Виды усилителей: Виды усилителей — Club155.ru

Содержание

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 +Uпит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал Uвх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение Uвых . Питается наш четырехполюсник через +Uпит , 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.

[quads id=1]

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

Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .

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  EИ   и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи  EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от  входного сопротивления усилительного каскада Rвх .

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 E

вых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн  будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .

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

KU – это коэффициент усиления по напряжению

Uвых – напряжение на выходе усилителя, В

Uвх – напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых 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 Rвх намного больше, чем Rвых т. е.  Rвх >>Rи  и Rн намного больше, чем Rвых    (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . 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 KI   – коэффициент усиления по току

Iвых  – сила тока в цепи нагрузки, А

Iвх  – сила тока во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI 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 Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн 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 Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =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 Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых  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

KP – коэффициент усиления по мощности

Pвых  – мощность на выходе усилителя, Вт

Pвх  – 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: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .

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

Pвых – выходная мощность усилителя, Вт

Iвых – сила тока в цепи нагрузки, А

UВых  – напряжение на нагрузке, В

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

где

Pвых – выходная мощность усилителя, Вт

Iвых – сила тока в цепи нагрузки, А

Uвых  – 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 KU > 1, KI = 1;       в УТ KI > 1, KU = 1;          в УМ KU > 1 и KI > 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.

Усилители звука | Виды усилителей, их особенности, описание

ТИПЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

Усилители мощности звуковой частоты бывают разными в зависимости от используемых элементов для достижения необходимого результата.

  • Ламповые
  • Транзисторные
  • На интегральных схемах
  • Гибридные
  • Двухканальные/Стерео
  • Многоканальные

Давайте рассмотрим каждый из них и разберем их особенности.

Двухканальные либо Стерео усилители HI END класса

 

Преимущественно усилители рассчитаны на использование в звуковоспроизводящих стереосистемах, проще говоря, имеют два канала. Но многие среди таких стерео усилителей могут применяться как одноканальные за счет мостового режима подключения к нагрузке. Это дает практически удваивание выходной мощности усилителя. Одноканальные, или говоря иначе моноусилители, могут служить в качестве составляющих высококачественных стереосистем. Также для звучания отдельных сигналов моноусилители применяются и в многоканальных системах.

Еще важнее не только площадь, но и… архитектура. Ведь часть исторических сцен, театров или концертных площадок, создавались без современных знаний по акустике. Попытка вызвучить зал простой стереосистемой приведет к отражению от стен, потолка и многоярусных перекрытий и многократному наложению звука. При этом появляются пространства с неравномерностями звука, да еще и находящимися в зависимости от частот. И с подобными задачами можно справиться используя современные стерео системы.

Ламповые усилители

 

С целью улучшения качества воспроизводимого звучания усилители мощности прошли довольно длительный эволюционный путь. До последней четверти XX-го века бал правили ламповые, использующие в качестве усилительных элементов электровакуумные электронные лампы. Создавались усилители огромной мощности, в несколько десятков тысяч ватт. Выделялись они своим изрядным весом и размерами, выделением большого количества тепла и обладали низким КПД. Не смотря на это, в конце прошлого века, наступил «ламповый ренессанс» и среди поклонников звука сложилось мнение что лишь ламповый усилитель может передать настоящий чистый звук. До сих пор они продолжают выпускаться малыми сериями, и не взирая на чрезвычайно высокую цену, пользуются интересом у настоящих аудиофилов.

Многоканальные усилители

 

Для воспроизведения объемного звука высокого качества используются технологии многоканального звучания. С их помощью решаются как вопросы звучания домашних кинотеатров, так восприятия в многоканальном варианте и музыкальных записей. Дело в том, что звуковые картины различных сцен для выступлений складываются из тончайших деталей. И при создании подобных звуковых систем, передающих расположение источников звучания, возникают проблемы отличия воспринимаемых слушателем от реально локализованных инструментов во время записи.

Еще возникает вопрос расширения стереобазы. Если в случае с домашними кинотеатрами в месте отдыха и располагается центр зоны прослушивания, то с увеличением площади прослушивания и удалением слушателя от центра стереобазы нарастают искажения. При озвучке огромных площадей, вплоть до стадионов, важность точной многоканальной усилительной техники сложно переоценить.

Например, в указанном выше случае, используют деление всего сигнала на частотные полосы кроссоверами. Каждый полученный диапазон частот усиливается и воспроизводится раздельно. В дальнейшем устанавливается множество узкополосных акустических систем, которые воспроизводят с повышенным звуковым давлением соответствующие частотные диапазоны и создают ровное звуковое поле, существенно уменьшают искажения по фазе и отражения.

Огромнейшее внимание уделяется подборке и расположению акустических систем. Ведь ничтожная ошибка монтажа в направлении их работы «множит на ноль» все возможности даже качественной многоканальной системы. Обычно все элементы звукового массива снабжены собственными цифровыми усилителями, в которые порой встроены звуковые процессоры, вносящие в звукоряд требуемые временные или частотные предварительные искажения. И каждый усилитель настраивается для достижения лучшего звукового поля применимо к типам динамиков и характеристикам корпуса.

В случае единого управления звучанием нескольких отдельных зон в большом помещении (например в случае с развлекательными комплексами) тоже могут применяться многоканальные системы, обеспечивающие воспроизведение разных музыкальных программ в разных участках и залах комплекса без помех и перекрытий.

Горизонты усложнения усилительных комплексов продолжают удаляться за край по мере приближения к решению проблем. Тут во главу угла встает соотношение цена/качество. На базе блочного варианта Модели 6 Hi End стереоусилителя PAS-240 российская компания Profil Audio предлагает возможность сборки многоканальных комплексов.

Транзисторные усилители

 

На смену «теплым ламповым» пришли усилители с конструкцией оконечного каскада основанной на биполярных или же полевых транзисторах. Отличались они простотой и довольно весомой выходной мощностью. Но не так давно стали вытеснятся интегральными конструкциями, даже в мощных решениях, когда уменьшение габаритов усилителей не является решающим фактором.

 

На интегральных схемах

 

Но востребованность малых размеров усилителей, с наименьшим количеством структурных элементов, привела к широкому распространению решений на интегральных микросхемах. Такие схемы могут содержать на одном кристалле как предварительные, так и оконечные усилители. И они могут быть основаны на разных схемах и различаются в классах работ.

 

Гибридные усилители

 

В итоге «все смешалось» и пришло время гибридных усилителей. В них части каскадов собираются и на электронных лампах, и на основе полупроводниковых элементов. Порой гибридными считают усилители, которые наряду с транзисторами и лампами собраны и на интегральных микросхемах.

Усилители мощности. Что это за устройства и какие они бывают?

Музыкальное оформление создает настроение и определяет стиль и концепцию любого помещения. Озвучивают не только концертные залы,  рестораны и дискотеки, но и спортивные клубы, офисные здания, и, конечно же, торговые площади - магазины, бутики и развлекательные центры. 

Что такое качественное звуковое оформление?.

Минимальный комплект оборудование для озвучивания включает в себя: акустическую систему, состоящую из нескольких громкоговорителей, устройство для воспроизведения звукового сигнала - CD/DVD/MP3 плеер, усилитель мощности или микшер - усилитель и акустический кабель.

О ключевых звеньях системы озвучивания - усилителе мощности и микшер-усилителе, мы поговорим более подробно. Что они из себя представляют, как устроены и для чего предназначены?

Усилители мощности звука есть в любом устройстве, воспроизводящем звуковые сигналы, так как изначально считываемый сигнал всегда имеет малую мощность, недостаточную для передачи его другим устройствам, поэтому их можно найти в каждом магнитофоне, мобильном телефоне, компьютере и даже в говорящих детских игрушках. Усилитель мощности - это прибор, предназначенный для усиления электрических сигналов до такого звукового диапазона, который способно воспринимать человеческое ухо (от 16 до 22 кГц), однако с возрастом верхняя граница чувствительности слуха снижается и большинство взрослых людей не слышит звук, частота которого выше 16 кГц.

Устройства, которые напоминают современные усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ), впервые появились только в XIX веке и заметно изменились лишь с момента появления электронных приборов. Родоначальниками этих приборов были ламповые усилители, а в конце 50-х годов XX века появились первые полупроводниковые - транзисторные устройства.

Звуковые усилители мощности могут быть как отдельными независимыми устройствами, со своей панелью управления, так и внутренними элементами прибора, запаянными в гибридную микросхему. Усилитель мощности последнее звено в современной цепочке системы звукоусиления, из-за этого в профессиональной среде за ним закрепилось прозвище - "оконечный усилитель мощности" или просто "оконечник".

По назначению и области применения усилители мощности бывают профессиональными и бытовыми. Профессиональные, в свою очередь делятся на концертные, студийные, трансляционные и другие, исходя из специфики их применения. Чем мощнее прибор, тем больше электрического тока он потребляет, тем соответственно, громче звук, который он сможет воспроизводить.

Бытовые усилители мощности знакомы нам по домашним музыкальным центрам, ресиверам и автомобильным магнитолам. Стоит сказать о том, что эволюция обоих типов устройств, шла разными путями. Если бытовые, домашние усилители мощности претерпели не только внутренние, но и большие внешние изменения: прошли долгий путь от  ламповых приемников, проигрывателей необычного дизайна и размера до моноблочных и раздельных звукоусилительных систем, то профессиональные устройства практически не изменились внешне. После принятия в 80-х годах единого стандарта габаритов по метрической системе (в дюймах), концертные, студийные и другие профессиональные акустические усилители имеют одинаковые размеры передней панели: длина 18 дюймов, высота кратна 1,75 дюйма (44,5 мм), также её называют 1U или 1 РЭК. Такое решение было обосновано необходимостью встраивать их в специальные шкафы или стойки для звукового оборудования. В последствии их также стали называть рэковыми. Единый стандарт значительно упростил транспортировку оборудования, а также сделал возможным  замену усилителя на другую модель в случае его поломки.

В зависимости от принципа деятельности и режима работы выходных элементов, выделяют несколько классов усилителей. Причем еще только два десятка лет назад существовали только два типа усилителей: класса "АB" и класса "А". Сегодня можно найти устройства, класса "А", "АВ", "В", "G", "H", "Т" и других, не имеющих названия классов. Такое разнообразие обусловлено новейшими технологиями в области производства полупроводников, которые позволили повысить качество воспроизведения звука, уменьшить размеры и значительно снизить цену на усилители мощности. К классу "А" относятся в основном ламповые оконечники. Для них характерен низкий уровень КПД - около 25%, но при этом небольшая степень искажения звука.

Усилители класса "В" - менее популярны. В этом классе работают в основном транзисторные оконечники. Их КПД приблизительно равен 70%, но они рассеивают в виде тепла довольно много энергии. Усилители В-класса отличает низкий уровень шумов в отсутствие сигнала и сухостью звучания.

