Zosilňovač je dvojportové elektronické zariadenie používané na zosilnenie signálu alebo zvýšenie výkonu signálu pomocou napájacieho zdroja. Napájanie sa dodáva cez vstupný terminál zosilňovača. Výstupom zosilňovača môže byť zvýšená amplitúda atď.
Zosilnenie zosilňovača určuje jeho zosilnenie. Je to hlavný faktor, ktorý určuje výkon zariadenia. Zosilňovače sa používajú takmer vo všetkých typoch elektronických komponentov. Zosilnenie sa vypočíta ako pomer výstupného parametra (výkon, prúd alebo napätie) k vstupnému parametru.
Zosilňovače sa používajú v rôznych aplikáciách, ako je automatizácia, námorníctvo, senzory atď. Výkonový zisk zosilňovača je vo všeobecnosti väčší ako jeden. Poďme pochopiť niektoré základné charakteristiky ideálneho zosilňovača.
Tu budeme diskutovať ideálny zosilňovač, typy zosilňovačov, vlastnosti, funkcie, a aplikácie zosilňovačov .
Začnime.
Ideálny zosilňovač
Uvažujme o charakteristikách ideálneho zosilňovača, ktoré sú uvedené nižšie:
- Vstupná impedancia: Nekonečné
- Výstupná impedancia: nula
- Zisk pri rôznych frekvenciách: Opravené
Vstupným portom zosilňovača môže byť zdroj napätia alebo zdroj prúdu. Zdroj napätia závisí iba od vstupného napätia a neprijíma žiadny prúd. Podobne zdroj prúdu akceptuje prúd a žiadne napätie. Výstup bude úmerný napätiu alebo prúdu v celom porte.
Výstupom ideálneho zosilňovača môže byť buď závislý zdroj prúdu alebo závislý zdroj napätia. Zdrojový odpor závislého zdroja napätia je nulový, zatiaľ čo odpor závislého zdroja prúdu je nekonečný.
Napätie alebo prúd závislého zdroja závisí len od vstupného napätia alebo prúdu. To znamená, že výstupné napätie bude závisieť od vstupného napätia a výstupný prúd bude závisieť od zdroja napätia nezávislého na vstupnom prúde a zdroja prúdu.
Ideálne zosilňovače sú ďalej kategorizované ako CCCS (Ovládanie prúdu Zdroj prúdu), CCVS (Zdroj riadiaceho napätia prúdu), VCVS (Napäťový riadiaci zdroj napätia) a VCCS (Prúdový zdroj riadenia napätia).
Vstupná impedancia CCVS a CCCS je nulová, zatiaľ čo VCCS a VCVS sú nekonečné. Podobne výstupná impedancia CCCS a VCCS je nekonečná, zatiaľ čo impedancia CCVS a VCVS je nulová.
Typy zosilňovačov
Poďme diskutovať o rôznych typoch zosilňovačov.
Operačné zosilňovače
Operačné zosilňovače alebo operačné zosilňovače sú zosilňovače s priamym spojením (DC) s vysokým ziskom, ktoré vykonávajú rôzne matematické operácie, ako je sčítanie, diferenciácia, odčítanie, integrácia atď.
Má dve vstupné svorky a jednu výstupnú svorku. Vstupné svorky sa nazývajú invertujúce a neinvertujúce svorky. Signál privedený na invertujúcu svorku sa zobrazí ako fázovo invertovaný a signál privedený na neinvertujúcu svorku sa objaví bez akejkoľvek inverzie fázy na výstupnej svorke.
Napätie aplikované na invertujúci vstup je reprezentované ako V- a napätie na neinvertujúcom vstupe je reprezentované ako V+.
Poznámka: Výstupná impedancia a drift ideálneho operačného zosilňovača sú 0. Napäťový zisk, vstupná impedancia a šírka pásma ideálneho operačného zosilňovača sú nekonečné.
Operačné zosilňovače sú ďalej kategorizované ako invertujúce a neinvertujúce zosilňovače. Poďme si podrobne rozobrať vyššie uvedené dva typy operačných zosilňovačov.
Aplikácie
Operačné zosilňovače sa používajú v rôznych aplikáciách v elektronike. Napríklad,
- Filtre
- Porovnávač napätia
- integrátor
- Prevodník prúdu na napätie
- Letný zosilňovač
- Fázový menič
Invertujúci a neinvertujúci vstup zosilňovača je znázornený nižšie:
hashset java
Invertujúci zosilňovač
Invertujúci zosilňovač je zobrazený nižšie:
Je to konfigurácia spätnej väzby napäťového bočníka operačného zosilňovača. Signálové napätie privedené na invertujúci vstup operačného zosilňovača vedie k toku prúdu I1 do operačného zosilňovača. Vieme, že vstupná impedancia operačného zosilňovača je nekonečná. Nedovolí prúdeniu prúdu do zosilňovača. Prúd potečie cez výstupnú slučku (cez odpor R2) na výstupnú svorku operačného zosilňovača.
