vzorců, které lze použít k měření zesílení zesilovače v decibelech:

  1. Zisk napětí v dB: vypnuto = 20 * protokol (vypnuto)
  2. Aktuální zisk v dB: ai = 20 * log (Ai)
  3. Zisk energie v dB: ap = 10 * log (Ap)

Některá fakta o měření dB
Je důležité si uvědomit, že stejnosměrný zisk zesilovače je 10krát větší než běžná logarita jeho poměru výstup / vstup, zatímco zisky proudu a napětí jsou 20krát větší než běžná logaritmická hodnota jejich poměrů.

To znamená, že protože se jedná o logaritmickou stupnici, nelze zisk 20dB považovat za dvojnásobek 10dB kvůli nelineární charakteristice měření logaritmických stupnic.

Když je zisk měřen v dB, kladné hodnoty znamenají zisk zesilovače, zatímco záporná hodnota dB znamená ztrátu zesílení zesilovače.

Například pokud je identifikován zisk + 3dB, znamená to dvojnásobný nebo x2 zisk konkrétního výstupu zesilovače.

Naopak, pokud je výsledek -3 dB, znamená to, že zesilovač má ztrátu 50% zisku nebo míru ztráty 0,5%. Toto se také označuje jako poloviční výkonový bod, což znamená -3 dB nižší než maximální dosažitelný výkon, s ohledem na 0 dB, což je maximální možný výstup ze zesilovače

Výpočet zesilovačů

Vypočítejte napětí, proud a zesílení výkonu zesilovače s následujícími specifikacemi: Vstupní signál = 10 mV @ 1 mA Výstupní signál = 1 V @ 10 mA. Dále zjistěte zesílení zesilovače pomocí hodnot decibelů (dB).

Řešení:

Použitím výše uvedených vzorců můžeme vyhodnotit různé typy zisků spojených se zesilovačem podle specifikací vstupního výstupu v ruce:

Zisk napětí (Av) = výstupní napětí / vstupní napětí = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Zisk proudu (Ai) = výstupní proud / vstupní proud = Iout / Iin = 10/1 = 10
Zisk energie (Ap) = Av. x A i = 100 x 10 = 1000

Pro získání výsledků v Decibelech použijeme odpovídající vzorce uvedené níže:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30 dB

Členění zesilovače

Malé zesilovače signálu: S ohledem na výkonové a napěťové zesílení zesilovače je možné rozdělit je do několika různých kategorií.

První typ se označuje jako malý zesilovač signálu. Tyto malé signální zesilovače se obecně používají ve stupních předzesilovače, zesilovačích přístrojů atd.

Tyto typy zesilovačů jsou vytvořeny pro manipulaci s úrovněmi minutového signálu na jejich vstupech, v rozsahu některých mikro voltů, například ze senzorových zařízení nebo vstupů malých zvukových signálů.

Velké zesilovače signálu: Druhý typ zesilovačů se jmenuje velký zesilovač signálu a jak název napovídá, tyto se používají v aplikacích výkonových zesilovačů pro dosažení velkých rozsahů zesílení. V těchto zesilovačích je vstupní signál relativně větší, takže je lze podstatně zesílit pro jejich reprodukci a převedení do výkonných reproduktorů.

Jak výkonové zesilovače fungují

Protože malé zesilovače signálu jsou navrženy pro zpracování malých vstupních napětí, jsou označovány jako malé zesilovače signálu. Pokud je však vyžadován zesilovač pro práci s aplikacemi s vysokým spínacím proudem na jejich výstupech, jako je provoz motoru nebo ovládání subwooferů, výkonový zesilovač se stává nevyhnutelným.

Nejpopulárněji se výkonové zesilovače používají jako zvukové zesilovače pro řízení velkých reproduktorů a pro dosažení obrovských zesílení úrovně hudby a výstupů hlasitosti.

Výkonový zesilovač vyžaduje pro svou práci externí stejnosměrný výkon a tento stejnosměrný výkon se využívá k dosažení zamýšleného zesílení vysokého výkonu na jejich výstupu. Stejnosměrný výkon se obvykle získává prostřednictvím vysokonapěťových vysokonapěťových napájecích zdrojů přes transformátory nebo jednotky založené na SMPS.

I když jsou výkonové zesilovače schopné zesílit spodní vstupní signál na vysoce výstupní signály, postup není ve skutečnosti příliš efektivní. Je tomu tak proto, že v procesu dochází k plýtvání podstatným množstvím stejnosměrného proudu ve formě rozptylu tepla.

Víme, že ideální zesilovač by produkoval výstup téměř rovný spotřebě energie, což by vedlo k účinnosti 100%. Prakticky to však vypadá docela vzdáleně a nemusí to být možné, kvůli inherentním ztrátám stejnosměrného proudu z napájecích zařízení ve formě tepla.