Идеальный вариант - взять всё лучшее от каждого класса устройств,  именно так и образовался третий класс - "АВ". Устройства, относящиеся к этому классу, в режиме максимальной нагрузки ведут себя как класс "В", а в режиме тихих сигналов - как усилители  класса "А", их КПД приближается к 60%. Этот класс пользуются наибольшей популярностью в сфере звукотехники в силу своей универсальности.

Усилители "D"-класса появились сравнительно недавно, от собратьев они отличаются малым весом и довольно высоким КПД - порядка 85%! Однако ошибочно принимать усилители класса "D" за цифровые. Действительно, входящий сигнал становится бинарным, т.е. цифровым аудиосигналом, но никакими другими преимуществами, свойственными цифровым усилителям мощности, "D"-усилители не обладают. 

Класс "G" - представляет собой усовершенствованную версию устройств "AB", в котором используется источник питания с разными напряжениями и за счет этого снижается рассеиваемая мощность усилителя.

Класс "H" чем-то напоминает класс "G", однако он не подходит для воспроизведения музыкальных сигналов с широким динамическим диапазоном. В данном случае значительно возрастают потери энергии при переключении мощности, поэтому "Н"-усилители не подходят для музыкальных сигналов широкого динамического диапазона. Отличительной особенностью усилителей классов "D" и "T" является потребление энергии даже в отсутствие сигнала. Это происходит из-за постоянного присутствия в них мощных высокочастотных импульсов.

На рынке представлены различные модели усилителей как отечественных, так и зарубежных производителей. Наиболее широкое применение в сфере современного звукового оформления получили стерео-усилители, трансформаторные (трансляционные) усилители и комбинированные устройства - микшер-усилители. Все они отличаются не только конструктивными особенностями, но и качественными характеристикам воспроизведения звуковых волн.

Стерео-усилители - это двухканальные устройства, для прослушивания музыки в высоком качестве с минимальными искажениями даже при большом усилении звукового сигнала. КПД стерео-усилителей колеблется в диапазоне 25-75%. Кроме этого, современные модели двухканальных усилителей звука комплектуются специальными устройствами для улучшения качества воспроизведения звукового сигнала - это различные виды DSP (Digital Signal Processing-цифровая обработка сигнала) и эквалайзеров - темброболоков или так называемых «выравнивателей», избирательно корректирующих амплитуду звуковой частоты. Стерео-усилители - это своеобразный связующий элемент между слушателем и акустической системой, который позволяет насладиться всеми гранями воспроизводимых музыкальных композиций, придает им дополнительную эмоциональную окраску.

В отличие от стерео-усилителей, трансляционные усилители помимо  прочего, предназначены и для передачи информационных сообщений. Очень часто этот тип усилителей применяется в системах пожарного оповещения, ведь они способны функционировать даже при наличии резервных 24 В.

Обычно «трансформаторными» называют усилители, которые имеют трансформатор на выходе, таким образом, он служит для согласования прибора с акустической системой (громкоговорителями), которая также имеет трансформатор на входе. Благодаря этому расстояние от микшера-усилителя до громкоговорителей может составлять до 1км. Трансформаторные усилители работают в режиме 70-100 В.

Современные трансформаторные микшер-усилители - это, как правило, одноканальные устройства, которые позволяют быстро переключаться с подачи фоновой музыки на речевой канал и работают в 100-вольтовом режиме. Также возможно организовать зонированную подачу сообщений в каждое отдельное помещение, если речь идет о нескольких залах (например в ресторане, офисном здании, фитнес-клубе и т.д.)

При организации торжественных мероприятий или небольших концертов большой пользуются популярностью пользуются комбинированные низкоомные микшер-усилители. Они выполняют все функции не только усилителя мощности звука, но и профессионального микшерного пульта. Преимущества использования этих устройств, сочетающих в себе сразу несколько элементов звуковой системы, очевидны: компактность, мобильность, простота и легкость в установке. Микшер-усилитель - как правило, двухканальное стереофоническое устройство, но также бывают модели, которые представляют собой интегрированный многополосный микшерный пульт, на котором смешиваются (микшируются) сразу несколько инструментальных и микрофонных каналов. Для небольших помещений стандартной мощности в 150-500 Вт бывает вполне достаточно, чтобы усилить звуковой сигнал до нужной громкости.

Итак, мы рассмотрели основные типы и виды представленных на рынке усилителей мощности. Прежде всего, стоит заметить, что выбирать усилитель мощности нужно либо после, либо вместе с акустическими системами - громкоговорителями. Мощность акустической системы должна быть несколько выше, чем мощность усилителя, необходимо иметь некоторый запас, который позволит гарантировать сохранность безопасность работы громкоговорителей. При этом мощность усилителя не должна быть и слишком низкой, так как маломощный прибор, не сможет долго работать на пределе своих возможностей. Еще совсем недавно все, что требовалось от усилителя мощности - это качественное усиление звука, но теперь функциональность этих устройств значительно расширилась. С помощью современных моделей усилителей возможно осуществлять не только компьютерное управление, но и программирование воспроизведения музыкального контента.

6.1.    Классификация, основные характеристики и параметры усилителей

Наиболее важное назначение электронных приборов – усиление электрических сигналов. Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются электронными усилителями (рис. 6.1). Усилительные устройства находят очень широкое применение. Они являются основными узлами различной электронной аппаратуры, широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, в следящих, управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительных машинах, контрольно-измерительных приборах и т.д.

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения мощности входного сигнала. Увеличение мощности, выделяемой в сопротивлении нагрузки, по сравнению с мощностью источника входного сигнала, достигается за счет энергии источника постоянного напряжения, называемого источником питания (при этом соблюдается закон сохранения энергии). Маломощный входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку. Под воздействием входного сигнала на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, которые и передаются в нагрузку.

Усилители, используемые в современных устройствах, отличаются параметрами, назначением, характером усиливаемых сигналов и т.д.

По характеру усиливаемого сигнала усилители можно разделить на две группы: усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов:

Усилители гармонических сигналов (гармонические усилители) предназначены для усиления непрерывных во времени сигналов. При изменении любого параметра сигнала в усилителе возникает переходный процесс: колебание на выходе усилителя достигает установившегося значения через определенное время. Параметры усиливаемого сигнала в гармонических усилителях изменяются значительно медленнее переходных процессов;

Усилители импульсных сигналов (импульсные усилители) предназначены для сигналов, уровень которых меняется настолько быстро, что переходный процесс является определяющим для усиленного сигнала.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот можно выделить следующие группы усилителей:

· усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие как переменную, так и постоянную составляющие сигнала, т.е. низшая пропускаемая частота fн = 0;

· усилители переменного тока, усиливающие только переменную составляющую сигнала.

В свою очередь, усилители переменного тока в зависимости от значений частот fн и fв делятся на следующие группы:

ü усилители звуковых частот (УЗЧ) или усилители низких частот (УНЧ), частотный спектр которых лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц;

ü усилители высокой частоты (УВЧ), имеющих полосу пропускания от десятков килогерц до сотен мегагерц;

ü избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно fв / fн ≈ 1). Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах. Часто их называют резонансными или полосовыми;

ü усилители видеочастот, работающие в полосе частот от 50 Гц до 6 МГц. Усилители с fв > 100 кГц называют широкополосными.

По типу усилительного элемента различают: транзисторные, ламповые, параметрические, квантовые и магнитные усилители.

По конструктивному выполнению усилители можно подразделить на две большие группы: усилители, выполненные с помощью дискретной технологии и усилители, выполненные с помощью интегральной микросхемотехники.

Приведенные классификационные признаки являются далеко не полными. Можно подразделять усилители по электрическому параметру усиливаемого сигнала. По этому признаку усилители подразделяют на усилители напряжения, тока или мощности (такое разделение условно, так как в любом случае усиливается мощность). По числу усилительных каскадов усилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные и т.д.

Работу усилителей принято оценивать рядом технических показателей и характеристик, которые зависят от требований, предъявляемых к ним, и их конкретного назначения. Важнейши

Усилитель (электроника) - это... Что такое Усилитель (электроника)?

Усилитель (электроника)

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.

История

  • 1904 г. 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 г. Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
  • 1942 г. 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
  • 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 усилительный элемент, 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, эмиттером, коллектором (у биполярного транзистора), с общим затвором, истоком, стоком (у полевого транзистора) и с общей сеткой, катодом, 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 инвертором.
    • 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
  • 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 сращивания слов КАтОД и СетКа
  • 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°

Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах

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

Режим B, двухтактный каскад

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 аналогоцифрового преобразования аналогоцифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналогоцифровое 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 цифроаналоговый 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

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. Основная статья — Усилитель постоянного тока
  • 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. Основная статья — Усилитель звуковых частот
  • 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 емкостной
  • 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. Основная статья — Дифференциальный усилитель
  • 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. Основная статья — Операционный усилитель
  • 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

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, 11,7 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 для систем проводного вещания
  • Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств
  • Усилители звуковой частоты бытовые. 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. Основная статья — Измерительный усилитель (средство измерений)
  • 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.

Предварительный усилитель

Hi-Fi УНЧ McIntosh MA6800

Усилитель мощности Aleph 3

Основные нормируемые характеристики

Литература и документация

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. Учеб. пособие., 2003. Дальневосточный Государственный Технический Университет.

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) Аккустическая 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

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

  • Ускова, Яна
  • Ускорайт, Ханс Георг

Смотреть что такое "Усилитель (электроника)" в других словарях:

  • Усилитель постоянного тока — (УПТ) электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких… …   Википедия

  • Усилитель промежуточной частоты — (УПЧ) электронный усилитель сигнала промежуточной частоты. Применяется в трактах радиоприёмных и радиопередающих устройств, измерительных приборов. Широко используются при построении систем связи, радиолокации, радионавигации. Благодаря… …   Википедия

  • УСИЛИТЕЛЬ — УСИЛИТЕЛЬ, устройство для изменения величины сигнала, например, напряжения, тока или механического перемещения, но без изменения вида самой величины. Усилители используются в радио и телепередатчиках и приемниках, в звуковом оборудовании. В… …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • Электроника — У этого термина существуют и другие значения, см. Электроника (значения). Различные электронные компоненты Электроника (от греч …   Википедия

  • Электроника (торговая марка) — В данной статье или разделе имеется список источников или внешних ссылок, но источники отдельных утверждений остаются неясными из за отсутствия сносок …   Википедия

  • Электроника ВЛ-100 — У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом …   Википедия

  • Усилитель звуковых частот — Эту страницу предлагается переименовать в Усилитель звуковой частоты. Пояснение причин и обсуждение  на странице Википедия:К переименованию/3 ноября 2012. Возможно, её текущее название не соответствует нормам современного русского языка …   Википедия

  • Электроника (значения) — Электроника: В Викисловаре есть статья «электроника» Электроника  наука о взаимодействии …   Википедия

  • Усилитель биопотенциалов — …   Википедия

  • Электроника (наука) — Электроника раздел электротехники, наука об использовании электрических устройств, которые работают на основе управления потоками электронов или других заряженных частиц в таких устройствах, как электронные лампы или полупроводниковые приборы. В… …   Википедия

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Операционные усилители на корпусе имеют обычно пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия
Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:
  1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
  2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному мультиметру.