Napäťové zosilnenie na výstupnej svorke invertujúceho zosilňovača sa vypočíta ako:
A =Vo/Vs = -R2/R1
Kde,
Vo a Vs sú výstupné a signálne napätie.
Záporné znamienko znázorňuje, že výstup zosilňovača je o 180 stupňov mimo fázu so vstupom.
Invertný zosilňovač je jedným z najpoužívanejších operačných zosilňovačov. Má veľmi nízku vstupnú a výstupnú impedanciu.
Neinvertujúci zosilňovač
Neinvertujúci zosilňovač je zobrazený nižšie:
Vyššie uvedená konfigurácia je napäťové sériové pripojenie spätnej väzby. Signálové napätie privedené na neinvertujúci vstup operačného zosilňovača vedie k toku prúdu I1 do operačného zosilňovača a prúdu I2 von z operačného zosilňovača.
Podľa koncepcie virtuálneho skratu I1 = I2 a Vx = Vs.
zoznam triedenia java
Napäťové zosilnenie neinvertujúceho zosilňovača možno vypočítať ako:
A = A + (R2/R1)
Neinvertujúce zosilňovače majú vysoké vstupné a nízke výstupné impedancie. Považuje sa tiež za zosilňovač napätia.
DC zosilňovače
DC alebo priamo viazané zosilňovače sa používajú na zosilnenie nízkofrekvenčných a priamo viazaných signálov. Dva stupne jednosmerného zosilňovača môžu byť vzájomne prepojené pomocou priamej väzby medzi týmito stupňami.
Priama spojka je jednoduchý a ľahký typ pripojenia. Dá sa vypočítať priamym pripojením kolektora tranzistora prvého stupňa k základni tranzistora druhého stupňa, ktorá je uvedená ako T1 a T2.
Jednosmerné zosilňovače však spôsobujú dva problémy nazývané posun driftu a posun úrovne. Konštrukcia diferenciálneho zosilňovača takéto problémy odstránila. Poďme diskutovať o diferenciálnom zosilňovači.
Diferenciálne zosilňovače
Štruktúra diferenciálneho zosilňovača vyriešila problém driftu a posunu úrovne. Konštrukcia pozostáva z dvoch BJT (Bipolar Junction Transistor) zosilňovače pripojené iba cez napájacie vedenia. Je pomenovaný ako diferenciálny zosilňovač, pretože výstup zosilňovača je rozdiel medzi jednotlivými vstupmi, ako je znázornené nižšie:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Kde,
Vo je výstup a Vi1 a Vi2 sú dva vstupy.
A je zisk diferenciálneho zosilňovača.
Teraz, ak
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
Vyššie uvedená operácia sa nazýva a diferenciálny režim prevádzka. Tu sú vstupné signály navzájom mimo fázy. Takéto signály mimo fázy sú známe ako signály v rozdielovom režime (DM).
ak,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
Vo = 0
Táto operácia je známa ako bežný režim (CM), pretože vstupné signály sú navzájom vo fáze. Nulový výstup takýchto signálov ukazuje, že v zosilňovači nebude žiadny drift.
Výkonové zosilňovače
Výkonové zosilňovače sú tiež tzv prúdové zosilňovače . Tieto zosilňovače sú potrebné na zvýšenie aktuálnej úrovne prichádzajúceho signálu, aby bolo možné ľahko riadiť záťaž. Typy výkonových zosilňovačov zahŕňajú audio výkonové zosilňovače, vysokofrekvenčné výkonové zosilňovače atď.
Výkonové zosilňovače sú klasifikované ako zosilňovače triedy A, triedy AB, triedy B a triedy C. O triedach výkonových zosilňovačov budeme diskutovať neskôr v tejto téme.
Prepínanie režimov zosilňovačov
Spínané zosilňovače sú typom nelineárneho zosilňovača s vysokou účinnosťou.
Bežným príkladom takéhoto typu zosilňovačov sú zosilňovače triedy D.
Inštrumentálny zosilňovač
Prístrojový zosilňovač sa používa v analógových snímacích a meracích prístrojoch. Uvažujme o príklade.