Účinnost zesilovače Z výše uvedených úvah můžeme efektivitu zesilovače vyjádřit jako:

Účinnost = Zesilovač Výstup výkonu / Spotřeba zesilovače DC = Pout / Pin

Ideální zesilovač

S odkazem na výše uvedenou diskusi je možné, abychom načrtli hlavní charakteristiky ideálního zesilovače. Jsou konkrétně vysvětleny níže:

Zisk (A) ideálního zesilovače by měl být konstantní bez ohledu na měnící se vstupní signál.

  1. Zisk zůstává konstantní bez ohledu na frekvenci vstupního signálu, což umožňuje, aby výstupní zesílení zůstalo nedotčeno.
  2. Výstup zesilovače je bez jakéhokoli druhu šumu během procesu zesílení, naopak obsahuje funkci redukce šumu, která ruší veškerý možný šum způsobený vstupním zdrojem.
  3. Zůstává nedotčen změnami teploty okolí nebo atmosférické teploty.
  4. Dlouhodobé používání má minimální nebo žádný vliv na výkon zesilovače a zůstává konzistentní.

Klasifikace elektronického zesilovače

Ať už jde o napěťový zesilovač nebo výkonový zesilovač, jsou klasifikovány na základě jejich charakteristik vstupního a výstupního signálu. To se provádí analýzou toku proudu s ohledem na signál vstupního signálu a čas potřebný k dosažení výstupu.

Na základě jejich konfigurace obvodu lze výkonové zesilovače kategorizovat v abecedním pořadí. Jsou jim přiřazeny různé provozní třídy, například:

Třída 'A'
Třída 'B'
Třída 'C'
Třída „AB“ atd.

Ty mohou mít vlastnosti od téměř lineární výstupní odezvy, ale spíše nízkou účinnost až po nelineární výstupní odezvu s vysokou účinností.

Žádnou z těchto tříd zesilovačů nelze rozlišit jako horší nebo lepší než každý jiný, protože každý má svou vlastní specifickou oblast použití v závislosti na požadavku.

Pro každou z nich můžete najít optimální účinnost převodu a jejich popularitu lze identifikovat v následujícím pořadí:

Zesilovače třídy „A“: Účinnost je obvykle nižší než 40%, ale může vykazovat vylepšený lineární výstup signálu.

Zesilovače třídy „B“: Míra účinnosti může být dvojnásobná oproti třídě A, prakticky kolem 70%, vzhledem k tomu, že pouze aktivní zařízení zesilovače spotřebovávají energii, což způsobuje pouze 50% využití energie.

Zesilovače třídy „AB“: Zesilovače v této kategorii mají úroveň účinnosti někde mezi úrovní třídy A a třídy B, ale reprodukce signálu je ve srovnání s třídou A horší.

Zesilovače třídy „C“: Jsou považovány za mimořádně účinné z hlediska spotřeby energie, ale reprodukce signálu je nejhorší s velkým zkreslením, což způsobuje velmi špatnou replikaci charakteristik vstupního signálu.

Jak fungují zesilovače třídy A:

Zesilovače třídy A mají v aktivní oblasti ideálně předpjaté tranzistory, což umožňuje přesné zesílení vstupního signálu na výstupu.

Kvůli této dokonalé funkci předpětí se tranzistoru nikdy nesmí driftovat směrem k jejich odříznutým nebo přes saturovaným oblastem, což má za následek správné optimalizaci zesílení signálu a jeho vystředění mezi zadaným horním a dolním omezením signálu, jak je znázorněno v následujícím obraz:

V konfiguraci třídy A jsou stejné sady tranzistorů aplikovány na dvě poloviny výstupního průběhu. A v závislosti na druhu předpětí, které používá, se výstupní výkonové tranzistory vždy vykreslují v zapnuté poloze, bez ohledu na to, zda je vstupní signál aplikován nebo ne.

Z tohoto důvodu mají zesilovače třídy A extrémně špatnou účinnost, pokud jde o spotřebu energie, protože skutečné dodávání energie na výstup je omezováno kvůli nadměrnému plýtvání ztrátou zařízení.

S výše vysvětlenou situací je možné vidět zesilovače třídy, které mají vždy přehřáté výstupní výkonové tranzistory i při absenci vstupního signálu.

I když není k dispozici žádný vstupní signál, DC (Ic) ze zdroje napájení může protékat výkonovými tranzistory, které se mohou rovnat proudu protékajícímu reproduktorem, když byl přítomen vstupní signál. To vede k nepřetržitému „horkému“ tranzistoru a plýtvání energií.

Provoz zesilovače třídy B.

Na rozdíl od konfigurace zesilovače třídy A, která závisí na jednotlivých výkonových tranzistorech, používá třída B dvojici doplňkových BJT napříč každou poloviční částí obvodu. Mohly by být ve formě NPN / PNP nebo M-kanálu N-kanálu / M-kanálu P-kanálu).