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2πf повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с гистерезисом, которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Похожие темы:

Антенные усилители. Типы и устройство. Применение и как выбрать

Антенные усилители – это устройства, которые усиливают телевизионный или радио сигнал. Наибольшее распространение получили усилители телевизионного сигнала. Их часто применяют в сельской местности, небольших отдаленных городах, а иногда и в крупных мегаполисах. Подобные устройства позволяют улучшить качество сигнала, принимаемого телевизионной антенной, в том числе снизить помехи.

С помощью данных приборов можно усиливать определенные диапазоны телевизионных сигналов, в том числе снижать уровень имеющихся помех. В результате телевизор сможет показывать максимально качественную «картинку». Усилители будут особенно полезны в случаях, когда расстояние до телевизионной башни значительно, используется антенна без усилительного устройства или при наличии естественных препятствий, ухудшающих сигнал.

Виды и типы
Усилители по типу можно разделить на:
  • Мачтовые. Они монтируются прямо на мачте, питание к ним подводится по коаксиальному кабелю.Антенные усилители позволяют отлично усилить телевизионный сигнал. Однако они являются не очень долговечными. Вызвано это тем, что они крепятся на мачте и при грозе могут выйти из строя. К тому же они могут утратить свои качества вследствие окисления контактов при попадании влаги. Обычно таких усилителей хватает только на несколько лет.

  • Внутренние. Они обеспечивают необходимый коэффициент усиления. Ими пользоваться на порядок удобнее, ведь они устанавливаются рядом с приемником. Однако сигнал, который поступает к усилителю, ухудшается вследствие потерь в кабеле.

Антенные усилители также бывают:

  • Широкополосными.
  • Диапазонными. К ним можно отнести SWA и LSA устройства. Их часто используют в решетчатых антеннах.
  • Многодиапазонными, то есть предназначенными на дальний и близкий прием. Типичными их представителями являются устройства типа ALCAD и TERRA. Они могут принимать несколько сигналов с различных приемных устройств и складывать в один.

Все разновидности усилителей используют собственный регулируемый либо нерегулируемый блок питания, который может иметь внешнее или внутренне исполнение.

Устройство

Антенные усилители представляют платы с определенными схемами, в которых смонтированы каскады усиления. В них имеются схемы обратной связи, призванные повысить стабильность работы и снизить нелинейные и частотные искажения сигналов. В ряде случаев могут применяться различные специальные элементы, которые обеспечивают выравнивание частотных характеристик.

Ряд усилителей снабжаются системами регулировки мощности и усиления. Между каскадами могут устанавливаться потенциометры, чтобы регулировать усиление, а также фильтры, чтобы формировать сигнал с заданной частотной характеристикой.

Любой активный усилитель должен подпитываться электрическим током. Поэтому в комплекте с ним должен предусматриваться источник электропитания. В частности, это может быть блок питания, у которого на входе 220 В. а на выходе 12 В, 24 В или меньше. Данный параметр зависит от напряжения питания, которое требуется конкретному усилителю.

Принцип действия

На примере — усилителя SWA-36, это одна из простых схем. У SWA-36 есть 2 широкополосных каскада усиления (VT1 и VT2). Сигнал, идущий с антенны, через (согласующий трансформатор — он в антенной коробке) на конденсатор (С1), направляется на первый транзистор (VT1). На нем происходит усиление сигнала и стабилизация рабочей точки, за счет действия отрицательной обратной связи (ООС), при помощи (R1).

Далее уже линейный сигнал идет через конденсатор (C2), на транзистор (VT2), это уже второй каскад усилителя. Второй каскад усилителя производит частотную коррекцию. (ООС) по напряжению выполнена на резисторах (R2 и R3). (ООС) по току выполнена на резисторе (R4), он зашунтирован емкостью (C3) для корректировки АЧХ усилителя. Далее сигнал в усиленном виде отправляется на телевизионный приемник.

Применение

Антенные усилители используются с целью повышения качества и улучшения телевизионного сигнала, который поступает с антенны. Их часто применяют при слабом сигнале и наличии шумовых помех. Подобные усилители могут помочь в этих случаях.

Усилители особенно важны в следующих случаях:
  • Телевизионный центр, который излучает сигнал, находится на весьма далеком расстоянии.
  • Передатчик излучает сигнал сравнительно низкой мощности.
  • Текущие условия проживания не позволяют ориентировать антенну непосредственно на телевизионный центр. Могут мешать различные постройки, горы или иные барьеры.

Для усиления сигналов во всем диапазоне частот применяют широкополосные усилители. В подобных устройствах имеется несколько каскадов усиления. Для усиления сигналов в узком диапазоне частот используются мультибенды. В них применяются независимые усилители, с них сигналы направляются на общую нагрузку, где и суммируются. Такие усилители хоть и не могут усиливать во всем частотном диапазоне, но они обеспечивают больший коэффициент усиления при меньшем уровне шумов.

Как выбрать

Покупатели часто задаются вопросами, как подобрать антенные усилители именно для своего телевизора. Здесь следует учесть ряд моментов.

  • В первую очередь нужно учитывать рабочий диапазон частот, который Вы хотите принимать. Эти частоты должны принимать как сама антенна, так и телеприемник. Сам же усилитель должен быть настроен именно на усиление подобных сигналов. Если, к примеру, Ваш телевизионный приемник или антенна не могут принимать требуемые частоты, то толку от усилителя не будет.
  • Далее нужно выяснить максимальный выходной уровень. В случае хорошего устройства данный показатель должен составлять минимум 100 дБ/мкВ.
  • Усилитель следует подбирать с учетом расположения ближайшей излучающей станции. Усиливающий коэффициент устройства должен быть оптимальным.
  • В погоне за мощностью можно перестараться, вследствие чего будет трудно получить необходимый сигнал. Устройство с излишней мощностью будет приводить к самовозбуждению сигналов, вследствие чего будут генерироваться довольно сильные шумы и помехи. Вследствие этого на рынке так много различных приборов, которые отличаются разными характеристиками и параметрами. В большей части случаев 10-20 децибел вполне хватит, чтобы получить качественное изображение.
  • Производители обычно указывают в паспорте усилителя параметры устройства, благодаря которым можно подобрать оптимальный прибор.
  • Следует учесть, что параметры антенн широкодиапазонного действия проигрывают узконаправленным. Поэтому, если в вашем районе наблюдается уверенный сигнал, то вполне хватит «всеволновки». Если необходимо поймать сигнал с удаленного ретранслятора, то рекомендуется прикупить устройство под конкретный диапазон частот. Однако и здесь следует учесть характер и параметры складок местности.
  • Также следует учитывать, какой сигнал Вам необходим. Для каналов дециметрового диапазона потребуется специальный усилитель ДМВ. Для лучшего сигнала рекомендуется приобретать мачтовый усилитель.
  • Естественно, что при подборе следует принять во внимание тип антенны и модель усилителя. Так, допускается ставить широкополосный усилитель на узкодиапазонный приемник, но не наоборот.
Похожие темы:

типов усилителей | Операционный усилитель

Для большинства электронных систем требуется по крайней мере один каскад усиления. Следовательно, усилители можно увидеть почти во всех электронных устройствах. Усилители - это устройства, увеличивающие амплитуду входного сигнала.

Выход блока питания модулируется усилителем. Усилители увеличивают только амплитуду, а другие параметры, такие как частота и форма, остаются постоянными.

Доступно много типов усилителей.Но их можно отличить по типу усиливаемого сигнала. Их также можно классифицировать по типу выполняемой ими функции.

Есть три категории усилителей в зависимости от свойств их выхода.

    1. Усилитель напряжения
    2. Усилитель тока
    3. Усилитель мощности

Дайте нам знать, чтобы обсудить эти усилители подробно.

1. Усилители напряжения:

Это наиболее распространенные усилители, используемые в электронных устройствах.Эти усилители увеличивают амплитуду выходного напряжения сигнала.

2. Усилители тока:

Эти усилители увеличивают амплитуду входного тока по сравнению с формой волны входного тока.

3. Усилители мощности:

Назначение усилителей мощности - увеличить мощность, т.е. произведение выходного напряжения и тока больше, чем произведение входного напряжения и тока.

Напряжение или ток на выходе могут быть меньше, чем на входе, общее произведение напряжения или тока будет больше, чем на входе.Когда на усилитель подается сигнал переменного тока, усиливается только его часть.

В зависимости от части усиленной волны они подразделяются на четыре класса. Это

    1. Class A
    2. Class B
    3. Class AB
    4. Class C

Усилители могут быть дополнительно классифицированы на основе сигнала, который они усиливают. Это следующие:

1. Усилители звуковой частоты (усилители A.F.):

Усилители звуковой частоты усиливают звуковые частоты.Обычно звуковые частоты находятся в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Некоторые усилители звука HI-FI могут усиливать до 100 кГц.

Они используются для подачи мощности звуковой частоты для работы громкоговорителей. Большинство современных усилителей звука основаны на полупроводниковых транзисторах, на ранних стадиях они изготавливаются из электронных ламп.

2. Усилители промежуточной частоты (I.F. Amplifiers):

Промежуточные частоты усиливаются этим усилителем.Эти усилители используются в телевидении, радио и радарах. Они обеспечивают максимальное усиление напряжения радио-, теле- или радиолокационного сигнала до того, как видео- или аудиоинформация, переносимая сигналом, будет демодулирована.

Их рабочая частота ниже, чем у принимаемого радиосигнала, но выше, чем у аудио- или видеосигналов, в конечном итоге производимых системой. Тип оборудования определяет частоту, с которой И.Ф. усилители работают.

3. Радиочастотные усилители (Р.F. Усилители):

Этот усилитель увеличивает мощность низкочастотного радиосигнала. Они используются для управления антенной передатчика. Радиочастотные усилители - это настроенные усилители, рабочая частота которых регулируется настроенной схемой. Эту схему можно настраивать в зависимости от назначения усилителя. Входное сопротивление, как и усиление, обычно низкое.

Особенностью ВЧ-усилителей является низкий уровень шума. Таким образом, они используются на самых ранних стадиях приемника.Фоновый шум, обычно производимый любым электронным устройством, поддерживается на низком уровне, поскольку усилитель обрабатывает сигналы очень низкой амплитуды от антенны. Следовательно, в этих каскадах используются малошумящие полевые транзисторы.

4. Ультразвуковые усилители:

Ультразвуковые усилители усиливают ультразвуковые волны. Они находятся в частотном диапазоне от примерно 20 кГц до примерно 100 кГц. Они используются для определенных целей, таких как ультразвуковая очистка, ультразвуковое сканирование, системы дистанционного управления и т. Д.Каждый тип будет работать в узкой полосе частот ультразвукового диапазона.