Voltmeter používaný na meranie veľmi nízkych napätí vyžaduje pre svoju správnu funkciu prístrojový zosilňovač. Má rôzne funkcie, ako je veľmi vysoký zisk napätia, dobrá izolácia, veľmi nízky šum, nízka spotreba energie, veľká šírka pásma atď.
Negatívna odozva
Záporná spätná väzba je jednou zo základných funkcií na kontrolu skreslenia a šírky pásma v zosilňovačoch. Primárnym účelom negatívnej spätnej väzby je znížiť zisk systému. Časť výstupu v opačnej fáze sa vrátila späť na vstup. Hodnota sa ďalej odpočítava od vstupu. V skreslenom výstupnom signáli je výstup so skreslením privádzaný späť v opačnej fáze. Odčíta sa od vstupu; môžeme povedať, že negatívna spätná väzba v zosilňovačoch znižuje nelinearity a nežiaduce signály.
rozdiel tiger lev
Nasledujúci obrázok predstavuje negatívnu spätnú väzbu:
Pomocou negatívnej spätnej väzby je možné eliminovať aj skreslenie kríženia a iné fyzikálne chyby. Ďalšími výhodami použitia negatívnej spätnej väzby sú rozšírenie šírky pásma, náprava teplotných zmien atď.
Negatívna spätná väzba môže byť napäťová negatívna spätná väzba alebo prúdová negatívna spätná väzba. V oboch prípadoch je napäťová alebo prúdová spätná väzba úmerná výstupu.
prepínač c#
Nemali by sme sa zamieňať medzi pozitívnou a negatívnou spätnou väzbou. Pozitívna spätná väzba má tendenciu zosilniť zmenu, zatiaľ čo negatívna spätná väzba má tendenciu zmenu zmenšiť. Ďalším rozdielom je, že vstupné a výstupné signály v kladnej spätnej väzbe sú vo fáze a pridávajú sa. V prípade negatívnej spätnej väzby sú vstupné a výstupné signály mimo fázy a sú odčítané.
Aktívne zariadenia v zosilňovači
Zosilňovač pozostáva z niektorých aktívnych zariadení, ktoré sú zodpovedné za proces zosilnenia. Môže to byť jeden tranzistor, vákuová trubica, polovodičový komponent alebo akákoľvek časť integrovaných obvodov.
Poďme diskutovať o aktívnych zariadeniach a ich úlohe v procese zosilnenia.
BJT
BJT je bežne známy ako a riadené prúdom zariadenie. Bipolárne tranzistory sa používajú ako spínače na zosilnenie prúdu v zosilňovačoch.
MOSFET
MOSFET alebo Tranzistory s polovodičovým poľom na báze oxidu kovu sa bežne používajú pri zosilňovaní elektronických signálov. MOSFETy možno použiť na zmenu vodivosti ovládaním napätia hradla. MOSFET môže tiež zvýšiť silu slabého signálu. Preto môžu byť MOSFETy použité ako zosilňovač.
Vákuové elektrónkové zosilňovače
Vákuový elektrónkový zosilňovač používa ako zdrojové zariadenie vákuové elektrónky. Používa sa na zvýšenie amplitúdy signálu. Pod mikrovlnnými frekvenciami boli elektrónkové zosilňovače nahradené polovodičovými zosilňovačmi koncom 19thstoročí.
Mikrovlnné zosilňovače
Mikrovlnné zosilňovače sa bežne používajú v mikrovlnných systémoch. Používa sa na zvýšenie úrovne vstupného signálu s veľmi malým skreslením. Môže tiež prepínať alebo zvyšovať elektrickú energiu. Poskytuje lepší výstup jedného zariadenia v porovnaní s polovodičovými zariadeniami pri mikrovlnných frekvenciách.
Magnetické zosilňovače
Magnetické zosilňovače boli vyvinuté v 20thstoročia, aby sa prekonali nevýhody (vysoká prúdová kapacita a sila) vákuových elektrónkových zosilňovačov. Magnetické zosilňovače sú podobné tranzistorom. Riadi magnetickú silu jadra napájaním riadiacej cievky (ďalšia cievka vinutia).
Integrované obvody
Integrované obvody môžu obsahovať niekoľko elektronických zariadení, ako sú kondenzátory a tranzistory. Popularita IC tiež rozšírila elektronické zariadenia po celom svete.
Triedy výkonových zosilňovačov
Triedy výkonových zosilňovačov sú klasifikované ako trieda A, trieda B, trieda AB, a trieda C . Poďme diskutovať o krátkom popise tried výkonových zosilňovačov.