Zde je jednomu z tranzistorů umožněno vést v reakci na jeden poloviční cyklus vln vstupního signálu, zatímco druhý tranzistor zpracovává druhý poloviční cyklus vlnového průběhu.

Tím je zajištěno, že každý tranzistor v páru vede po polovinu času v aktivní oblasti a polovinu času v mezní oblasti, což umožňuje pouze 50% zapojení do zesílení signálu.

Na rozdíl od zesilovačů třídy A, u zesilovačů třídy B nejsou výkonové tranzistory předpjaté přímým stejnosměrným proudem, místo toho konfigurace zajišťuje, že budou fungovat pouze při vstupním signálu vyšším než je napětí základního emitoru, které by mohlo být kolem 0,6 V pro křemíkové BJT.

To znamená, že pokud není k dispozici žádný vstupní signál, zůstanou BJT vypnuté a výstupní proud je nulový. Díky tomu je v každém případě povoleno vstupovat na výstup pouze 50% vstupního signálu, což umožňuje mnohem lepší účinnost těchto zesilovačů. Výsledek lze vidět na následujícím diagramu:

Vzhledem k tomu, že v předpětí výkonových tranzistorů v zesilovačích třídy B neexistuje přímé zapojení stejnosměrného proudu, aby bylo možné zahájit vedení v reakci na každou polovinu cyklů +/- tvaru vlny, je pro jejich základnu / emitor nezbytné Vbe získat vyšší potenciál než 0,6 V (standardní hodnota základního předpětí pro BJT)

Vzhledem k výše uvedené skutečnosti to znamená, že zatímco je výstupní křivka pod značkou 0,6 V, nelze ji zesilovat a reprodukovat.

To vede ke zkreslené oblasti pro výstupní vlnovou křivku, právě během období, kdy se jeden z BJT vypne a čeká, až se druhý znovu zapne.

To má za následek, že malá část průběhu bude vystavena menšímu zkreslení během přechodového období nebo přechodového období blízko přechodu nuly, přesně když dojde k přechodu z jednoho tranzistoru na druhý napříč komplementárními páry.

Provoz zesilovače třídy AB

Zesilovač třídy AB je sestaven pomocí kombinace charakteristik z návrhů obvodů třídy A a třídy B, odtud název třídy AB.

Přestože design třídy AB pracuje také s dvojicí komplementárních BJT, výstupní stupeň zajišťuje, že předpětí výkonových BJT je řízeno v blízkosti mezní hodnoty, při absenci vstupního signálu.

V této situaci, jakmile je detekován vstupní signál, tranzistory začínají pracovat normálně ve své aktivní oblasti, čímž brání jakékoli možnosti zkreslení, které obvykle převládá v konfiguracích třídy B. Mohlo by však dojít k nepatrnému množství kolektorového proudu procházejícího napříč BJT, toto množství lze považovat za zanedbatelné ve srovnání s konstrukcemi třídy A.

Zesilovač třídy AB vykazuje mnohem lepší účinnost a lineární odezvu na rozdíl od protějšku třídy A.

Výstupní křivka zesilovače třídy AB

Zesilovač Class je důležitým parametrem, který závisí na tom, jak jsou tranzistory předpjaty přes amplitudu vstupního signálu, pro implementaci procesu zesílení.

Spoléhá se na to, jak velká část křivky vstupního signálu se využívá k vedení tranzistorů, a také na faktor účinnosti, který je určen množstvím energie skutečně použitým k dodání výstupu a / nebo plýtváním ztrátou.

S ohledem na tyto faktory můžeme konečně vytvořit srovnávací zprávu ukazující rozdíly mezi různými třídami zesilovačů, jak je uvedeno v následující tabulce.

Pak můžeme provést srovnání nejběžnějších typů klasifikací zesilovačů v následující tabulce.

Třídy výkonových zesilovačů

Závěrečné myšlenky

Pokud zesilovač není navržen správně, například design zesilovače třídy A, může vyžadovat značné chlazení na výkonových zařízeních spolu s chladicími ventilátory pro provoz. Takové konstrukce budou také vyžadovat větší napájecí vstupy pro kompenzaci obrovského množství energie promarněné teplem. Všechny tyto nevýhody mohou způsobit, že tyto zesilovače budou velmi neúčinné, což by zase mohlo způsobit postupné zhoršení zařízení a nakonec selhání.

Proto může být vhodné použít zesilovač třídy B navržený s vyšší účinností kolem 70% oproti 40% zesilovače třídy A. Z toho vyplývá, že zesilovač třídy A může slibovat lineárnější odezvu se svým zesílením a širší frekvenční odezvu, i když to má cenu podstatného plýtvání energií.




Předchozí: Základy učení polovodičů Další: Byly prozkoumány 2 jednoduché obousměrné řídicí obvody motoru