5. Широкополосные усилители:

Широкополосные усилители будут усиливать полосу частот. Они усиливают от постоянного тока до нескольких десятков МГц. Они используются в таком оборудовании, как осциллографы и т. Д. Они используются там, где необходимо точно измерять сигналы в широком диапазоне частот. Из-за их широкой полосы пропускания усиление невелико.

6. Усилители с прямой связью (усилители постоянного тока):

Усилители с прямой связью или усилители постоянного тока используются для усиления очень низкочастотных сигналов.В этих усилителях выход одного каскада соединяется с входом следующего каскада. Этот усилитель усиливает частоту постоянного тока, которая является нулевой частотой. В основном они используются во многих электрических системах управления и измерительных приборах.

7. Видеоусилители:

Видеоусилители используются для улучшения видеосигнала и отображения его с высоким разрешением. Видеосигнал несет в себе всю информацию об изображении в телевизионных и радиолокационных системах. Это особый тип широкополосных усилителей.Они используются специально для сигналов, которые должны подаваться на видеооборудование.

Полоса пропускания видеоусилителей зависит от использования. В телевизионных приемниках они простираются от 0 Гц до 6 МГц и еще шире в радарах. Эти усилители используются для усиления сигналов, поступающих с DVD, компьютерных мониторов. Их также можно использовать для улучшения качества видео в небольших телевизорах, установленных в транспортных средствах.

8. Буферные усилители:

Буферные усилители обычно используются для преобразования электрического импеданса от одной цепи к другой.Они имеют коэффициент усиления 1. Они используются для изоляции цепей друг от друга. У них высокое сопротивление на входе и низкое сопротивление на выходе.

Следовательно, может использоваться как устройство согласования импеданса. Это означает, что сигналы не ослабляются между цепями, что происходит, когда цепь с высоким выходным сопротивлением подает сигнал непосредственно в другую цепь с низким входным сопротивлением.

9. Операционные усилители:

Операционные усилители - это электронные усилители напряжения с высоким коэффициентом усиления.Операционные усилители используются для математических операций с напряжениями. Они используются в виде ИС, изначально они были разработаны с использованием электронных ламп. Операционный усилитель в основном имеет два входа.

Они инвертируют и не инвертируют. Их можно использовать в качестве инвертирующих усилителей, неинвертирующих усилителей, суммирующих усилителей, дифференциальных усилителей и т. Д. На следующем рисунке показан операционный усилитель.

Символ операционного усилителя

Связанная запись: Функциональный генератор с использованием операционного усилителя

10.Транзисторные усилители:

Транзистор - электронное устройство. Он также используется как усилитель. Транзисторные усилители усиливают напряжение или ток входного сигнала.

Есть два типа транзисторных устройств. 1) BJT (транзисторы с биполярным переходом). 2) FET (полевые транзисторы).

Транзисторные усилители анализируются в различных конфигурациях. Это 1) общая база, 2) общий эмиттер и 3) общий коллектор с использованием BJT. Используя полевой транзистор, транзисторные усилители анализируются в следующих конфигурациях.1) Общие ворота, 2) Общий источник и 3) Общий сток.

В транзисторах с биполярным переходом небольшой ток на выводе базы может управлять током на эмиттере и коллекторе, в то время как в полевых транзисторах (FET) небольшое напряжение на затворе может управлять напряжением на истоке и стоке.

Схемы, работа и их применение

Усилитель - одно из наиболее часто используемых электронных устройств в мире. Это базовый строительный блок огромного количества цепей, который бывает разных форм.Усилители можно определить просто как электронное устройство, увеличивающее мощность сигнала. Другими словами, он увеличивает амплитуду сигнала и делает его сильнее, чем данный вход.

Хотя в теории это звучит просто, в реальном мире усилители имеют множество параметров и условий. Усиление никогда не бывает идеально эффективным, всегда есть потери, искажения и шум.

Таким образом, создается целый набор усилителей, которые лучше всего работают в разных ситуациях.Не все усилители обеспечивают оптимальный выходной сигнал во всех ситуациях, и всегда необходимо учитывать факторы стоимости. Итак, вот все типы усилителей и все, что вам нужно о них знать!

Важные характеристики усилителя

Качество усилителя измеряется рядом спецификаций, называемых показателями качества. Это следующие:

    • Полоса пропускания: Диапазон частот, в котором может работать усилитель.
    • Шум: Количество нежелательной дополнительной информации, включенной в вывод.
    • Skew Rate: Максимальная скорость изменения вывода.
    • Gain: Пожалуй, самое главное, соотношение между величинами входных и выходных сигналов.
  • Стабильность: Способность обеспечивать постоянный и надежный выход.
  • Линейность : Степень пропорциональности между входными и выходными сигналами.
  • КПД: Еще одна очень важная характеристика - это соотношение выходной мощности и потребляемой мощности.
  • Выходной динамический диапазон: Соотношение между наибольшим и наименьшим полезными уровнями вывода.

Типы усилителей

Хотя усилители иногда классифицируют по входным и выходным параметрам (мы еще вернемся к этому), существует 4 основных типа:

  • Усилитель тока: Как следует из названия, усилитель, увеличивающий заданный входной ток. Он характеризуется низким входным сопротивлением и высоким выходным сопротивлением.
  • Усилитель напряжения: Усилитель, который усиливает заданное напряжение для увеличения выходного напряжения. Он характеризуется высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.
  • Усилитель крутизны: Усилитель, который изменяет выходной ток в соответствии с изменением входного напряжения.
  • Усилитель сопротивления: Усилитель, который изменяет выходное напряжение в соответствии с изменением входного тока. Он также известен как преобразователь тока в напряжение.

Помимо основных типов, существует несколько других типов усилителей, классифицируемых по принципу действия, применению или характеристикам. Вот некоторые из них:

  • Усилители мощности: Хотя технически это не тип, усилитель мощности - это общий термин, который относится к количеству мощности, обеспечиваемой схемой источника питания, или количеству мощности, подаваемой на нагрузку. Обычно он используется в последних выходных каскадах схемы. Примеры включают: усилители мощности звука, контроллеры серводвигателей, двухтактные усилители и усилители мощности ВЧ.Опять же, мы немного рассмотрим классификации усилителей мощности, поскольку они очень важны.
  • Операционные усилители (операционные усилители): Другой очень важный тип операционного усилителя - это интегральная схема, которая действует как усилитель напряжения и имеет дифференциальный вход. У него есть положительный и отрицательный вход, но один выход с очень высоким усилением. Первоначально операционные усилители создавались с использованием ламп.
  • Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше об операционных усилителях MCQ.
  • Клапанные (или) вакуумные ламповые усилители: Усилитель, который использует вакуумные лампы для обеспечения повышенной мощности или выходного напряжения, известен как ламповый (или) вакуумный ламповый усилитель звука.Как упоминалось выше, операционные усилители изначально были вентильного типа, но были заменены интегральными схемами, когда они стали дешевле, по крайней мере, в небольших приложениях. В приложениях с высокой мощностью они все еще используются из-за их экономической эффективности и качества продукции. Они используются в радарах, военных, мощных радиоприемниках и передатчиках УВЧ.
  • Транзисторные усилители: Хорошо известный тип усилителя, особенно для студентов инженерных специальностей, транзисторный усилитель представляет собой многоконфигурационный усилитель с высокой выходной мощностью, в котором в качестве рабочей базы используются транзисторы.К ним относятся транзисторы с биполярным переходом (BJT) и металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).
  • Klystron: Специальный тип вакуумной лампы с линейным лучом, используемый в качестве усилителя на высоких радиочастотах. Он очень точен и используется в крупномасштабных операциях, обычно в составе СВЧ-усилителей.
  • Инструментальные усилители: Специально разработанные усилители для усиления звука, голоса или музыки. Используется в основном в музыкальных инструментах.
  • Распределенные усилители: Усилители, которые используют линии передачи для временного разделения входа и усиления каждого сегмента по отдельности, называются распределенными усилителями. Их обычно можно найти в осциллографах.

В настоящее время используются лишь несколько типов усилителей, и совершенно очевидно, что каждый из них имеет более или менее свою область специализации. В мире существует огромное количество приложений, и почти для всех есть усилители.

Типы усилителей мощности

Сейчас самые известные типы усилителей - это не усилители, описанные выше, а типы усилителей мощности. Часто путают с единственной категорией усилителей, они на самом деле являются типами усилителей мощности и классифицируются на основе пропорции входного цикла, в течение которого усилитель выдает выходной сигнал. Пропорция активного входного цикла также известна как угол проводимости. Например, угол проводимости 360 градусов означает, что устройство всегда включено, угол проводимости 180 градусов означает, что устройство включено только половину каждого цикла.Теперь различные типы усилителей мощности описаны ниже:

Пожалуйста, обратитесь к этой ссылке, чтобы узнать больше о транзисторных аудио усилителях мощности MCQs

Усилитель мощности класса A

Усилитель, который проводит полный цикл или имеет угол проводимости 360 градусов известен как усилитель мощности класса А. Это самый простой и наиболее распространенный тип усилителя мощности из-за низкого уровня искажений сигнала. Однако у него есть немало недостатков, и он, как правило, не используется в приложениях с высокой мощностью.Вот некоторые из его характеристик:

  • Низкие уровни искажения сигнала
  • Простая конструкция
  • Устройство всегда проводит ток из-за смещения усилительного элемента
  • Нет времени включения или проблем с накоплением заряда
  • Довольно стабильно
  • Высочайшая линейность
  • Низкая КПД из-за постоянного включения около 25-50%
  • Высокая тепловая мощность во время работы

Усилитель мощности класса B

Усилители мощности класса B, в отличие от класса A, работают только половину каждого входного цикла , что означает, что они имеют угол проводимости 180 градусов.Проще говоря, эти усилители усиливают только половину входного цикла. На бумаге это, наверное, звучит бесполезно, но на самом деле все совсем иначе. Усилитель класса B состоит из положительного и отрицательного транзистора, которые работают поочередно, усиливая положительный и отрицательный цикл соответственно, которые в конце объединяются для формирования полного выходного цикла. Это более эффективный дизайн, у него есть свои преимущества и недостатки по сравнению с усилителем мощности класса А. Он характеризуется:

  • Использует 2 дополнительных транзистора, по одному для положительного и отрицательного цикла.
  • Намного более высокий КПД, около 75-78.5%
  • Меньшая тепловая мощность
  • Стабильный и надежный
  • Требуется не менее 0,7 В для начала проводимости, что означает, что что-либо под ним не регистрируется, поэтому не может использоваться для точных приложений
  • Объединяет 2 полупериода для формирования одного полного cycle