Výkonové zosilňovače triedy A
Vstup zosilňovača triedy A je malý, vďaka čomu je malý aj výstup. Preto nevytvára veľké zosilnenie výkonu. S tranzistormi ho možno použiť ako zosilňovače napätia. Zosilňovače triedy A s vákuovými pentódami môžu tiež poskytnúť jeden výkonový zosilňovací stupeň na pohon záťaží, ako sú reproduktory.
Výkonové zosilňovače triedy B
BJT vo všeobecnosti vyžadujú výkonové zosilňovače triedy B na riadenie záťaže, ako sú reproduktory. Vstup zosilňovačov triedy B je veľký, vďaka čomu je veľmi veľký aj výstup. Takto vytvára veľké zosilnenie. Ale v prípade jedného tranzistora je zosilnená iba polovica vstupného signálu.
Výkonové zosilňovače triedy AB
Konfigurácia výkonových zosilňovačov AB leží medzi zosilňovačmi triedy A a triedy B. Zosilňovače triedy AB sa vyrábajú kombináciou vysokého výkonu výkonových zosilňovačov triedy B s nízkym skreslením výkonových zosilňovačov triedy A.
V prípade malých výkonov sa môže výkonový zosilňovač triedy AB správať ako trieda A. V prípade veľmi veľkých výkonov sa môže správať ako výkonový zosilňovač triedy B.
Výkonové zosilňovače triedy C
Vodivým prvkom výkonových zosilňovačov triedy C sú tranzistory. Má lepšiu účinnosť, ale kvôli vodivosti menšej ako polovičný cyklus spôsobuje veľké skreslenie. Preto výkonové zosilňovače triedy C nie sú preferované v audio aplikáciách. Bežné aplikácie takýchto zosilňovačov zahŕňajú vysokofrekvenčné obvody.
Vlastnosti zosilňovača
Zosilňovače sú definované podľa ich vstupných a výstupných vlastností. Zosilnenie zosilňovača určuje jeho zosilnenie. Zisk a multiplikačné faktory sú teda dve základné vlastnosti zosilňovačov.
Poďme diskutovať o vlastnostiach, ktoré sú definované rôznymi parametrami, ktoré sú uvedené nižšie:
Zosilnenie zosilňovača sa vypočíta ako pomer výstupu (výkon, prúd alebo napätie) k vstupu. Určuje zosilnenie zosilňovača. Napríklad signál so vstupom 10 voltov a výstupom 60 voltov bude mať zisk 6.
Zisk = výstup/vstup
Zisk = 60/10
zisk = 6
Zisk je vyjadrený v jednotkách dB (decibely). Pasívne zložky majú vo všeobecnosti zosilnenie menšie ako jedna, zatiaľ čo aktívne zložky majú zosilnenie väčšie ako 1.
Šírka pásma je definovaná ako šírka meraná v Hertz užitočného frekvenčného rozsahu.
Frekvenčný rozsah - Frekvenčný rozsah je všeobecne špecifikovaný z hľadiska frekvenčnej odozvy alebo šírky pásma.
Hluk je definovaný ako akýkoľvek nežiaduci signál, ktorý pôsobí ako rušenie v systéme.
Vyššia účinnosť zosilňovača by viedla k menšiemu generovaniu tepla a väčšiemu výstupnému výkonu. Vypočítava sa ako pomer medzi výstupným výkonom a využitím celkového výkonu.
Rýchlosť otáčania sa meria vo voltoch za mikrosekundu. Je definovaná ako maximálna rýchlosť zmeny výstupu. Rýchlosť otáčania nad počuteľným rozsahom zosilňovača by mala za následok menšie skreslenie a chyby.
Je definovaná ako schopnosť zosilňovača produkovať presné kópie vstupného signálu.
Zosilňovacie obvody vyžadujú, aby boli stabilné na všetkých dostupných frekvenciách. Je definovaná ako schopnosť vyhnúť sa nechceným osciláciám v elektronickom zariadení.
Funkcie rôznych zosilňovačov
Iné typy zosilňovačov majú odlišné vlastnosti. Poďme diskutovať o funkcii rôznych typov zosilňovačov, ktoré sa dnes používajú.
- The lineárne zosilňovače neposkytujú dokonalú lineárnu schopnosť, pretože žiadny zosilňovač nie je dokonalý. Je to kvôli použitiu zosilňovacích zariadení, ako sú tranzistory, ktoré sú svojou povahou nelineárne. Tieto zariadenia môžu spôsobiť určitú nelinearitu. Lineárne zosilňovače sú menej náchylné na skreslenie. To znamená, že lineárne zosilňovače generujú menšie skreslenie.
- Špeciálne navrhnutý audio zosilňovače môže zosilniť frekvenciu zvuku.