Усилитель мощности класса AB

Усилитель мощности класса AB, как следует из названия, представляет собой смесь усилителей мощности класса A и класса B. Как и в усилителе класса B, в нем также используются 2 проводящих элемента (транзистора), но они оба работают одновременно.Это устраняет «мертвую зону» от -0,7 В до + 0,7 В, наблюдаемую в усилителе мощности класса B. Но в этом случае, хотя каждый транзистор проводит больше половины цикла, они проводят меньше полного цикла полностью. Таким образом, угол проводимости составляет где-то около 180 градусов и 360 градусов, в некоторых случаях обычно обозначаемый как 270 градусов. Вот его характеристики:

  • Использует 2 транзистора, которые работают вместе
  • Каждый транзистор активен немного меньше, чем полный цикл, но больше половины цикла
  • Сочетает характеристики класса A и класса B
  • Нет перекрестных искажений
  • Достаточно эффективный, около 50-60%
  • Наиболее распространенная конструкция аудиоусилителя

Усилитель мощности класса C

Усилитель мощности класса C - это что-то странное по сравнению с другими тремя типами, перечисленными выше.Он наиболее эффективен, но имеет самый низкий рабочий цикл и линейность. Поскольку он сильно смещен, он остается включенным менее половины входного цикла и, таким образом, имеет угол проводимости где-то около 90 градусов. Это приводит к высокой эффективности, упомянутой выше, но также вызывает сильные искажения в выходном сигнале, поэтому усилители класса C обычно не используются в качестве усилителей звука. Они используются в определенных радиочастотных приложениях, где эффективность является ключевым фактором. Его наиболее важные характеристики:

  • Наименьшая линейность среди усилителей мощности
  • Очень высокий КПД около 80-90%
  • Высокие выходные искажения
  • Два рабочих режима, настроенный и ненастроенный
  • Низкое рассеяние мощности

Мощность класса D Усилитель

И, наконец, у нас есть усилители мощности класса D, которые иногда не входят в число четырех упомянутых выше.Это нелинейный переключающий усилитель, в котором два транзистора работают как переключатели, а не как устройства с линейным усилением. Он преобразует аналоговый сигнал в цифровой с помощью широтно-импульсной модуляции, модуляции плотности импульса или чего-то подобного перед усилением. Конечным результатом является циклический выход с высокой эффективностью и усилением без излишних искажений. Хотя изначально они использовались для управления двигателями, теперь они также используются в качестве усилителей мощности звука. Вопреки широко распространенному мнению, буква «D» в названии не означает цифровой, потому что преобразованный сигнал является аналоговым с широтно-импульсной модуляцией, а не цифровым с широтно-импульсной модуляцией.Он характеризуется:

  • Высокая эффективность, теоретически может быть 100%
  • Низкое рассеивание мощности
  • Низкое энергопотребление
  • Более сложный, чем другие типы усилителей мощности
  • Точный и точный выход

И это все об усилителях ! Мы надеемся, что типы усилителей, а также типы усилителей мощности теперь стали более ясными, и если у вас есть какие-либо вопросы по поводу информации, не стесняйтесь комментировать ниже!

Фотографии предоставлены: Электронные учебные пособия.ws, Extron

классов аудиоусилителей | Максим Интегрированный

Аналогичная версия этой статьи опубликована в EE Times , 24 апреля 2013 г.

Введение

Аудиоусилитель увеличивает амплитуду слабого сигнала до полезного уровня, сохраняя при этом детализацию меньшего сигнала. Это называется линейностью. Чем выше линейность усилителя, тем точнее выходной сигнал соответствует входному.

В связи с постоянно меняющимися требованиями к характеристикам усилителей на рынке аудио, были достигнуты большие успехи в топологиях аудиоусилителей.Следовательно, проектировщики должны знать типы доступных усилителей звука и характеристики, связанные с каждым из них. Это единственный способ убедиться, что вы выбрали лучший аудиоусилитель для приложения. В этом руководстве мы исследуем наиболее важные характеристики каждого класса аудиоусилителей, доступных сегодня: Class A, Class B, Class AB, Class D, Class G, Class DG и Class H.

Усилители класса A

Самый простой тип аудиоусилителей - это усилители класса A. Усилители класса A имеют выходные транзисторы (, рис.1, ), которые проводят (т.е.е., не выключайтесь полностью), независимо от формы выходного сигнала. Класс A - это наиболее линейный тип аудиоусилителя, но он имеет низкую эффективность. Следовательно, эти усилители используются в приложениях, требующих высокой линейности и достаточной мощности.


Рис. 1. Аудиоусилитель класса A обычно ассоциируется с высокой линейностью, но низкой эффективностью.

Усилители класса B

В усилителях класса B используется двухтактная топология усилителя. Выход усилителя класса B включает в себя положительный и отрицательный транзисторы.Чтобы воспроизвести входной сигнал, каждый транзистор проводит только половину (180 °) формы сигнала (, рис. 2, ). Это позволяет усилителю работать в режиме холостого хода с нулевым током, тем самым повышая эффективность по сравнению с усилителем класса А.

У усилителя класса B есть компромисс: повышенная эффективность ухудшает качество звука. Это происходит потому, что существует точка кроссовера, в которой два транзистора переходят из включенного состояния в выключенное. Известно, что аудиоусилители класса B имеют кроссоверные искажения при обработке сигналов низкого уровня.Они не лучший выбор для приложений с низким энергопотреблением.


Рис. 2. В усилителе звука класса B выходные транзисторы проводят только половину (180 °) формы сигнала. Для усиления всего сигнала используются два транзистора, один проводящий для положительных выходных сигналов, а другой - для отрицательных выходных сигналов.

Усилители класса AB

Компромисс между топологиями усилителей класса A и класса B - аудиоусилитель класса AB. Усилитель класса AB обеспечивает качество звука топологии класса A с эффективностью класса B.Эти характеристики достигаются за счет смещения обоих транзисторов для вывода сигнала, близкого к нулю, то есть точки, в которой усилители класса B вносят нелинейность (, рис. 3, ). Для слабых сигналов оба транзистора активны, поэтому работают как усилитель класса А. При сильных отклонениях сигнала только один транзистор активен для каждой половины сигнала, тем самым работая как усилитель класса B.

Акустические усилители класса AB обеспечивают высокое отношение сигнал / шум (SNR), низкий коэффициент нелинейных искажений + шум и, как правило, КПД до 65%.Это делает их идеальным выбором в качестве высококачественных динамиков. Усилители класса AB, такие как MAX98309 и MAX98310, используются в портативных медиаплеерах, цифровых камерах, планшетах и ​​электронных книгах, где необходима высокая точность воспроизведения. Некоторые усилители для наушников используют топологию класса AB в конфигурации с мостовой нагрузкой. Например, усилитель для наушников MAX97220A обеспечивает исключительно низкий коэффициент нелинейных искажений + шум во всем звуковом диапазоне, обеспечивая при этом мощность до 125 мВт; MAX97220A - один из наиболее широко используемых в мире усилителей для наушников класса AB.Другие примеры см. В усилителях Maxim класса AB.


Рис. 3. Усилитель класса AB смещает оба транзистора так, что они проводят, когда сигнал близок к нулю. Таким образом, эти усилители обеспечивают большую эффективность, чем класс A, с меньшими искажениями, чем класс B.

Усилители класса D

Популярность портативных мобильных аудиоустройств, таких как смартфоны, MP3-плееры и портативные док-станции, заставляет уделять больше внимания потреблению энергии. Теперь необходимо снизить энергопотребление, чтобы увеличить время автономной работы.Усилители класса D используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для создания цифрового выходного сигнала с прямой разгрузкой с переменным коэффициентом заполнения, чтобы приблизиться к аналоговому входному сигналу (, рис. 4, ). Эти усилители обладают высокой эффективностью (часто до 90% и выше), поскольку выходные транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены во время работы. Такой подход полностью исключает использование линейной области транзистора, которая является причиной неэффективности других типов усилителей. Современные усилители класса D также обеспечивают точность воспроизведения, сопоставимую с усилителями класса AB.Усилители переключения класса D, такие как MAX98304 и MAX98400A, благодаря своей высокой эффективности широко используются в портативных устройствах. Другие примеры см. В усилителях Maxim класса D.


Рис. 4. Аудиоусилитель класса D выводит сигнал переключения на частоте, намного превышающей самый высокий звуковой сигнал, который необходимо воспроизвести. Эти усилители очень эффективны, поскольку выходные транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены во время работы.

Усилители класса G

Усилители класса G аналогичны усилителям класса AB, за исключением того, что они используют два или более напряжения питания.При работе с низким уровнем сигнала усилители класса G выбирают низкое напряжение питания. По мере увеличения уровня сигнала эти усилители автоматически выбирают подходящее напряжение питания (, рис. 5, ). Усилители класса G более эффективны, чем усилители класса AB, потому что они используют максимальное напряжение питания только при необходимости; Напротив, усилители класса AB всегда используют максимальное напряжение питания.

Обычная проблема портативных аудиоприложений: ограниченное напряжение питания усилителя динамика.Усилители мощности класса G решают эту проблему напряжения питания за счет использования насоса заряда для повышения напряжения питания. Например, усилитель для динамика MAX9730 оптимизирован для традиционных динамических динамиков, а усилитель для динамика MAX9788 разработан для керамических динамиков. Другие примеры см. В усилителях Maxim класса G.


Рис. 5. Усилитель класса G более эффективен, чем усилитель класса AB, поскольку он использует максимальное напряжение питания только тогда, когда это необходимо.

Усилители класса DG

Усилитель класса DG использует ШИМ для генерации цифрового выходного сигнала Rail-to-Rail с переменным рабочим циклом.В этом отношении усилитель класса DG аналогичен усилителю класса D. Однако усилитель класса DG также использует многоуровневый выходной каскад для измерения величины выходного сигнала (, рис. 6, ). Затем он переключает шины питания по мере необходимости, чтобы более эффективно подавать требуемую мощность сигнала. Усилитель класса DG, такой как MAX98308, использует ту же концепцию двойного питания, что и переключающая топология класса D, для еще большей эффективности. Другие примеры см. В усилителях Maxim класса DG.


Рисунок 6.Усилитель класса DG определяет величину выходного сигнала и затем переключает шины питания, если это необходимо, для более эффективной подачи требуемой мощности сигнала.

Усилители класса H

Усилители класса H модулируют напряжение питания, чтобы минимизировать падение напряжения на выходном каскаде. Реализации варьируются от использования нескольких дискретных напряжений до плавно регулируемого источника питания. Хотя топология класса H похожа на методику уменьшения рассеяния на выходных устройствах класса G, она не требует нескольких источников питания (, рис. 7, ).

Усилители класса H обычно более сложны, чем другие конструкции аудиоусилителей. Эти усилители требуют дополнительных схем управления для прогнозирования и управления напряжением питания. Микросхемы аудиокодеков, такие как MAX98090 и MAX98091, объединяют усилитель для наушников класса AB с силовой структурой класса H, чтобы обеспечить очень низкое энергопотребление и полное звуковое решение. Другие примеры см. В усилителях Maxim класса H.


Рис. 7. Аудиоусилитель класса H снижает рассеяние на выходных устройствах, подключенных к этому источнику питания.Это позволяет усилителю работать с оптимизированным КПД класса AB независимо от уровня выходной мощности.

Сводка

Это был краткий обзор многих типов звуковых усилителей, обычно используемых в современных конструкциях. Ясно, что при проектировании аудиосхемы для любого типа устройства следует проявлять осторожность при определении топологии усилителя звука, наиболее подходящей для данного приложения. Хорошее понимание этих различных классов аудиоусилителей поможет вам выбрать лучший аудиоусилитель для вашей конструкции.

Какие бывают классы аудиоусилителей?

Когда вы начнете покупать AV-ресивер или усилитель мощности, вы неизбежно встретите буквы, обозначающие тип используемого усилителя. Раньше существовало всего несколько типов классов аудиоусилителей, и один из них был чрезвычайно редким, но теперь на рынок вышло еще несколько классов, и есть некоторые вещи, которые полезно знать в отношении классов усилителей и различные типы усилителей, используемых в современном домашнем кинотеатре.

Не вдаваясь в подробности, класс усилителя - это краткое описание того, как усилитель обрабатывает входной сигнал на путь выходного сигнала. Вот как работает усилитель: он принимает линейный вход и преобразует сигнал во что-то, что может управлять громкоговорителем. Кстати, это «быстрое» определение усилителя в целом. Я сразу перейду к занятиям, потому что статья именно об этом.

Существует множество классов, но на ум приходят пять категорий как наиболее распространенные.Это Класс A, Класс B, Класс AB, Класс G и H и Класс D.

Усилители класса A

Я называю их «постоянно включенными» усилителями. Они наименее эффективны, что означает, что они используют наибольшую мощность для выполнения своих задач. Они известны как «линейные» усилители, которые принимают входное напряжение и постоянно управляют транзисторами на протяжении всей формы волны сигнала. Это воспроизводит весь сигнал в том виде, в котором он был введен. Преимущество состоит в том, что они обладают потенциалом для превосходного воспроизведения звука, но за счет энергии и большого количества тепла.Усилители класса A сильно нагреваются (буквально на ощупь) и потребляют много энергии вне зависимости от того, работают они на воспроизведение звука или нет. Усилитель класса A всегда включен, когда он включен. В нем отсутствуют какие-либо режимы ожидания или энергосбережения.

Усилители класса A

хвалят за качество и хвалят за неэффективность. Усилитель класса A обычно работает с КПД около 20%. Это означает, что на каждые 20 ватт он выдает примерно 80-100 ватт тепла! Усилителю класса A требуется хорошая вентиляция со всех сторон, чтобы не перегреться.

  • Плюсы : Очень точное воспроизведение звука
  • Минусы : Слишком много энергии, перегревается, неэффективно

Усилители класса B

Усилитель класса B отличается от усилителя класса A каждой половиной формы волны ( положительный и отрицательный) обрабатываются разными цепями. Это означает, что транзисторы включаются и выключаются в зависимости от того, какую часть сигнала они принимают. Для этого усилителю класса B также необходимы (как минимум) два выходных устройства (транзисторы и т. Д.) На канал.Каждое устройство вывода усиливает половину сигнала, и ни одно из устройств вывода никогда не включается одновременно. Из-за особенностей работы этих усилителей и того факта, что каждый набор выходных устройств может оставаться выключенным в течение 50% времени, они работают меньше. Однако качество звука может пострадать, так как вся форма волны не воспроизводится полностью за один раз. Поскольку сигнал разделяется на положительную и отрицательную формы волны, существует вероятность искажения, когда сигнал достигает точки, в которой он пересекает.Кроме того, происходит гораздо больше, и в итоге у вас появляется больше электроники и, следовательно, больше возможностей повлиять на качество звука.

Из-за принципа работы усилители класса B также известны как «двухтактные» усилители. Обычно вы можете изготовить усилитель класса B за меньшие деньги, поскольку вы можете использовать устройства вывода более низкого качества, поскольку они не отвечают за полную нагрузку по усилению аудиосигнала.

  • Плюсы : Более эффективная работа, чем у класса A
  • Минусы : снижение качества звука, более высокие искажения

Усилители класса AB

Теперь мы начинаем готовить на газе… Усилитель класса AB - это комбинация обоих предыдущих классов, и это действительно дает лучшее из обоих миров.Он поддерживает качество звука усилителя класса A, но стремится к эффективности усилителя класса B. Это достигается за счет работы в режиме класса A при низких уровнях выходного сигнала. Поток напряжения, который течет в выходном устройстве (выходное смещение), также сохраняется немного дольше, так что двухтактный эффект сводит к минимуму любые искажения в точке, где форма волны переключается с положительного на отрицательный и обратно. Это также делает усилитель «быстрее» и помогает каждой части процесса. Усилители класса AB практически устраняют нелинейные проблемы усилителей класса B, но они повышают эффективность до уровня класса B или выше (обычно около 50%).Они по-прежнему нагреваются, но ничто по сравнению с усилителем класса А. Усилители класса AB - самый распространенный тип усилителей для домашних кинотеатров и даже автомобильных стереосистем.

  • Плюсы : Более эффективная работа, чем у класса A, потенциал для высокого качества звука
  • Минусы : Любители стерео по-прежнему будут нуждаться в усилителях класса A

Усилители класса G и усилители класса H

A Class G или Class Усилитель H - это, по сути, усилитель класса AB на стероидах.И здесь мы начинаем говорить о шинах напряжения. Шина напряжения - это величина напряжения, допустимого или производимого источником питания. Обычно это что-то «установленное». Усилитель класса G - это усилитель, который осознает необходимость дополнительной мощности, когда этого требует сигнал. Когда пики выходного сигнала превышают основную шину напряжения, усилитель переключает выходной сигнал на вторичную шину с более высоким напряжением и управляет нагрузкой. Это позволяет усилителям класса G работать с более высокой эффективностью класса AB, но также обеспечивает при необходимости большие пики без необходимости поднимать шину напряжения по всей плате.

Усилитель класса H очень похож, но он контролирует напряжение на входе и при необходимости регулирует напряжение на шине питания, позволяя обрабатывать пики.

  • Плюсы : Изысканное качество и эффективность
  • Минусы : Трудно добиться хорошего качества

Усилители класса D

Прежде всего: усилители класса D (не обязательно) являются цифровыми усилителями. Их обычно называют таковыми, поэтому лучше отказаться от этой терминологии, чтобы избежать путаницы.Основная привлекательность усилителей класса D - это эффективность. Другое название усилителя класса D - «переключающий» усилитель из-за того, что они быстро переключают выходные устройства, по крайней мере, дважды за цикл (форму волны). Поскольку мы говорим о звуковых частотах (до 20 кГц), это может означать, что они могут включать и выключать преобразованный входной сигнал миллионы раз в секунду. В зависимости от конструкции усилители класса D обычно имеют КПД 80% или более. Что сложно с классом D, так это с такими вещами, как искажения и поддержание качества звука.

Из-за того, как работает усилитель класса D, выходной каскад прямо пропорционален (обычно в десять или более раз) этим мгновенным импульсам входного сигнала, но выходные импульсы включают гармонические искажения, которые необходимо фильтровать. Результирующий сигнал представляет собой усиленную версию входного сигнала. Поэтому усилители класса D наиболее популярны, когда усиливаемые частоты намного ниже частоты коммутации. Вот почему класс D является основным выбором для сабвуферных усилителей. Тем не менее, лучшие фильтры и лучшие методы приводят к тому, что класс D обеспечивает более высокое качество, и, следовательно, они становятся все более популярными в настольных системах и даже в некоторых ресиверах и усилителях домашнего кинотеатра.

Усилители класса D могут иметь аналоговое или цифровое управление, но результат всегда аналоговый.

  • Плюсы : Высокоэффективный, основной дизайн усилителей сабвуфера, недавнее улучшение качества
  • Минусы : Высокие гармонические искажения на частоте переключения

Классы аудиоусилителей - в заключение

Если что, просто проясняю путаница была бы отличным результатом написания этой статьи. Очевидно, что усилители класса А остаются фаворитом аудиофилов - и не зря.Только не смотрите, как вращается ваш измеритель мощности, и не подсчитывайте, сколько вам стоит этот усилитель, пока он включен! Класс AB, несомненно, является наиболее распространенным усилителем, используемым в домашних кинотеатрах, но более новые технологии, такие как классы G и H, позволяют создавать привлекательные конструкции. Класс D всегда был отличным выбором для сабвуферных усилителей, но теперь я все больше перехожу от скептицизма к удивлению по поводу более совершенного дизайна домашних кинотеатров. Недорогой усилитель класса D, вероятно, будет ужасно звучать в домашнем кинотеатре или настольных аудиоприложениях, но лидеры отрасли, первопроходцы новой технологии класса D (например, модели ICEpower от Bang & Olufsen, хотите верьте, хотите нет) дают классу D новую репутацию.

Различные типы усилителей и принцип их работы

Усилитель используется для увеличения амплитуды сигнала без изменения других параметров формы волны, таких как частота или форма волны. Усилители являются одной из наиболее часто используемых схем в электронике и выполняют множество функций во многих электронных системах. Обозначение усилителя не дает подробных сведений о типах описанных усилителей, оно указывает только направление потока сигнала и его можно предположить как проходящее слева направо на диаграмме.различные типы усилителей также часто описываются на системных или структурных схемах по именам.


Усилитель

Информация о типах усилителей и их работе

В аналоговом ТВ-приемнике многие отдельные каскады, составляющие телевизор, являются усилителями. Вы также можете заметить, что названия указывают на тип усилителей. Некоторые из них являются настоящими усилителями, а другие усилители имеют дополнительные компоненты для модификации базовой конструкции усилителя для специального применения. Метод использования относительно отдельных электронных схем в качестве строительных блоков для создания больших сложных схем является общим для всех электронных систем.

Компьютеры и микропроцессоры состоят из миллионов логических вентилей и других компонентов, которые представляют собой просто специализированные типы усилителей. Распознавание и понимание основных схем, таких как усилители, является важным шагом в изучении электронных проектов. Для разных приложений доступны разные типы усилителей. Усилитель классифицируется по типу сигнала, который он предназначен для усиления. Обычно относится к диапазону частот, в котором усилитель будет выполнять функцию, которую он выполняет в электронной системе.


Усилители звуковой частоты

Усилители звуковой частоты используются для усиления сигналов в диапазоне человеческого слуха примерно от 20 Гц до 20 кГц. Некоторые усилители звука Hi-Fi расширяют этот диапазон примерно до 100 кГц, в то время как другие усилители звука могут ограничивать верхний предел частоты до 15 кГц или меньше.