- Úzkopásmový zosilňovač zosilňuje v úzkom pásme frekvencií, zatiaľ čo širokopásmové zosilňovače zosilňujú v širokom rozsahu frekvencií.
- The nelineárne zosilňovače spôsobujú skreslenie v porovnaní s lineárnymi zariadeniami. Nelineárne zariadenia sa však dodnes používajú. Príkladmi nelineárnych zosilňovačov sú RF (rádiofrekvenčné) zosilňovače atď.
- Štruktúra logaritmický zosilňovač vytvára výstup úmerný logaritmike jeho vstupu. Obvod obsahuje dve diódy a dva operačné zosilňovače (operačný zosilňovač).
Aplikácie zosilňovača
Zosilňovače sa používajú v rôznych aplikáciách. Poďme si to podrobne rozobrať.
Sledovač napätia je tiež známy ako zosilňovač jednotkového zisku . Má veľmi veľkú vstupnú impedanciu a veľmi nízku výstupnú impedanciu, čo je základný princíp ukladanie do vyrovnávacej pamäte akcie. Invertujúca svorka operačného zosilňovača je krátka s výstupnou svorkou.
To znamená, že výstup sa rovná vstupu. Nazýva sa to sledovač napätia, pretože výstup zosilňovača nasleduje po vstupe.
Napäťový sledovač neposkytuje žiadne zaťažovacie efekty, žiadny výkon a prúdový zisk, čo sú jeho výhody.
Konštrukcia meniča prúdu na napätie je znázornená nižšie:
Kde,
RT: Termistor alebo odpor závislý od svetla.
IT: Aktuálne
RF: Rezistor spätnej väzby
AK: Prúd spätnej väzby
VO: Výstupné napätie
Termistor poháňa operačný zosilňovač v invertovanom režime. Zmena teploty má za následok zmenu odporu termistora. Ďalej mení prúd, ktorý ním prechádza. Prúd tečie do výstupu cez odpor spätnej väzby ako spätnoväzbový prúd vyvíjajúci výstupné napätie. Pretože prúd termistora sa rovná spätnoväzbovému prúdu, môžeme povedať, že výstupné napätie je úmerné prúdu termistora.
Vstupný prúd sa tak premení na výstupné napätie.
TWTA a Klystron sú bežné zariadenia používané ako mikrovlnné zosilňovače. Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA) poskytuje dobré zosilnenie aj pri nízkych mikrovlnných frekvenciách. To znamená, že TWTA je preferovaný pre zosilnenie vysokého výkonu. Ale klystróny sú lepšie laditeľné v porovnaní s TWTA.
Klystróny sa tiež používajú pri mikrovlnných frekvenciách pre aplikácie s vysokým výkonom. V porovnaní s TWTA však poskytuje široké laditeľné zosilnenie. V porovnaní s TWTA má tiež úzku šírku pásma.
Polovodičové zariadenia , ako sú MOSFET, diódy, polovodičové materiály (kremík, gálium atď.), sa používajú pri nízkych výkonoch a mikrovlnných frekvenciách v rôznych aplikáciách. Napríklad, mobilné telefóny, prenosné rádiofrekvenčné terminály , atď. V takýchto aplikáciách sú veľkosť a účinnosť hlavnými faktormi, ktoré určujú jeho schopnosť a využitie. Použitie polovodičových zariadení v mikrovlnných zosilňovačoch tiež poskytuje širokú šírku pásma.
Zosilňovače sa používajú v rôznych hudobných nástrojoch, ako sú gitary a bicie, na konverziu signálu z rôznych zdrojov (struny na gitare atď.) na výkonný elektronický signál (výkonový zosilňovač), ktorý vytvára zvuk. Zvuk je dostatočne počuteľný pre publikum alebo ľudí v okolí. Výstup niektorých hudobných nástrojov je pripojený k reproduktorom pre hlasnejší zvuk.
Nástrojové zosilňovače v hudobných nástrojoch majú tiež funkciu ladenia signálu, ktorá umožňuje interpretovi zmeniť tón signálu.
Obvody oscilátora sa používajú na generovanie elektrických vĺn akejkoľvek požadovanej frekvencie, tvaru a výkonu. Použitie zosilňovačov v oscilátoroch poskytuje konštantnú výstupnú amplitúdu a zosilňuje frekvenciu spätnej väzby.
Zosilňovač prítomný vo video zosilňovači zosilňuje signál pozostávajúci z vysokofrekvenčných komponentov. Zabraňuje tiež akémukoľvek skresleniu. Video zosilňovače majú rôzne šírky pásma podľa kvality video signálu, ako je SDTV, HDTV, 1080pi atď.