Усилитель звуковой частоты

Усилители звукового напряжения используются для усиления сигналов низкого уровня от микрофонов и дисковых звукоснимателей. И т.д. За счет дополнительных схем усилители также выполняют такие функции, как коррекция тона, выравнивание уровней сигнала и микширование различных входов.Усилители обычно имеют высокий коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление от среднего до высокого. Эти усилители мощности звука используются для приема усиленного входного сигнала от ряда усилителей напряжения, а затем обеспечивают достаточную мощность для управления громкоговорителями.

Усилители промежуточной частоты

Усилители промежуточной частоты - это настроенные усилители, используемые в радиоустройствах, телевизорах и радарных устройствах. Основная цель - обеспечить усиление большей части напряжения телевизионных или радиолокационных сигналов до того, как аудио или видеоинформация, переносимая сигналом, будет отделена или демодулирована от радиосигнала.Усилители работают на частоте ниже, чем принимаемые радиоволны, но выше, чем аудио- или видеосигналы, в конечном итоге производимые системой. Частота, на которой находится промежуточная частота.


Усилитель промежуточной частоты

Эти усилители работают, и полоса пропускания усилителя зависит от типа используемого оборудования. Радиоприемники AM и усилители I.F работают на частоте около 470 кГц, а их полоса пропускания обычно составляет 10 кГц, то есть от 465 кГц до 475 кГц, домашнее телевидение обычно использует полосу пропускания 6 МГц для I.F Может использоваться сигнал на частоте от 30 до 40 МГц, а в радаре можно использовать полосу пропускания 10 МГц.

Р.Ф. Усилители

Радиочастотные усилители - это настроенные усилители, в которых рабочая частота регулируется настроенным схемным оборудованием. Эта схема может регулироваться или не регулироваться в зависимости от назначения усилителя. Его пропускная способность также зависит от использования и может быть относительно широкой или узкой.

Усилитель Входное сопротивление обычно низкое. Некоторые РЧ-усилители имеют небольшое усиление или вообще не имеют его, но в первую очередь представляют собой буфер между приемной антенной и более поздней схемой, чтобы предотвратить любые нежелательные сигналы высокого уровня от схем приемника, достигающие порта антенны, они могут повторно передаваться как помехи.

Р.Ф. Усилитель

Особенность ВЧ-усилителей заключается в том, что они используются на самых ранних этапах приемника и обладают низкими шумовыми характеристиками. Фоновый шум обычно создается любым электронным устройством, то есть должен быть минимальным, поскольку усилитель будет обрабатывать сигналы с очень низкой амплитудой от антенны. Обычно в этих каскадах используются малошумящие полевые транзисторы.

Ультразвуковые усилители

Ультразвуковые усилители - это тип аудиоусилителя, работающего на частотах от примерно 20 кГц до примерно 100 кГц.Обычно они предназначены для конкретных целей, таких как ультразвуковая очистка, метод определения усталости металла, цель ультразвукового сканирования, системы дистанционного управления и т. Д. Каждый тип будет работать в довольно узком диапазоне частот в пределах ультразвукового диапазона. Ультразвуковой усилитель

Широкополосные усилители

Широкополосные усилители должны иметь постоянное усиление от постоянного тока до нескольких десятков МГц. Эти усилители используются в измерительном оборудовании, таком как осциллографы. Существует потребность в точном измерении сигналов в широком диапазоне частот из-за их чрезвычайно широкой полосы пропускания и низкого усиления.

Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока используются для усиления постоянного (0 Гц) напряжения или очень низкочастотных сигналов, когда уровень постоянного тока сигнала является важным параметром. Они распространены во многих электрических системах управления и измерительных приборах.

Видеоусилители

Видеоусилители - это особый тип широкополосных усилителей, которые также сохраняют уровень постоянного тока сигнала и используются специально для сигналов, которые должны подаваться на ЭЛТ или другое используемое видеооборудование.Видеосигналы несут всю графическую информацию на телевизорах, видео- и радиолокационных системах. Полоса пропускания видеоусилителей зависит от использования. В телевизионных приемниках он простирается от 0 Гц (постоянный ток) до 6 МГц и еще шире в радарах.

Буферные усилители

Буферные усилители - это широко распространенный специализированный тип усилителей, который можно найти в любой из вышеуказанных категорий, они размещаются между двумя другими схемами, чтобы предотвратить влияние одной схемы на работу другой схемы.Они изолируют цепи друг от друга.

Буферные усилители имеют коэффициент усиления, равный единице, т. Е. Они фактически не усиливают сигнал, так что их выходная амплитуда равна их входной волне, но буферные усилители имеют очень высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс и, следовательно, могут быть используется как устройство согласования импеданса. Буфер гарантирует, что сигналы не ослабляются между параметрами схемы, как это происходит, когда схема с высоким выходным сопротивлением подает сигнал непосредственно в другую схему с низким входным сопротивлением.

Операционные усилители

Операционные усилители разработаны на основе схем, разработанных для ранних аналоговых компьютеров, где они использовались для математических операций, таких как сложение и вычитание. Они широко используются в форме интегральных схем, где они доступны в корпусах с одним или несколькими усилителями и часто включаются в сложные интегральные схемы для конкретных приложений. Операционный усилитель

В основе конструкции лежит схема дифференциального усилителя, имеющая два входа вместо одного.Они производят результат, пропорциональный разнице между двумя входами. При отсутствии питания с отрицательной обратной связью операционные усилители имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, обычно исчисляемый сотнями тысяч.

Применение отрицательной обратной связи увеличивает полосу пропускания операционного усилителя, так что они могут работать как широкополосные усилители с полосой пропускания в диапазоне МГц, но снижает их эффективность усиления. Эта простая резисторная сеть может применять такую ​​обратную связь извне, а другие внешние сети могут изменять функцию операционных усилителей.

Выходные характеристики усилителей

Усилители используются для увеличения амплитуды напряжения или тока или для увеличения количества мощности, доступной обычно от сигнальной волны переменного тока. В каждой задаче есть три категории усилителей, которые зависят от свойств их выхода. Классификацию усилителя можно произвести 3 разными способами.

Основная цель усилителя напряжения состоит в том, чтобы сделать амплитуду сигнала выходного напряжения большей, чем амплитуду сигнала входного напряжения, хотя амплитуда выходного тока может быть больше или меньше, чем амплитуда входного тока.

Основная цель усилителя тока состоит в том, чтобы сделать амплитуду формы волны выходного тока больше, чем амплитуду формы волны входного тока, хотя амплитуда выходного напряжения может быть больше или меньше, чем амплитуда входного напряжения, это изменение меньше важно для использования с усилителем.

В усилителе мощности произведение напряжения и тока на выходе больше, чем произведение напряжения на ток на входе. Напряжение или ток на выходе могут быть меньше, чем на входе, и это произведение этих двух факторов значительно увеличивается.Различные типы усилителей также доступны в усилителях мощности, таких как класс A, класс B, класс AB, класс D. Мы можем использовать эти усилители в различных электронных проектах.

Фото:

Различные типы усилителей и способы их использования

Усилитель является неотъемлемой частью строительных схем и играет важную роль в разработке электронных устройств. Сам усилитель представляет собой электронное устройство, используемое для улучшения сигнала, тем самым увеличивая амплитуду сигнала.Концепция работы усилителя может быть сложной, так как она включает в себя множество условий и параметров. Фактически, усиление не совсем эффективно, потому что всегда есть шум, искажения и потери, с которыми нужно иметь дело. Хорошо то, что существуют разные типы усилителей, подходящие для разных ситуаций.

Источник фото: http://www.amazon.com/Pyle-PTAU45-Stereo-Amplifier-Inputs/dp/B003OELGGG

Основные типы усилителей
  • Усилитель напряжения - Этот тип усилителя разработан для усиления заданного напряжения для получения большего выходного напряжения.Он включает в себя низкий выходной импеданс и высокий входной импеданс.
  • Усилитель тока - Этот усилитель увеличивает заданный входной ток. Это противоположность усилителю напряжения, в котором он характеризуется высоким выходным сопротивлением и низким входным сопротивлением.
  • Усилитель сопротивления - Он изменяет выходное напряжение в соответствии с изменяющимся входным током. Этот тип усилителя еще называют преобразователем тока в напряжение.
  • Усилитель крутизны - Он изменяет выходной ток в соответствии с изменяющимся входным напряжением.

Помимо этих основных типов усилителей, существуют другие типы, классифицируемые по характеристикам, применению и работе. С точки зрения характеристик усилители классифицируются в зависимости от выходной мощности и эффективности, усиления сигнала и линейности. К усилителям, используемым в различных приложениях, относятся следующие:

  • Транзисторные усилители - обычно используются студентами инженерных специальностей. Это многоконфигурационный усилитель с высокой выходной мощностью, который служит рабочей базой.Транзисторные усилители включают металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы и транзисторы с биполярным переходом.
  • Инструментальные усилители - Эти усилители предназначены для усиления звука, музыки или голоса. Он в основном используется в музыкальных инструментах.

Классы усилителей

Усилитель мощности может работать с большим импедансом, поскольку он используется для управления нагрузкой громкоговорителя. Различные типы усилителей можно различать по классам усилителей, которые представляют выходной сигнал.Усилители звука обычно производятся среди других классов, включая классы A, B, C и AB. Чтобы лучше понять усилители, имеет смысл знать детали, относящиеся к различным классам усилителей.

  • Усилитель мощности класса A - Этот усилитель широко используется из-за его простой конструкции. Он также является лучшим среди усилителей других классов, так как демонстрирует низкий уровень искажений сигнала, что обеспечивает наилучшее звучание. Обратной стороной усилителей класса A является низкий КПД, поскольку они легко нагреваются из-за непрерывных потерь мощности.Таким образом, он не рекомендуется для усилителей большой мощности.
  • Усилитель мощности класса B - Он был разработан для решения проблем, связанных с нагревом и эффективностью. Он состоит из отрицательного и положительного транзисторов и имеет более высокий КПД. Усилители класса B надежны и стабильны, но имеют меньшую тепловую мощность.
  • Усилитель мощности класса AB - это комбинация усилителей мощности класса A и B, в которой используются два транзистора, работающих вместе. Он также сочетает в себе характеристики классов A и B и обычно используется в качестве аудиоусилителя.Каждый транзистор имеет достаточно эффективную проводимость, и кроссоверные искажения отсутствуют.
  • Усилитель мощности класса C - это самый эффективный усилитель мощности, но линейность и рабочий цикл низкие. Этот тип усилителя не рекомендуется в качестве усилителя звука из-за сильных искажений на выходе. Вместо этого он используется в определенных радиочастотных приложениях, где требуется высокая эффективность. Он имеет два режима работы: настроенный и ненастроенный.
  • Усилитель мощности класса D - Он отвечает за преобразование аналогового сигнала в цифровой посредством модуляции плотности импульса или широтно-импульсной модуляции.Он обеспечивает высокое усиление и эффективность при меньшем искажении. Он имеет низкое энергопотребление и рассеивание, но выдает точный и точный выходной сигнал.

Характеристики усилителей

Усилители имеют разные характеристики, такие как:

  • Ширина полосы - Это частотный диапазон, который определяет работу усилителя.
  • Шум - Относится к ненужной дополнительной информации в выводе.
  • Усиление - это отношение величин между выходным и входным сигналами.
  • Skew rate - Экстремальная скорость изменения выходного сигнала.
  • Линейность - Степень пропорциональности между выходным и входным сигналами.
  • Стабильность - Способность обеспечивать надежную и стабильную производительность.
  • КПД - соотношение потребляемой и выходной мощности.
  • Выходной динамический диапазон - Относится к соотношению между наименьшим и наибольшим уровнем вывода.

Источник фото: http: // home.windstream.net/wbittle1/vaudsct.htm

Усилители являются неотъемлемой частью разработки устройств, особенно тех, которые используются в звуковых и музыкальных приложениях. Важно знать разные типы усилителей, чтобы выбрать подходящий для проекта.

Усилители

  • Раздел 1.0 Основные сведения об усилителе.
  • • Типовые функции усилителей в электронных системах.
  • • Графические изображения усилителей.
  • • Применение усилителя и типы сигнала.
  • Раздел 1.1 Параметры усилителя.
  • Типовые параметры усилителя.
  • • Коэффициент усиления, частотная характеристика, полоса пропускания, входное и выходное сопротивление, фазовый сдвиг, обратная связь.
  • Раздел 1.2 Предвзятость класса А.
  • • Биполярный транзистор с общим эмиттером и общий источник смещения полевого транзистора.
  • • Эмиттер, постоянный ток и стабилизация температуры.
  • • Смещение класса А.
  • • Общие входные и выходные характеристики эмиттера.
  • Раздел 1.3 Усиление и децибелы.
  • • Усиление.
  • • Логарифмические весы.
  • • Определение напряжения и мощности в дБ.
  • • Общие значения в дБ.
  • Раздел 1.4 Пропускная способность.
  • • Типичные кривые отклика.
  • • Факторы, влияющие на пропускную способность.
  • Раздел 1.5 Тест по основам усилителя.
  • • Проверьте свои знания об усилителях

Введение в усилители

Усилитель используется для увеличения амплитуды формы сигнала без изменения других параметров формы волны, таких как частота или форма волны.Они являются одними из наиболее часто используемых схем в электронике и выполняют множество функций во многих электронных системах.

Рис. 1.0.1 Общий символ усилителя, используемый в схемах системы

Общий символ усилителя показан на Рис. 1.0.1. Этот символ не дает подробных сведений о типе описываемого усилителя, но можно предположить направление потока сигнала (как поток слева направо на диаграмме). Усилители разных типов также часто описываются в системных или структурных схемах по именам.

Усилители в составе больших электронных систем

Например, посмотрите на блок-схему аналогового ТВ-приемника на Рис. 1.0.2 и посмотрите, сколько отдельных каскадов (затененных зеленым), составляющих телевизор, являются усилителями. Также обратите внимание, что названия указывают на тип используемого усилителя. В некоторых случаях показанные блоки являются настоящими усилителями, а в других усилитель имеет дополнительные компоненты для модификации базовой конструкции усилителя для специальных целей. Этот метод использования относительно простых отдельных электронных схем в качестве «строительных блоков» для создания больших сложных схем является общим для всех электронных систем; даже компьютеры и микропроцессоры состоят из миллионов логических вентилей, которые представляют собой просто специализированные типы усилителей.Поэтому распознавание и понимание основных схем, таких как усилители, является важным шагом в изучении электроники.

Рис. 1.0.2 Структурная схема аналогового цветного ТВ-приемника

Один из способов описать усилитель - это тип сигнала, который он предназначен для усиления. Обычно это относится к диапазону частот, с которым будет работать усилитель, или, в некоторых случаях, к функции, которую он выполняет в электронной системе.

А.F. Усилители

Усилители звуковой частоты используются для усиления сигналов в диапазоне человеческого слуха, примерно от 20 Гц до 20 кГц, хотя некоторые усилители звука Hi-Fi расширяют этот диапазон примерно до 100 кГц, в то время как другие усилители звука могут ограничивать верхний предел частоты до 15 кГц или меньше. .

Усилители звукового напряжения используются для усиления сигналов низкого уровня от микрофонов, магнитных лент, дисковых звукоснимателей и т. Д. Благодаря дополнительной схеме они также выполняют такие функции, как коррекция тона, выравнивание уровней сигналов и микширование с разных входов, обычно они имеют высокий коэффициент усиления по напряжению и средний коэффициент усиления. к высокому выходному сопротивлению.

Усилители мощности звука используются для приема усиленного входного сигнала от ряда усилителей напряжения, а затем обеспечивают достаточную мощность для управления громкоговорителями.

И.Ф. Усилители

Усилители промежуточной частоты - это настроенные усилители, используемые в радио, телевидении и радарах. Их цель - обеспечить усиление большей части напряжения радио-, теле- или радиолокационного сигнала до того, как аудио- или видеоинформация, переносимая сигналом, будет отделена (демодулирована) от радиосигнала.Они работают на частоте ниже, чем принимаемый радиосигнал, но выше, чем аудио- или видеосигналы, в конечном итоге производимые системой. Частота, с которой И.Ф. усилители работают, и полоса пропускания усилителя зависит от типа оборудования. Например, в радиоприемниках AM I.F. усилители работают на частоте около 470 кГц, а их полоса пропускания обычно составляет 10 кГц (от 465 кГц до 475 кГц), в то время как ТВ обычно использует полосу пропускания 6 МГц для I.F. сигнал на частоте от 30 до 40 МГц, а в радаре может использоваться ширина полосы 10 МГц.

Рис. 1.0.3 FM-радио с усилителями AF, IF и RF.

Р.Ф. Усилители

Радиочастотные усилители - это настроенные усилители, в которых рабочая частота регулируется настроенной схемой. Эта схема может регулироваться или не регулироваться в зависимости от назначения усилителя. Пропускная способность также зависит от использования и может быть относительно широкой или узкой. Входное сопротивление, как и усиление, обычно низкое. (Некоторые РЧ-усилители имеют небольшое усиление или совсем не имеют его, но в первую очередь являются буфером между приемной антенной и более поздней схемой, чтобы предотвратить любые нежелательные сигналы высокого уровня от цепей приемника, достигающие антенны, где они могут быть повторно переданы как помехи).Особенностью ВЧ-усилителей, где они используются на самых ранних этапах приемника, является низкий уровень шума. Важно, чтобы фоновый шум, обычно производимый любым электронным устройством, был минимальным, поскольку усилитель будет обрабатывать сигналы с очень низкой амплитудой от антенны (мкВ или меньше). По этой причине в этих каскадах часто используются малошумящие полевые транзисторы.

Ультразвуковые усилители

Ультразвуковые усилители - это тип аудиоусилителя, работающего на частотах от примерно 20 кГц до примерно 100 кГц; они обычно предназначены для определенных целей, таких как ультразвуковая очистка, определение усталости металла, ультразвуковое сканирование, системы дистанционного управления и т. д.Каждый тип будет работать в довольно узком диапазоне частот в ультразвуковом диапазоне.

Широкополосные усилители

Широкополосные усилители должны иметь постоянный коэффициент усиления от постоянного тока до нескольких десятков МГц. Они используются в измерительном оборудовании, таком как осциллографы и т. Д., Где необходимо точно измерять сигналы в широком диапазоне частот. Из-за их чрезвычайно широкой полосы пропускания усиление невелико.

Усилители постоянного тока

Усилители постоянного тока

используются для усиления напряжения постоянного тока (0 Гц) или очень низкочастотных сигналов, где важен уровень постоянного тока сигнала.Они распространены во многих электрических системах управления и измерительных приборах.

Видеоусилители

Видеоусилители - это особый тип широкополосных усилителей, которые также сохраняют уровень постоянного тока сигнала и используются специально для сигналов, которые должны подаваться на ЭЛТ или другое видеооборудование. Видеосигнал несет всю информацию об изображении в телевизионных, видео и радиолокационных системах. Полоса пропускания видеоусилителей зависит от использования. В телевизионных приемниках он простирается от 0 Гц (постоянный ток) до 6 МГц и еще шире в радарах.

Буферные усилители

Буферные усилители - это часто встречающийся специализированный тип усилителей, который можно найти в любой из вышеперечисленных категорий, они размещаются между двумя другими цепями, чтобы предотвратить влияние одной цепи на работу другой. (Они ИЗОЛИРУЮТ цепи друг от друга). Часто буферные усилители имеют коэффициент усиления, равный единице, то есть они фактически не усиливают, так что их выходная амплитуда равна их входу, но буферные усилители имеют очень высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс и поэтому могут использоваться в качестве импеданса. согласующее устройство.Это гарантирует, что сигналы не ослабляются между цепями, как это происходит, когда цепь с высоким выходным сопротивлением подает сигнал непосредственно в другую цепь с низким входным сопротивлением.

Операционные усилители

Операционные усилители (операционные усилители) были разработаны на основе схем, разработанных для ранних аналоговых компьютеров, где они использовались для математических операций, таких как сложение и вычитание. Сегодня они широко используются в форме интегральных схем, где они доступны в корпусах с одним или несколькими усилителями и часто включаются в сложные интегральные схемы для конкретных приложений.

Конструкция основана на дифференциальном усилителе, который имеет два входа вместо одного и выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входами. Без отрицательной обратной связи операционные усилители имеют чрезвычайно высокий коэффициент усиления, обычно исчисляемый сотнями тысяч. Применение отрицательной обратной связи увеличивает полосу пропускания операционного усилителя, поэтому они могут работать как широкополосные усилители с полосой пропускания в диапазоне МГц, но снижает их коэффициент усиления. Простая резисторная сеть может применять такую ​​обратную связь извне, а другие внешние сети могут изменять функцию операционных усилителей.

Выходные свойства усилителей

Усилители используются для увеличения амплитуды напряжения или тока или для увеличения мощности, доступной обычно от сигнала переменного тока. Какой бы ни была задача, есть три категории усилителей, которые зависят от свойств их выхода;

1. Усилители напряжения.

2. Усилители тока.

3. Усилители мощности.

LM324N Четырехъядерный операционный усилитель малой мощности.

Щелкните изображение, чтобы увидеть таблицу ST.

Назначение усилителя напряжения состоит в том, чтобы сделать амплитуду формы волны выходного напряжения больше, чем амплитуду формы волны входного напряжения (хотя амплитуда выходного тока может быть больше или меньше амплитуды входного тока, это изменение менее важно. по назначению усилителя).

Назначение усилителя тока состоит в том, чтобы сделать амплитуду формы волны выходного тока больше, чем амплитуду формы волны входного тока (хотя амплитуда выходного напряжения может быть больше или меньше, чем у входного напряжения, это изменение менее важно.

Автор: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *