Классификация усилителей мощности — CoderLessons.com

Усилители мощности усиливают уровень мощности сигнала. Это усиление выполняется на последнем этапе в аудио приложениях. Приложения, связанные с радиочастотами, используют усилители мощности радиосигналов. Но рабочая точка транзистора играет очень важную роль в определении эффективности усилителя. Основная классификация осуществляется на основе этого режима работы.

Классификация производится на основе их частот, а также на основе их режима работы.

Классификация на основе частот

Усилители мощности делятся на две категории в зависимости от частоты, с которой они работают. Они заключаются в следующем.

• Усилители мощности звука – Усилители мощности звука повышают уровень мощности сигналов в диапазоне звуковых частот (от 20 Гц до 20 КГц). Они также известны как усилители мощности малого сигнала .

• Усилители мощности радиоприемника – Усилители мощности радиоприемника или настроенные усилители мощности повышают уровень мощности сигналов в диапазоне радиочастот (от 3 кГц до 300 ГГц). Они также известны как усилители мощности большого сигнала .

Усилители мощности звука – Усилители мощности звука повышают уровень мощности сигналов в диапазоне звуковых частот (от 20 Гц до 20 КГц). Они также известны как усилители мощности малого сигнала .

Усилители мощности радиоприемника – Усилители мощности

радиоприемника или настроенные усилители мощности повышают уровень мощности сигналов в диапазоне радиочастот (от 3 кГц до 300 ГГц). Они также известны как усилители мощности большого сигнала .

Классификация на основе режима работы

На основе режима работы, то есть части цикла ввода, в течение которого протекает ток коллектора, усилители мощности могут быть классифицированы следующим образом.

• Усилитель мощности класса A – когда ток коллектора протекает постоянно во время полного цикла сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса А.

• Усилитель мощности класса B – когда ток коллектора протекает только во время положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности

  класса B.

• Усилитель мощности класса C – когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса C.

Усилитель мощности класса A – когда ток коллектора протекает постоянно во время полного цикла сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса А.

Усилитель мощности класса B – когда ток коллектора протекает только во время положительного полупериода входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности

класса B.

Усилитель мощности класса C – когда ток коллектора протекает менее половины цикла входного сигнала, усилитель мощности называется усилителем мощности класса C.

Там формируется другой усилитель, называемый усилителем класса AB, если мы объединяем усилители класса A и класса B, чтобы использовать преимущества обоих.

Прежде чем углубляться в детали этих усилителей, давайте взглянем на важные термины, которые необходимо учитывать для определения эффективности усилителя.

Условия, касающиеся производительности

Основной целью усилителя мощности является получение максимальной выходной мощности. Для достижения этого важными факторами, которые необходимо учитывать, являются эффективность коллектора, способность рассеивания мощности и искажения. Давайте рассмотрим их подробно.

Эффективность коллектора

Это объясняет, насколько хорошо усилитель преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока. Когда источник постоянного тока подается от батареи, но не подается входной сигнал переменного тока, выход коллектора при таком условии рассматривается как эффективность коллектора .

Эффективность коллектора определяется как

 eta= fracсредняяпеременнаямощностьвыходнаямощностьсредняяпостояннаявеличинамощностьвходнаямощность::ктранзистор

Например, если батарея выдает 15 Вт, а выходная мощность переменного тока составляет 3 Вт. Тогда КПД транзистора составит 20%.

Основной целью усилителя мощности является получение максимальной эффективности коллектора. Следовательно, чем выше значение эффективности коллектора, тем эффективнее будет усилитель.

Мощность рассеивания мощности

Каждый транзистор нагревается во время работы. Поскольку силовой транзистор выдерживает большие токи, он нагревается сильнее. Это тепло увеличивает температуру транзистора, что изменяет рабочую точку транзистора.

Таким образом, для поддержания стабильности рабочей точки температура транзистора должна поддерживаться в допустимых пределах. Для этого выделяемое тепло должно рассеиваться. Такая емкость называется способностью рассеивания мощности.

Способность рассеивать мощность может быть определена как способность силового транзистора рассеивать тепло, выделяемое в нем. Металлические корпуса, называемые теплоотводами, используются для рассеивания тепла, выделяемого в силовых транзисторах.

Искажение

Транзистор – это нелинейное устройство. По сравнению с входом, есть несколько изменений в выходе. В усилителях напряжения эта проблема не является преобладающей, так как используются небольшие токи. Но в усилителях мощности, когда используются большие токи, проблема искажения, безусловно, возникает.

Искажение определяется как изменение формы выходной волны от формы входной волны усилителя. Усилитель, который имеет меньшие искажения, производит лучшую выходную мощность и, следовательно, считается эффективным.

Статьи и обзоры Усилители мощности

Классификация усилителей мощности

Усилители мощности можно разделить на бытовые и профессиональные. Так как вместо большого количества элементов в наше время применяются микросхемы, благодаря которым размер блоков удалось уменьшить во много раз, автономные усилители мощности в отдельном корпусе (то есть бытовые усилители как отдельные изделия) сейчас случается увидеть весьма нечасто. В каждом музыкальном центре, домашнем кинотеатре и многих других устройствах есть усилители мощности, потому большинство людей не имеют потребности в отдельном их приобретении, но все равно не лишним будет рассмотреть бытовые усилители мощности, их виды и области применения.

Главным предназначением бытовых усилителей мощности является относительно небольшое усиление звука с минимальным искажением в составе домашней музыкальной системы. Связано это с тем, что при домашнем прослушивании самым важным является качество, а не громкость звука. Но при этом всем бытовой усилитель должен иметь достаточный запас мощности, так как 80 % мощности уходят на усиление низких частот (НЧ), перегрузка же усилителя по низким частотам не только приводит к большим искажениям звука, но и может вывести из строя динамики акустических систем, что является крайне нежелательным. Чтобы обеспечить такой запас мощности, максимальная мощность бытового усилителя должна быть не меньше 2х50 Вт. Нельзя забывать о том, что увеличение усиления звука, другими словами увеличением уровня громкости, приводит к возрастанию нелинейных искажений, а их высокий уровень не даст ощутить  “глубину и прозрачность” звука. Исходя из этого, лучше всего использовать бытовой усилитель на 25-30% от максимальной мощности, то есть уровень громкости лучше не выставлять 25-30 % от максимума.

Главной отличительной чертой бытовых усилителей является наличие темброблока, благодаря которому можно провести частичную коррекцию в виде усиления или ослабления высоких или низких частот. В домашних условиях нет нужды использовать микшерные пульты и эквалайзеры, потому частичную коррекцию проводят непосредственно на самом усилителе мощности.  

К профессиональным усилителям мощности относятся студийные, концертные, инструментальные и др. усилители мощности.

Профессиональные усилители мощности используются в студиях, на концертах и в других сферах профессиональной области деятельности. Именно поэтому для них имеются определенные правила такие, как рэковое исполнение корпуса с шириной корпуса 18 дюймов (45 см), высотой 1,8 дюйма (4,5 см) и с наличием панели с отверстиями для крепления в рэковую стойку. Главным отличием между бытовыми и профессиональными усилителями мощности является рэковое исполнение корпуса последних.

Студийные усилители мощности применяют в музыкальных студиях для небольшого, но качественного усиления звука, как и бытовые усилители. Но все же есть несколько принципиальных отличий между этими двумя видами усилителей мощности. Студийные усилители отличаются:

— большим диапазоном воспроизведения частот (студийный усилитель мощности имеет диапазон от 10 Гц до 100 кГц, тогда как стандартный диапазон бытового усилителя — от 20 Гц до 20 кГц)

— отсутствием темброблока, в отличии от бытовых усилителей, так как для частотной коррекции в студии имеется микшерный пульт

— раздельной регулировкой каналов (громкость бытовых усилителей регулируется одним регулятором громкости и регулятором баланса)

— более качественным изготовлением отдельных частей усилителя, таких как  разъемы, схемы защиты усилителя от короткого замыкания и появления постоянного напряжения на выходе, перегрузки и др.

Инструментальными усилителями мощности называются усилители мощности, использующиеся для усиления звука электроинструментов, таких как  электрогитары, синтезаторы и др. Такие усилители могут быть выполненными в двух видах: в виде отдельного блока (“голова”) при использовании в стеке (“голова” + 1 или 2 кабинета — мощная акустическая система с несколькими динамиками) или комбика — комбинированного блока “усилитель + акустическая система” в одном корпусе. Инструментальный усилитель мощности является не отдельным устройством, как студийные и концертные усилители мощности, в его корпусе также находятся предварительный усилитель, тембрблок, блок эффектов, динамик (в случае комбика) и др.

Предназначением концертных усилителей мощности является большое усиление звука во время проведения  различных музыкальных мероприятий. Они рассчитаны на длительную работу мощностях, близких к максимуму, потому одним из основных требований к ним является надежность. Концертные усилители мощности имеют более серьезно выполненную  защиту от перегрузок, перегрева, короткого замыкания, от появления постоянной составляющей на выходе и др., в отличии от бытовых усилителей,  которые могут легко выйти из строя, всего лишь несколько минут проработав на максимальной мощности.

Выбирая усилитель мощности, нужно понять, для чего он и когда используется. Бытовые и студийные усилители мощности не предназначены для озвучивания концертов. Чтобы это сделать, нужно использовать исключительно концертные усилители с нужной мощностью. В следующей таблице приведены отличительные особенности различных видов усилителей мощности, которые помогут сделать правильный выбор при покупке.

 Сравнительная таблица усилителей мощности

Параметр	Бытовой	Студийный	Концертный
Исполнение корпуса	Произвольное, эргономичное	рэковое	рэковое
Тембр-блок	есть	нет	нет
Качество звука	хорошее	отличное	хорошее
Надежность	хорошая	отличная	отличная
Регулировка каналов	общая + баланс	раздельная	раздельная
Оптимальное использование	25-30% от максимальной мощности	40-60% от максимальной мощности	60-80% от максимальной мощности
Максимальная мощность	до 2×50 Вт	от 2х50Вт	от 2×200Вт
Основная характеристика	Небольшое усиление звука, качество звука	Небольшое усиление звука, высокое качество звука	Большое усиление звука, надежность

 

В таблице показаны основные визуальные отличия профессионального усилителя мощности от бытового, которые заключаются в рэковом исполнении корпуса, отсутствии темброблока и раздельных регуляторах громкости каналов. В профессиональных усилителях мощности отсутствует темброблок по причине того, что его функции выполняет микшерный пульт, как уже упоминалось выше. Раздельная регулировка громкости каналов дает возможность получить  комбинированное использование усилителя, к примеру, один канал использовать с мониторами, а второй — с основной акустической системой.

Основные параметры усилителей мощности

Мощность. Этот параметр, который характеризует возможности усиления звука усилителей мощности при использовании его в той или иной ситуации. 

Чувствительность акустической системы, показывающая, какое звуковое давление в децибелах (дБ) на расстоянии в 1м будет создавать данная акустическая система при подведении к ней мощности в 1 Вт. Если акустическая система имеет более высокий уровень звукового давления, то она при меньшей подводимой от усилителя мощности сигнала позволит получить большую громкость звука по сравнению с акустической системой, имеющей меньший уровень чувствительности. Чтобы проиллюстрировать этот пункт, можно провести такой эксперимент: подключить к усилителю мощности вначале акустическую систему от обычного музыкального центра, имеющую чувствительность порядка 70-80 Дб, а потом пассивную акустическую систему, мощностью 200-300Вт и с чувствительностью порядка 90-100 Дб. Последняя будет иметь уровень громкости гораздо выше первой при одинаковом положении ручек громкости на усилителе. Следовательно громкость звука зависит не столько от мощности усилителя и акустических систем, а сколько от правильно подобранного комплекта “усилитель + акустические системы”. Это даст возможность используя меньше мощности получить большую громкость звука.

Класс усилителя мощности играет тоже не маловажную роль. Существуют такие классы::

Класс А – низкий КПД (порядка 30%), имеет невысокий уровень искажений. КПД означает, что только часть подаваемой энергии уходит на усиление звука, а остальное выделяется в виде тепла. Этот режим позволяет получить приятное  “теплое” звучание.

Класс B – высокий КПД (порядка 70%). При этом качество звучания невысокое, так как звук кажется “сухим”

Класс AB отличается тем, что при близком к максимальному сигналу работает в режиме В, а при малом сигнале работает в режиме А. Это своего рода компромиссное решение, позволяющее при достаточно высоком КПД, составляющем 60 %, получить хорошее качество звука. Большинство усилителей относятся к этому классу.

Класс D — очень высокий КПД (порядка 85%). При использовании импульсного блока питания имеет малый вес, что очень важно в вопросах мобильности агрегата.

Вес. Так как концертные усилители (от 2×250-300 Вт) имеют массивные блоки питания (исключение — усилители класса D), большие теплоотводящие радиаторы, достаточно тяжелые сами по себе, они не могут быть легкими. Весят они не менее 10 кг.

Выбор усилителя мощности

Чтобы не ошибиться с выбором усилителя мощности, следует руководствоваться следующими параметрами:

— Назначение. Будет ли усилитель мощности использоваться  для дома, музыкальной студии или для концертов.

— Совместимость с выбранной акустической системой по мощности и сопротивлению

— Цена

— Наличие и тип входных и выходных разъемов

— Класс усилителя. В определенных случаях один класс будет уместней, чем другой. Например,  усилители класса D в туровом комплекте более интересны, по сравнению с усилителями класса AB, поскольку они легче и имеют более высокий КПД

Это те параметры, которые можно проверить при выборе усилителя мощности, но есть такие, которые проверить практически невозможно. К ним относятся  коэффициент нелинейных искажений, АЧХ, наличие и качество той или иной системы защиты, вес и др. Связано это с тем, что нельзя их проверить, всего лишь несколько раз включив его на полную громкость в магазине, настоящей проверкой станет работа несколько часов подряд без сбоев на 70-80 % от максимальной мощности.

Поскольку бытовые усилители уже практически не используются, студийные усилители мощности используются только в студиях или помещениях с хорошей акустикой, а инструментальные усилители – это комбинированные устройства, которые будут рассматриваться после знакомства с акустическими системами, самым актуальным является вопрос выбора концертного усилителя мощности.

Выбор концертного усилителя мощности

Усилитель мощности нужно выбирать или вместе, или после выбора акустических систем. Мощность акустических систем должна иметь запас, быть немного выше по отношению к мощности усилителя, что она не был выведена им из строя. К примеру, выбрав акустическую систему мощностью 350 Вт, усилитель нужно брать мощностью 300 Вт на канал с таким же выходным сопротивлением, как и у акустической системы. Выбирать лучше усилитель с запасом по мощности, чтобы получить минимальный уровень нелинейных искажений звука при данной мощности , ведь чем больше усиление, тем больше уровень нелинейных искажений. Так же было бы хорошо увеличить срок службы акустических систем, так как маломощный усилитель, который работает на пределе своих возможностей, может  навредить акустическим системам. Так перегрузка усилителя по НЧ может привести к выходу из строя динамиков акустических систем —  появление постоянной составляющей и возникновение ВЧ-колебаний большой мощности на выходе усилителя.

Автор: HitOnline

Опубликовано: HitOnline.ua

Классификация усилителей звуковых частот | Основы электроакустики

 

Классификация усилителей звуковых частот

 

Следующим устройством, которое входит в любой бытовой аудио или видео комплекс, является усилитель низких, или звуковых, частот — УНЧ или УЗЧ. Попробуем разобраться, почему он необходим.

Многие источники звуковых сигналов имеют малые уровни и напряжения на своем выходе. В таблице даны примерные значения выходного напряжения и типового сопротивления нагрузки для ряда источников звуковых сигналов.

Источник сигнала Напряжение на выходе (эффективное) U, мВ Сопротивле­ние нагрузки RH, кОм Микрофон динамический 0,1-10 0,6-1,2 Микрофон электретный 10-200 500-5000 Головка электромагнитного  звукоснимателя 0,5-2 0,6-2 Головка пьезоэлектрического  звукоснимателя 150-300 500-2000 Воспроизводящая головка  магнитофона (низкоомная) 0,2-1 0,6-2 Фотодиод лазерного  проигрывателя 10-100 0,05-0,2

Если подсчитать мощность, отдаваемую такими источниками (по известной формуле U2/2RH), то она неред­косоставит лишь несколько микроватт. В то же время Мощность звуковых колонок для озвучивания комнаты среднего размера достигает десятков ватт, а напряжение на выходе усилителя мощности составляет единицы—десятки вольт. Отсюда ясно, что звуковые сигналы нуждаются в усилени как по напряжению, так и по мощности. Усили­тель— это и есть устройство, обеспечивающее такое усиление. Любой усилитель, в сущности, является преобразователем энергии внешних источников питания постоянного тока в выходной сигнал переменного тока, управляемым от входного сигнала. Именно благодаря этому усилитель усиливает мощность входных сигналов подчас во многие миллионы раз.

Усилители выполняются на активных приборах, спо­собных усиливать напряжения, токи и мощности (при этом мощность усиливается практически всегда). Поэтому усилители, прежде всего, классифицируются по элемент­ной базе (типу активных приборов), на которой они выполняются. В настоящее время можно выделить следу­ющие типы усилителей:

• на электронных лампах;
• на биполярных транзисторах;
• на полевых транзисторах;
• на интегральных операционных усилителях;
• на специализированных интегральных микросхе­мах.

Ламповые усилители применяются лишь в особо высококаче­ственных усилителях, равно как и полевые транзисторы, имеющие с лампами много общего (прежде всего в части вида вольтамперных характеристик и принципов постро­ения схем). Массовые усилители, в том числе достаточно высококачественные, строятся на более дешевых и рас­пространенных биполярных транзисторах.

Интегральные операционные усилители — универ­сальные усилители сигналов как переменного, так и по­стоянного тока. Они имеют два дифференциальных входа и усиливают разность напряжений между ними. Это до­вольно распространенные элементы усилительных схем. Но они не вполне оптимизированы под применение в высококачественных усилителях НЧ. Поэтому, наряду с ними, широко используются специализированные интег­ральные схемы — в том числе полностью законченные УНЧ, к которым остается лишь подключить источники питания, регуляторы громкости и тембра, нагрузку и источник входного сигнала. И сейчас самые высококаче­ственные усилители делаются на дискретных приборах с применением тех из них, которые наилучшим образом соответствуют реализуемой ими функции.

Далее усилители принято подразделять на:

• усилители напряжения;
• усилители тока;
• усилители мощности.

Это деление отчасти условно, поскольку, как правило, любой усилитель усиливает мощность электрических сиг­налов. Усилители напряжения обычно усиливают сигналы предварительно до уровня около 0,5—1В, а усилители мощности доводят мощность на выходе до «нужной кон­диции».

В последнее время популярно деление усилителей по конструктивным признакам на следующие типы:

• полный (или интегрированный) усилитель, содержа­щий в одном корпусе как оконечный, так и предварительный усилители;
• предварительный усилитель с регуляторами громко­сти и тембра и коммутатором входных сигналов;
• оконечный усилитель мощности для получения необходимой мощности в нагрузке.

Выходное напряжение предварительного усилителя и соответственно входное оконечного усилителя принято задавать на уровне 0 дБ (0,707 В) или около этого (на практике от 0,5 до 1 В). Это довольно высокий уровень напряжения, облегчающий экранировку проводов, под­ключающих оконечный усилитель к предварительному, необходимую для уменьшения наводок и фона. У наиболее высококачественных усилителей эти усилители выполне­ны в виде раздельных блоков со своими источниками питания, что исключает влияние усилителя мощности (нередко потребляющего большой и меняющийся ток) на предварительный усилитель. Разумеется, все усилители снабжены источниками вторичного электропитания от стандартной сети переменного тока.

 

 

Усилители мощности и их классификация

~ ЛЕКЦИЯ 16 ~

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Усилители мощности – это выходные (оконченные) каскады, к которым подключается внешняя нагрузка.

Классификацию усилителей мощности осуществляют по следующим показателям:

1. Виду усилительного элемента:

—  на биполярных, полевых транзисторах,

—  интегральных микросхемах (ИМС),

—  электронных лампах.

2. Схеме включения усилительного элемента:

—  ОБ,

—  ОЭ,

—  ОИ,

—  ОС.

3. Способу подключения нагрузки:

—  трансформаторные,

—  бестрансформаторные каскады.

4. Используемому классу усиления:

—  А,

—  В,

—  АВ.

Режим класса А применяется в однотактных усилителях, включенных по схеме ОЭ, ОБ, ОИ, ОС. В режимах класса В и АВ усилитель мощности выполняют по двухтактной схеме с использованием двух транзисторов. Каждый из транзисторов служит для усиления соответствующей полуволны входного сигнала. Выходной двухтактный каскад при этом имеет более высокий к.п.д. и применяется для усиления больших мощностей, чем однотактный.

Режим класса АВ позволяет существенно снизить нелинейные искажения выходного сигнала, существующие в классе В вследствие нелинейности начального участка входной характеристики транзистора.

Усилитель мощности Класса А с трансформаторным включением нагрузки

Схема усилителя показана на рис. 39. Исходными при расчете такого усилителя являются мощность Р_Н и сопротивление R_Н.

Рис. 39. Схема усилителя мощности класса А с трансформаторным включением нагрузки.

Определим к.п.д. каскада:

h=h_К ×h_ТР,

где h_К — к.п.д. коллекторной цепи;

h_ТР — к.п.д. трансформатора.

Реально значения h не превышают 0,35¸0,45. Однотактные усилители мощности используют в маломощных предвыходных и выходных каскадах. Преимуществом их является низкий уровень нелинейных искажений.

Двухтактный выходной усилительный каскад с трансформаторной связью

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с трансформаторной связью (рис. 40).

Рис. 40. Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью.

Назначение элементов схемы:

TV1 и TV2 – входной и выходной трансформаторы,

VT1 и VT2 – биполярные транзисторы, включенные по схеме ОЭ,

R – сопротивление, ограничивающее токи в эмиттерных цепях от источника питания Е_К.

Пояснения по работе TV1 и TV2: обмотки w_ВХи w_1-1 и w_1-2 включены в противофазе, обмотки w_2-1, w_2-2и w_Н – согласно.

Входной сигнал U_ВХ подаем с помощью трансформатора TV1 в базовые цепи обоих транзисторов. При появлении входного сигнала, начинающегося с положительной полуволны, на вторичной обмотке w_1-1 трансформатора TV1 действует отрицательная относительно общей точки обмоток полуволна напряжения, а на вторичной обмотке w_1-2 – положительная полуволна. В результате транзистор VT2 закрыт, транзистор VT1 открыт, в коллекторной цепи протекает ток i_K1=b×i_Б1. На нагрузке действует положительная полуволна напряжения U_H.

При поступлении на вход каскада отрицательной полуволны полярность напряжений на вторичных обмотках меняется на обратную. Теперь закрыт будет VT1, а VT2 открыт. В коллекторной цепи VT2 будет протекать ток i_K2 = b×i_Б2. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения U_Н.

Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы. Первый такт сопровождается усилением одной полуволны напряжения с участием первого транзистора, а второй такт – усилением второй полуволны с участием второго транзистора.

К.п.д. рассмотренного усилителя мощности составляет 0,6¸0,7, что в 1,5 раза выше, чем в однотактном.

Недостатками двухтактного усилителя с трансформаторной связью, работающего в классе В, являются большие нелинейные искажения и сложность определения средней точки вторичных обмоток TV1 и TV2. Кроме того, необходимо подбирать транзисторы по коэффициенту усиления b.

Двухтактные бестрансформаторные усилители мощности

Для уменьшения массогабаритных и стоимостных показателей усилителей, а также исполнения в виде интегральной схемы усилители мощности выполняют с емкостной связью.

Рассмотрим двухтактные усилители с емкостной связью с питанием от двух источников Е_К1 и Е_К2 (рис. 41) и одного источника Е_К (рис. 42).

В схемах используются комплиментарные транзисторы с разными типами проводимости, но с одинаковыми параметрами.

Рис. 41. Схема двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности с питанием от двух источников.

При появлении положительной полуволны на входе открывается транзистор VT1 (n—p—n типа). Происходит усиление входного сигнала. Отрицательная полуволна открывает транзистор VT2.

Рис. 42. Схема двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности с питанием от

одного источника.

Работа усилителя (рис. 42) аналогична предыдущей схеме (рис. 41). Преимуществом является повышение к.п.д. и снижение габаритов и веса.

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

Для создания усилителей мощности на интегральных микросхемах (ИМС) используют гибридные и полупроводниковые микросхемы серий К174,  К224, К237 и другие. Например, К174УН5, К174УН8, К148УН1, К148УН2, КР544УД1А, КР544УД1В.

Рассмотрим усилитель мощности на микросхеме К174УН5, используемый в выходных каскадах. На рис. 43 показана принципиальная схема усилителя, а на рис. 44 – типовая схема включения ИМС К174УН5.

Выходной каскад ИМС (рис 43) образован транзисторами VT9 (схема ОК) и VT2 (схема ОЭ).

Рис 43. Принципиальная схема усилителя мощности на микросхеме К174УН5.

На них подается двухфазное напряжение с фазоинверсного каскада на комплиментарных транзисторах VT8 (схема ОК) и VT10 (схема ОЭ). Эмиттерный повторитель на транзисторе VT11 усиливает ток транзистора VT10. Входной каскад на транзисторах VT1 и VT2 является дифференциальным, напряжение сигнала через эмиттерный повторитель на транзисторе VT3 передается к предвыходному однотактному каскаду на транзисторе VT7, в цепи коллектора которого находятся транзисторы VT4, VT5 и VT6, предназначенные для получения напряжения смещения и стабилизации тока покоя транзисторов выходной группы. Элементом связи с выходными транзисторами является резистор R6, верхний вывод которого через внешний конденсатор С4 (рис. 44) оказывается присоединенным к выводу 2 ИМС, т.е. к эмиттеру составного транзистора VT8, VT9.

Рис. 45. Типовая схема включения ИМС К174УН5.

Цепь R3 C3 создает вольтдобавку для более полного использования по мощности транзисторов выходного каскада ИМС. Конденсатор С4 образует последовательную положительную обратную связь по напряжению. Выходное напряжение, ослабленное делителем на резисторах R4, R5 и R6 (рис. 44) подается на второй вход дифференциального каскада (вход 6).

Использование усилителей мощности на ИМС уменьшает габариты и вес электронных устройств, улучшает их параметры.

20) Классификация усилителей

Электронные усилители классифицируют по различным признакам:

   1) по диапазону усиливаемых частот — усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой частоты (УНЧ), усилители промежуточной частоты (УПЧ), усилители высокой частоты (УВЧ).

2) по характеру усиливаемого сигнала — усилители непрерывных и импульсных сигналов.

3) по усиливаемой электрической величине — усилители напряжения, тока, мощности.

4) по ширине полосы усиливаемых частот — узкополосные (избирательные) и широкополосные усилители.

5) по типу нагрузки — резистивные (апериодические) и резонансные усилители.

Признаки классификации:

— Характер входного сигнала.

— Назначение.

— Режим работы нелинейного активного элемента.

— Тип активного элемента.

— Полоса усиливаемых частот.

По характеру усиливаемых сигналов различают:

-Усилители непрерывных сигналов. Здесь пренебрегают процессами установления. Основная характеристика – частотная передаточная.

-Усилители импульсных сигналов. 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. По назначению усилителя делятся на: усилители напряжения, усилители тока, усилители мощности. Все они усиливают мощность входного сигнала. Однако собственно усилители мощности должны и способны отдать в нагрузку заданную мощность при высоком коэффициенте полезного действия. С точки зрения выбора режима работы активного элемента различают:

-Режим слабого сигнала. Нелинейный активный элемент работает в квазилинейном режиме. Применяется в усилителях напряжения или тока.

-Режим большого сигнала. Применяется в усилителях мощности. По типу используемых активных элементов усилители делятся на ламповые; транзисторные; диодные; параметрические; СВЧ-усилители, работающие с помощью специальных СВЧ-приборов  и др.

В зависимости от вида частотной передаточной характеристики усилителя и абсолютным значениям полосы частот различают:

— Усилители постоянного тока (УПТ). Такое название обусловлено тем, что они способны усиливать очень медленные изменения сигналов (в том числе постоянные), т.е. рабочая полоса частот начинается от нулевой частоты до некоторой верхней граничной частоты. Величина верхней граничной частоты f_в зависит от вида усиливаемых сигналов. Так, если УПТ используется в канале изображения телевизионной системы, то f_в составляет 6 — 6,5 МГц , т.е. УПТ это, как правило, широкополосный усилитель.

— Усилители низкой частоты (усилители звуковой частоты). Название условное, оно подчеркивает, что нижняя граничная частота лежит в области низких частот, несоизмеримо ниже верхней граничной частоты. Само значение верхней граничной частоты может быть разным: от единиц-десятков КГц до сотен МГц. АЧХ таких усилителей имеет вид:

Усилители радиочастоты (полосовые усилители, усилители высокой частоты, избирательные усилители). АЧХ таких усилителей имеет вид:

Полоса частот усилителя значительно меньше средней частоты:

1. Коэффициенты передачи по напряжению, по току и по мощности в полосе пропускания. . Часто используют значения коэф. передачи в децибеллах.

2. Полоса пропускания усил-ля по уров. половинной мощ-ти (по амплитуде) 2Df_0,7, нижняя и верхняя граничные частоты: f_н, f_в .

3. Входное сопротивление – сопротивление между входными зажимами усилителя при подключенной нагрузке.

4. Выходное сопротивление усилителя – сопро-ие между выходными зажимами вместе с известным сопро-ем источника сигнала.

5. КПД для усилителя мощности.

Важным свойством усилителя является неискаженная передача входного сигнала в нагрузку. Искажения сигналов в усилителе обусловлены двумя факторами: 1. Наличием в схеме усилителя реактивных элементов и межэлектродных емкостей в активном элементе , что приводит к так называемым частотным (линейным) искажениям сигналов. Различные частотные составляющие входного сигнала усиливаются по-разному, приводя к изменению формы сигнала. Линейные (амплитудные и фазовые) искажения определяются неравномерностью АЧХ и нелинейностью ФЧХ усилителя. Мерой амплитудных искажений является отношение коэффициента передачи усилителя на заданной частоте к коэффициенту передачи в полосе пропускания. М=K(f)/K_o . При М=1 амплитудные искажения отсутствуют, М>1 характеризует подъем АЧХ, М<1 характеризует спад АЧХ.

Нелинейность ФЧХ приводит к изменениям соотношений между фазами составляющих сигнала, и в конечном итоге к искажению формы сигнала. Частотные  искажения называются линейными, т.к. они обусловлены линейными элементами схемы. Равномерность АЧХ и линейность ФЧХ усилителя в полосе сигнала характеризует передачу без искажений. 2. Наличие нелинейного элемента в усилителе приводит к появлению в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, которых не было в исходном входном сигнале. Искажения, вызванные этими составляющими, называются нелинейными. Оценка нелинейных искажений производится по формуле,   гдеU_m,1 — амплитуда первой гармоники усиливаемого сигнала, U_m,n – амплитуды высших гармонических составляющих  сигнала на выходе усилителя.

Характеристикой, позволяющей выбрать режим работы с минимальными нелинейными искажениями, является амплитудная характеристика усилителя — зависимость амплитуды первой гармо-ники выходного сигнала от амплитуды гармонического сигнала на входе. Примеры АХ:

Амплитуды входного сигнала U_m,вх,min и U_m,вх,max определяют динамический диапазон усилителя. Для импульсных усилителей важной является переходная g(t) (или импульсная h(t)) характеристика усилителя. Это зависимость значения выходного напряжения от времени при скачкообразном изменении входного напряжения. При прохождении импульсного сигнала переходная характеристика позволяет оценить степень искажения сигнала на выходе. Типичный вид переходной характеристики УНЧ показан ниже.

Импульсная характеристика усилителя определяется как производная от переходной: . Она связана парой преобразований Фурье с частотной характеристикой усилителя:

Чем шире частотная характеристика, тем короче переходные процессы в усилителе; так нижняя граничная частота УНЧ отвечает за неискаженную передачу медленно меняющейся части усиливаемого сигнала (например, полочки в импульсе прямоугольной формы), а верхняя граничная частота – за неискаженную передачу быстро-меняющейся части сигнала (например, фронтов прямоугольных импульсов).

Классификация и основные параметры усилителей

3 Электронные усилители

3.1 Классификация и основные параметры усилителей

Усилители электрических сигналов — это электронные устройства, предназначенные для усиления или повышения мощности входных сигналов за счет энергии источника питания.

Если рассматривать источник сигнала, который управляет передачей энергии источника питания в нагрузку R_H, как идеальный генератор напряжения Е_Г с внутренним сопротивлением R_Г, а усилитель как эквивалентный четырехполюсник с параметрами, указанными на рис. 3.1.1, то в зависимости от соотношения входного сопротивления усилителя R_вх и R_Г различают:

— усилитель напряжения, если R_вх >> R_Г ;

— усилитель тока, если R_вх << R_Г ;

— усилитель мощности, если R_вх » R_Г.

В зависимости от соотношения выходного сопротивления усилителя R_вых и R_Н:

— усилитель напряжения, если , R_вых << R_Н ;

— усилитель тока, если R_вых >>R_Н;

— усилитель мощности, если R_вых » R_Н.

 Нагрузкой усилителя может быть другой усилитель, в этом случае он рассматривается как каскад, обеспечивающий одну ступень усиления, а все усилительное устройство — как многокаскадный усилитель. В многокаскадные усилители входят: входной или предусилительный, промежуточный, предвыходной или предоконечный и выходной или оконечный каскады.

 По характеру связи между каскадами усилителей последние делят на усилители с емкостной (или RC), трансформаторной, резонансно-трансформаторной, непосредственной или гальванической связями.

По характеру изменения сигнала во времени усилители бывают постоянного и переменного тока. Усилители постоянного тока усиливают сигналы в полосе частот, начиная с нулевой частоты. Усилители переменного тока подразделяются на усилители низкой и высокой частоты.

По ширине полосы пропускания усиливаемых частот различают:

— избирательные усилители, усиливающие сигналы фиксированной частоты или электрические сигналы в узком спектре частот, у которых отношение верхней граничной частоты пропускания к нижней f_в/f_н<1;

— широкополосные усилители с большим диапазоном частот усиливаемого сигнала, для которых отношение f_в/f_н>>1.

Усилители постоянного тока и импульсные усилители -широкополосные. Под условной полосой пропускания понимают частотный диапазон, в пределах которого уровень выходного сигнала не ниже 0,707 максимальной амплитуды сигнала, частоты f_н и f_в называются граничными частотами полосы пропускания Df = f_н — f_в.

 К основным параметрам, которые характеризуют качественные и количественные характеристики усилителя, относятся коэффициент усиления, точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала, коэффициент полезного действия.

Коэффициент усиления. Показывает, во сколько раз приращение выходной величины напряжения, тока или мощности больше соответствующего изменения на входе.

Коэффициенты усиления по напряжению, по току и по мощности, соответственно, равны:

           

Для многокаскадного усилителя суммарный коэффициент усиления

                     ,

где N число каскадов.

Коэффициент усиления принято выражать в логарифмических единицах (дБ) в связи с тем, что слуховой аппарат человека воспринимает изменение громкости звука по логарифмическому закону:

 

Точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В реальном усилителе сигнал на выходе, кроме временной задержки Dt, которая не вносит изменений в форму входного сигнала, содержит нелинейные и линейные искажения.

Основными факторами, обусловливающими нелинейные искажения, является нелинейность вольт-амперных характеристик элементов усилителей.

Рассмотрим нелинейную входную характеристику I_Б = f(U_бэ) усилителя на транзисторе в схеме с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.1.2). При подаче на базу напряжения синусоидальной формы U_вх (t) = U_БЭmax×sinwt входной ток I_Б(t), а следовательно, и выходной отличны от синусоиды. Из рисунка видно, что в точках а, б и с наклон входной характеристики различен. Следовательно, и коэффициент усиления транзистора (который пропорционален тангенсу угла наклона касательной в этих точках) будет отличаться. Чем ближе точка к началу координат, тем меньше коэффициент усиления, и, наоборот, чем ближе точка к участку, соответствующему режиму насыщения транзистора, тем коэффициент усиления больше. Потому приращение базового тока от воздействия положительной полуволны входного сигнала DI_б^/ будет больше, чем аналогичное приращение от отрицательной полуволны DI_б^//. Это приводит к появлению в составе входного сигнала ряда высших гармоник. Уровень нелинейных искажений будет тем больше, чем больше размах входного сигнала относительно рабочей точки (а) и описывается коэффициентом n нелинейных искажений по формуле:

              .

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений отдельных каскадов

                n_å = n_x + n₂ + n₃ + . .. + V_N,

где N — число каскадов.

В многокаскадных усилителях нелинейные искажения, в основном, появляются в предоконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.

Линейные искажения в усилителях, в основном, объясняются зависимостью коэффициента передачи тока базы и реактивных сопротивлений элементов схемы от частоты. Принято оценивать характер линейных искажений по амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристикам усилителя. Идеальная АЧХ параллельна оси частот. Реально гармоники входного сигнала усиливаются усилителем не одинаково, так как реактивные сопротивления элементов схемы по-разному зависят от частоты и в сумме дают искажение формы и амплитуды входного сигнала. Частотные искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений

                              

где K₀ — модуль коэффициента усиления на средней частоте; K_i — модуль коэффициента усиления на заданной частоте. В многокаскадных усилителях суммарный коэффициент частотных искажений усиления равен произведению коэффициентов частотных искажений каскадов.

Для граничных частот условной полосы пропускания усилителя коэффициенты частотных искажений, соответственно, равны

                          и

Фазовые искажения не вносят изменений в спектральный состав и соотношение гармоник сигнала. Поскольку спектральные составляющие входного сигнала приобретают в усилителе различный фазовый сдвиг, то, суммируясь на выходе, они вызывают искажение формы сигнала. Фазовые искажения отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения и наоборот.

Коэффициент полезного действия усилителя относится к важным количественным показателям усилителей мощности. Различают электрический и полный к. п. д.

Ещё посмотрите лекцию «28 Правовые основы аудиторской деятельности» по этой теме.

Электрический к. п. д. определяется как

                               

где Р₀ — мощность, потребляемая коллекторной цепью от источника питания; Р — полезная мощность, выделяемая в нагрузке. Полный к. п. д.

                           ,

где Р_0бщ — мощность, потребляемая всеми цепями усилителя от источников питания.

Кроме перечисленных параметров к основным относятся входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя.

типов классов усилителей мощности, объясненных простыми словами

В этом посте мы собираемся изучить усилители мощности и их классификацию в соответствии с их выходными электрическими характеристиками и применением. Мы кратко рассмотрим классы усилителей: A, B, AB, C, D, E, F, G, H, I, S и T, и да, это множество типов усилителей, доступных в современной электротехнической и электронной промышленности.

Каждый из описанных выше типов усилителей имеет один или несколько специальных электрических характеристик, что делает их хорошо подходящими для одного конкретного применения, поэтому мы можем найти так много типов усилителей.

Давайте попробуем разобраться в каждом классе усилителей один за другим, начиная с класса A.

Содержание

Усилитель класса A:

Усилители класса A являются одним из наиболее распространенных типов усилителей, которые мы можем найти, это из-за его простая конструкция, высокий коэффициент усиления, отличная линейность и обычно используется один активный компонент для усиления, это может быть BJT, FET, IGBT и т. д. 

Линейность является одной из основных характеристик любого усилителя, поскольку форма входного сигнала не должна измениться схемой усилителя, за исключением увеличения входного сигнала до более высокой амплитуды, т.е. увеличения напряжения/тока входного сигнала на выходе.

Для достижения линейности усилителя активный компонент (транзистор) должен работать в линейной области.

Транзистор может работать в 3-х режимах: отсечка, линейный режим и режим насыщения. В режиме отсечки выход транзистора выключен, в режиме насыщения выход транзистора равен Vcc, в линейном режиме выход транзистора будет увеличиваться или уменьшаться пропорционально входному сигналу.  

Мы можем установить транзистор в линейную область/режим, достаточно сместив транзистор, подав напряжение (выше 0,7 В) на вывод базы с помощью делителя напряжения (R1 и R2). Когда мы смещаем его, говорят, что транзистор находится в линейной области.

Поскольку транзистор всегда частично открыт, даже когда входной сигнал не подается, некоторый ток всегда проходит от клеммы коллектора к R3 или нагрузочному резистору, этот ток холостого хода называется током покоя, и он теряется в виде тепла. Величина нагрузочного резистора (R3) выбрана таким образом, что при отсутствии входного сигнала на выходе будет Vcc/2, теперь выходное напряжение может колебаться вверх и вниз от средней точки Vcc/2.

Резистор эмиттера R4 предназначен для обеспечения стабильности коэффициента усиления, а конденсатор (C3) рядом с резистором R4 называется обходным конденсатором для нейтрализации любого сигнала переменного тока, который может пройти через эмиттер. Конденсаторы C1 и C2 предназначены для связи входа и выхода соответственно и не пропускают устойчивый сигнал постоянного тока на вход, а также на выход.

Поскольку мы используем транзистор для усиления, а транзистор также является инвертированным переключателем, форма выходного сигнала будет сдвинута по фазе на 180 градусов.

Преимущества усилителя класса А:

1. Превосходная линейность.
2. Хорошее усиление на выходе.
3. Без кроссоверных искажений.
4. Низкие шумовые искажения на выходе.

Недостатки усилителя класса А:

1. Максимальный теоретический КПД усилителей класса А составляет около 25%, остальная энергия тратится впустую в виде тепла, поэтому устройства с батарейным питанием не предпочитают их.
2. Не следует проектировать усилитель высокой мощности класса А, поскольку чем выше выходная мощность, тем выше потери. Но из-за его высокой точности на выходе мы можем найти усилители класса А на рынках усилителей высокого класса, которые стоят тысячи долларов.
3. Блок питания с фильтром для предотвращения фоновых помех 50/60 Гц переменного тока на выходе.

Усилитель класса B:

Приведенная выше схема представляет собой упрощенную версию усилителя класса B. Класс B преодолевает некоторые из основных проблем, которые мы имели с типом класса A.

Усилитель класса B использует два комплементарных транзистора (один NPN и другой PNP) в двухтактной конфигурации, как показано выше. Когда входной сигнал +Ve, NPN-транзистор начинает проводить, а когда входной сигнал становится -Ve, начинает работать PNP-транзистор. Таким образом, в любой данный момент только один транзистор остается включенным. NPN-транзисторы проводят 180-градусную фазу сигнала, а PNP-транзистор проводит другую 180-градусную фазу и рекомбинирует на выходе.

В усилителях класса А у нас были резисторы смещения для подачи постоянного напряжения выше 0,7 В на вывод базы, чтобы транзистор оставался в проводимости независимо от входного сигнала.

Здесь нам не нужно подавать какое-либо напряжение смещения, и входной сигнал будет смещать транзисторы, следовательно, ток покоя будет нулевым, а эффективность выше, чем у транзисторов класса А. Усилители класса B могут достигать максимального теоретического КПД 78,5%. В реальном мире мы можем получить эффективность до 50%, но мы пошли на компромисс с линейностью.

Поскольку транзистор не начинает проводить ток до тех пор, пока напряжение база-эмиттер не достигнет 0,7 В или (-0,7 В для PNP), транзистор остается закрытым, и любой сигнал между +0,7 В и – 0,7 В не будет воспроизводиться громкоговорителями, это называется кроссоверным искажением.

В заключение, усилители класса B более эффективны, чем усилители класса A, но с меньшей линейностью, чем усилители класса A.

Усилители класса AB:

Усилители класса AB разработаны для решения проблем, присущих усилителям класса B. Усилители класса AB имеют хорошую линейность и почти полное отсутствие кроссоверных искажений, что является хорошим компромиссом между типами усилителей классов A и B.

В усилителях класса AB к обоим транзисторам подается небольшой ток смещения с использованием диодов и резистора, так что, когда входной сигнал падает ниже +/-0,7 В, транзистор остается проводящим, а входной сигнал правильно воспроизводится в громкоговорителе.

Поскольку мы применяем небольшое напряжение смещения, чтобы сделать его проводящим, существует небольшой ток покоя (ток холостого хода), но потери мощности далеки от потерь класса А.

В классе B мы узнали, что только один из транзисторов остается включенным в любой момент времени, но в классе AB из-за небольшого напряжения смещения оба транзистора проводят чуть больше 180 градусов. Во время кроссовера оба транзистора остаются проводящими, поэтому входной сигнал не теряется.

Усилитель класса AB может достигать эффективности от 50% до 60%.

Усилитель класса C:

Типы усилителей, которые мы обсуждали до сих пор, обычно используются в качестве аудиоусилителей, но тип класса C, который мы собираемся обсудить, используется только в высокочастотных приложениях и не является линейным усилителем.

Тип класса C имеет наибольшее искажение на выходе и требует настроенной схемы для практического использования; настроенная схема предназначена для подавления искажений на выходе. Настроенная нагрузка состоит из конденсатора и катушки индуктивности (LC-контур), номиналы компонентов выбраны для работы на фиксированной частоте. Усилители класса C могут достигать КПД до 80% на радиочастотах.

Угол проводимости типа класса C меньше 50% или меньше 180 градусов или, другими словами, когда мы применяем вход с сигналом в 360 градусов (скажем, полный цикл синусоидальной волны), только значение менее 180 градусов сигнал поступает на усилитель. Однако, когда мы используем настроенную нагрузку (LC-контур), правильная форма волны восстанавливается.

Поскольку в нем используется настроенная схема, его выход фиксируется на одной частоте, поэтому нежелательные частоты подавляются. Полоса пропускания усилителей класса С ограничена «добротностью» усилителя.

Если вы любитель среднего и продвинутого уровня, вы, возможно, узнали, что схема LC и конфигурация транзистора очень похожи на схемы RF передатчика.

Усилитель класса D:

Усилители класса D являются наиболее предпочтительным типом усилителя в устройствах с батарейным питанием просто из-за его высокой эффективности и хорошего усиления. Тип класса D сильно отличается от всех типов усилителей, которые мы исследовали ранее, с точки зрения работы и сложности.

Работа усилителя класса D может быть кратко объяснена с помощью приведенной выше блок-схемы.

Во-первых, входной сигнал передается на компаратор, который сравнивает аудиосигнал с волной пилообразной формы или треугольной волной. На выходе компаратора будут прямоугольные импульсы, ширина импульса которых пропорциональна аудиосигналу, здесь аналоговый сигнал преобразованы в цифровые.

Импульсная волна подается на усилительный каскад, состоящий из полевых МОП-транзисторов или биполярных транзисторов, который работает в области насыщения и отсечки (транзистор либо полностью открыт, либо полностью закрыт), и именно здесь преобладает высокая эффективность усилителя. Ранее обсуждавшиеся типы усилителей имели транзистор, работающий в линейной области, где большая часть энергии рассеивается в виде тепла.

Теперь усиленные прямоугольные импульсы подаются на LC-фильтр нижних частот, где прямоугольные импульсы восстанавливаются до исходного аналогового сигнала и подаются на громкоговоритель. Этап фильтра нижних частот LC действует как цифро-аналоговый преобразователь.

Усилители класса D также известны как импульсные усилители.

Усилитель класса E:

Усилитель класса E также является импульсным усилителем, но используется только в высокочастотных радиочастотных приложениях, аналогичных усилителям класса C. Усилители класса E также настроены так же, как и усилители класса C, для достижения высокой эффективности.

Усилитель класса F:

Усилитель класса F также является еще одним высокочастотным усилителем мощности и не используется в аудиоприложениях. Значение усилителя класса F заключается в том, что в выходном каскаде используется нечто, называемое «гармоническим резонатором», благодаря чему он может достигать КПД практически до 90%.

Усилитель класса G:

Усилитель класса G является усовершенствованием усилителя класса AB для повышения энергоэффективности. Усилитель класса G использует несколько шин питания с разным напряжением в качестве источника питания, чтобы свести к минимуму потери мощности. Когда входная амплитуда возрастает, усилитель переключается на шину питания с более высоким напряжением, а когда входная амплитуда становится ниже, он выбирает шину питания с более низким напряжением, таким образом потери мощности минимизируются.

Усилители класса G более эффективны, чем усилители класса AB, но менее эффективны, чем усилители класса D.

Усилитель класса H:

Усилитель класса H является усовершенствованием усилителя класса G. Вместо использования нескольких шин питания с разным напряжением усилитель класса H может бесконечно изменять напряжение на шине питания в пределах диапазона напряжения. Таким образом, когда входная амплитуда растет или падает, напряжение на шине питания следует за ней, и мы можем достичь более высокой эффективности.

Усилитель класса S:

Работа усилителя класса S аналогична усилителю класса D, но в нем используется так называемый «дельта-сигма» модулятор для аналого-цифрового преобразования.

Усилитель класса T:

Усилители класса T обладают эффективностью усилителей класса D и низким уровнем искажений класса AB.

Резюме

В общем, усилитель можно определить как схему, предназначенную для усиления входного сигнала малой мощности до выходного сигнала высокой мощности в соответствии с указанными параметрами компонентов.

Хотя основная функция остается прежней, усилители можно разделить на разные категории в зависимости от их конструкции и конфигурации.

Схемы для усиления логических входов

Возможно, вы сталкивались с однотранзисторными усилителями, которые сконфигурированы для работы и усиления логики слабого сигнала от входных чувствительных устройств, таких как LDR, фотодиоды, ИК-устройства. Затем используются выходные данные этих усилителей. для включения/выключения триггера или реле в ответ на сигналы от сенсорных устройств.

Возможно, вы также видели крошечные усилители, которые используются для предварительного усиления музыкального или аудиовхода или для работы светодиодной лампы.
Все эти небольшие усилители относятся к категории малых усилителей сигнала.

Типы усилителей

В первую очередь, схемы усилителей включаются для усиления музыкальной частоты таким образом, что подаваемый небольшой музыкальный вход многократно усиливается, обычно от 100 до 1000 раз, и воспроизводится через громкоговоритель.

В зависимости от их мощности или номинальной мощности такие схемы могут иметь конструкции, варьирующиеся от небольших усилителей сигналов на основе операционных усилителей до больших усилителей сигналов, которые также называются усилителями мощности. способ, которым они могут быть сконфигурированы для обработки функции усиления.

The following table provides us the classification details of amplifiers based on their technical specifications and operating principle:

Type of Signal	Type of Configuration	Classification	Частота работы
Слабый сигнал	Общий эмиттер	Class A Amplifier	Direct Current (DC)
Large Signal	Common Base	Class B Amplifier	Audio Frequency (AF)
	Общий коллектор	Усилитель класса AB	Радиочастоты (РЧ)
	6 Усилитель класса C 0159	ОВЧ, УВЧ и СВЧ Частоты

В базовой конструкции усилителя мы обнаруживаем, что он в основном включает несколько каскадов, имеющих сети биполярных транзисторов или биполярных транзисторов, полевых транзисторов (FET) или операционных усилителей.

Такие блоки или модули усилителей могут иметь пару клемм для подачи входного сигнала и еще одну пару клемм на выходе для получения усиленного сигнала через подключенный громкоговоритель.

Одна из клемм из этих двух является клеммой заземления и может рассматриваться как общая линия между входным и выходным каскадами.

Три свойства усилителя

Три важных свойства, которыми должен обладать идеальный усилитель:

• Входное сопротивление (Rin)
• Выходное сопротивление (Rout)
• Коэффициент усиления (A), который представляет собой диапазон усиления усилителя. .

Принцип работы идеального усилителя

Разница в усиленном сигнале между выходом и входом называется коэффициентом усиления усилителя. Это величина или величина, на которую усилитель способен усилить входной сигнал на своих выходных клеммах.

Возьмем, к примеру, если усилитель рассчитан на преобразование входного сигнала в 1 вольт в усиленный сигнал в 50 вольт, то мы бы сказали, что усилитель имеет коэффициент усиления 50, это так просто.
Это преобразование низкого входного сигнала в более высокий выходной сигнал называется усиление усилителя. В качестве альтернативы, это можно понимать как увеличение входного сигнала в 50 раз. делится на входную мощность и обозначается буквой «А», которая также означает мощность усиления усилителя.

Типы коэффициентов усиления усилителя Различные типы коэффициентов усиления усилителя можно классифицировать следующим образом:

1. Усиление напряжения (AV)
2. Увеличение тока (AI)
3. Увеличение мощности (AP)

Пример. Пример. Формации для расчетов. для расчета их можно узнать из следующих примеров:

1. Коэффициент усиления по напряжению (Av) = Выходное напряжение / Входное напряжение = Vout / Vin
2. Коэффициент усиления по току (Ai) = Выходной ток / Входной ток = Iout / Iin
3. Коэффициент усиления мощности (Ap) = Av. x.A i

Для расчета коэффициента усиления мощности можно также использовать формулу:
Коэффициент усиления мощности (Ap) = выходная мощность / входная мощность = Aout / Ain

Важно отметить, что нижние индексы p, v, i , используемые для расчета мощности, назначаются для идентификации конкретного типа усиления сигнала, над которым ведется работа.

Выражение в децибелах

Вы найдете другой метод выражения усиления мощности усилителя, который выражается в децибелах или (дБ).
Мера или количество бел(В) представляет собой логарифмическую единицу (основание 10), которая не имеет единицы измерения.
Однако децибел может быть слишком большой единицей для практического использования, поэтому мы используем пониженную версию децибел (дБ) для расчетов усилителя.
Вот несколько формул, которые можно использовать для измерения коэффициента усиления усилителя в децибелах:

1. Коэффициент усиления по напряжению в дБ: av = 20*log(Av)
2. Коэффициент усиления по току в дБ: ai = 20*log(Ai)
3. Коэффициент усиления мощности в дБ: ap = 10*log(Ap)

Некоторые факты об измерении в дБ
Важно отметить, что коэффициент усиления мощности постоянного тока усилителя в 10 раз превышает общий логарифм его отношения выход/вход. , тогда как приросты тока и напряжения в 20 раз превышают общий логарифм их отношений.

Это означает, что, поскольку задействована логарифмическая шкала, усиление в 20 дБ не может рассматриваться как удвоенное по сравнению с 10 дБ из-за нелинейных характеристик измерения логарифмических шкал.

Когда усиление измеряется в дБ, положительные значения означают усиление усилителя, а отрицательное значение в дБ указывает на потерю усиления усилителя.

Например, если указано усиление +3 дБ, это указывает на двукратное или двукратное усиление конкретного выхода усилителя.

И наоборот, если результат равен -3 дБ, это означает, что усилитель имеет потери в размере 50 % усиления или х0,5 показателя потерь усиления. Это также называется точкой половинной мощности, что означает -3 дБ ниже максимально достижимой мощности по отношению к 0 дБ, что является максимально возможной выходной мощностью усилителя 9.0003

Расчет усилителей

Рассчитайте коэффициент усиления по напряжению, току и мощности усилителя со следующими характеристиками: Входной сигнал = 10 мВ при 1 мА Выходной сигнал = 1 В при 10 мА. Дополнительно определите коэффициент усиления усилителя, используя значения в децибелах (дБ).

Решение:

Применяя формулы, изученные выше, мы можем оценить различные типы усиления, связанные с усилителем, в соответствии с имеющимися входными и выходными характеристиками:

Коэффициент усиления по напряжению (Av) = Выходное напряжение / Входное напряжение = Vout / Вин = 1 / 0,01 = 100
Коэффициент усиления по току (Ai) = Выходной ток / Входной ток = Iвых / Iвх = 10 / 1 = 10
Коэффициент усиления по мощности (Ap) = Ain. x A i  =  100  x 10 = 1000

To get the results in Decibels we apply the corresponding formulas as given below:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30 дБ

Подразделения усилителей

Усилители слабого сигнала: Что касается характеристик мощности и коэффициента усиления напряжения усилителя, мы можем разделить их на несколько различных категорий.

Первый тип называется усилителем малого сигнала. Эти маломощные усилители сигналов обычно используются в предусилительных каскадах, инструментальных усилителях и т. д.

Усилители этого типа предназначены для работы с малыми уровнями сигналов на их входах в диапазоне нескольких микровольт, например, от сенсорных устройств или входов малых аудиосигналов. .

Усилители больших сигналов:  Усилители второго типа называются усилителями больших сигналов, и, как следует из названия, они используются в усилителях мощности для достижения огромных диапазонов усиления. В этих усилителях входной сигнал относительно больше по величине, чтобы их можно было существенно усилить для воспроизведения и подачи в мощные громкоговорители.

Как работают усилители мощности

Поскольку усилители малых сигналов предназначены для обработки небольших входных напряжений, их называют усилителями малых сигналов. Однако, когда от усилителя требуется работа с приложениями с высоким током переключения на их выходах, например, для управления двигателем или сабвуферами, усилитель мощности становится неизбежным.

Чаще всего усилители мощности используются в качестве аудиоусилителей для управления большими громкоговорителями, а также для достижения огромного усиления музыкального уровня и выходной громкости.

Усилителям мощности для работы требуется внешнее питание постоянного тока, и это питание постоянного тока используется для достижения намеченного усиления высокой мощности на их выходе. Мощность постоянного тока обычно вырабатывается через сильноточные источники питания высокого напряжения через трансформаторы или блоки на основе SMPS.

Хотя усилители мощности могут повышать низкий входной сигнал до высокого выходного сигнала, на самом деле эта процедура не очень эффективна. Это связано с тем, что в процессе значительное количество мощности постоянного тока теряется в виде рассеивания тепла.

Мы знаем, что идеальный усилитель будет производить выходную мощность, почти равную потребляемой мощности, что дает КПД 100%. Однако на практике это выглядит маловероятным и может оказаться неосуществимым из-за присущих силовым устройствам потерь мощности постоянного тока в виде тепла.

Эффективность усилителя Исходя из приведенных выше соображений, мы можем выразить эффективность усилителя как:

Эффективность = Выходная мощность усилителя / Потребление постоянного тока усилителем = Pвых / Контакт

Идеальный усилитель

Ссылаясь на приведенное выше обсуждение, мы можем выделить основные характеристики идеального усилителя. В частности, они описаны ниже:

Коэффициент усиления (A) идеального усилителя должен быть постоянным независимо от изменения входного сигнала.

1. Коэффициент усиления остается постоянным независимо от частоты входного сигнала, что позволяет не влиять на выходное усиление.
2. Выходной сигнал усилителя свободен от любого вида шума во время процесса усиления, напротив, он включает функцию шумоподавления, устраняющую любой возможный шум, вносимый через источник входного сигнала.
3. На него не влияют изменения температуры окружающей среды или температуры воздуха.
4. Продолжительное использование оказывает минимальное влияние или не влияет на характеристики усилителя, и они остаются постоянными.

Классификация электронных усилителей

Будь то усилитель напряжения или усилитель мощности, они классифицируются на основе характеристик входного и выходного сигнала. Это делается путем анализа протекания тока по отношению к сигналу входного сигнала и времени, необходимого для его достижения на выходе.

В зависимости от конфигурации схемы усилители мощности можно разделить на категории в алфавитном порядке. Им присваиваются различные рабочие классы, такие как:

Класс «A»
Класс «B»
Класс «C»
Класс «AB» и так далее.

Они могут иметь свойства, варьирующиеся от почти линейной выходной характеристики, но довольно низкой эффективности до нелинейной выходной характеристики с высокой эффективностью.

Ни один из этих классов усилителей нельзя отличить друг от друга как хуже или лучше, поскольку каждый имеет свою специфическую область применения в зависимости от требований.

Вы можете найти оптимальную эффективность преобразования для каждого из них, и их популярность может быть определена в следующем порядке:

Усилители класса «А»: КПД ниже, как правило, менее 40%, но может демонстрировать улучшенный линейный выходной сигнал.

Усилители класса «B»: КПД может быть в два раза выше, чем у усилителей класса A, практически около 70%, из-за того, что только активные устройства усилителя потребляют мощность, что приводит к использованию мощности только на 50%.

Усилители класса «AB»: Усилители этой категории имеют уровень эффективности где-то между классом A и классом B, но воспроизведение сигнала хуже по сравнению с классом A.

Усилители класса «C»: они считаются исключительно эффективными с точки зрения энергопотребления, но воспроизведение сигнала является наихудшим с большим количеством искажений, что приводит к очень плохому воспроизведению характеристик входного сигнала.

Как работают усилители класса А:

Усилители класса А имеют идеально смещенные транзисторы в активной области, что позволяет точно усиливать входной сигнал на выходе.

Благодаря этой идеальной функции смещения транзистор никогда не смещается в сторону области отсечки или перенасыщения, в результате чего усиление сигнала правильно оптимизируется и центрируется между заданными верхним и нижним ограничениями сигнала, как показано на рис. следующее изображение:

В конфигурации класса A одинаковые наборы транзисторов используются для двух половин выходного сигнала. И в зависимости от используемого типа смещения выходные силовые транзисторы всегда визуализируются во включенном положении, независимо от того, подается входной сигнал или нет.

Из-за этого усилители класса А имеют крайне низкий КПД с точки зрения потребляемой мощности, поскольку реальная подача мощности на выход затруднена из-за избыточных потерь за счет рассеяния устройства.

В описанной выше ситуации можно увидеть, что усилители класса всегда имеют перегретые выходные силовые транзисторы даже при отсутствии входного сигнала.

Даже при отсутствии входного сигнала постоянный ток (Ic) от источника питания может проходить через силовые транзисторы, что может быть равно току, протекающему через громкоговоритель при наличии входного сигнала. Это приводит к постоянному «горячему» транзистору и перерасходу мощности.

Работа усилителя класса B

В отличие от конфигурации усилителя класса A, в которой используются одиночные силовые транзисторы, в классе B используется пара комплементарных биполярных транзисторов на каждой половине схемы. Они могут быть в форме NPN/PNP или N-канального MOSFET/P-канального MOSFET).

Здесь одному из транзисторов разрешено работать в ответ на один полупериод формы входного сигнала, в то время как другой транзистор обрабатывает другой полупериод формы волны.

Это гарантирует, что каждый транзистор в паре проводит половину времени в активной области и половину времени в области отсечки, таким образом позволяя только 50% участие в усилении сигнала.

В отличие от усилителей класса A, в усилителях класса B силовые транзисторы не смещены прямым постоянным током, вместо этого конфигурация гарантирует, что они проводят только тогда, когда входной сигнал превышает напряжение базового эмиттера, которое может быть около 0,6 В для кремния. BJT.

Это означает, что при отсутствии входного сигнала биполярные транзисторы остаются отключенными, а выходной ток равен нулю. И из-за этого только 50% входного сигнала может поступать на выход в любом случае, что обеспечивает гораздо более высокий коэффициент полезного действия для этих усилителей. Результат можно увидеть на следующей диаграмме:

Поскольку постоянный ток не используется напрямую для смещения силовых транзисторов в усилителях класса B, чтобы инициировать проводимость в ответ на каждую половину цикла +/- сигнала, становится обязательным, чтобы их база/эмиттер Vbe приобрела потенциал выше 0,6 В (стандартное значение смещения базы для биполярных транзисторов)

Из-за вышеизложенного подразумевается, что выходной сигнал ниже отметки 0,6 В не может быть усилен и воспроизведен.

Это приводит к искажению формы выходного сигнала как раз в тот период, когда один из биполярных транзисторов выключается и ждет, пока другой снова включится.

Это приводит к тому, что небольшой участок сигнала подвергается незначительным искажениям в течение периода перехода или периода перехода вблизи перехода через нуль, именно тогда, когда переключение с одного транзистора на другой происходит через комплементарные пары.

Работа усилителя класса AB

Усилитель класса AB построен с использованием сочетания f-характеристик схемы классов A и B, отсюда и название класса AB.

Хотя конструкция класса AB также работает с парой комплементарных биполярных транзисторов, выходной каскад обеспечивает управление смещением силовых биполярных транзисторов вблизи порога отсечки при отсутствии входного сигнала.

В этой ситуации, как только воспринимается входной сигнал, транзисторы перестают нормально работать в своей активной области, таким образом подавляя любую возможность перекрестного искажения, которое обычно преобладает в конфигурациях класса B. Однако через биполярные транзисторы может протекать небольшой ток коллектора, который можно считать незначительным по сравнению с конструкциями класса А.

Усилитель класса AB демонстрирует значительно улучшенный коэффициент полезного действия и линейную характеристику по сравнению с аналогом класса A.

Форма выходного сигнала усилителя класса AB

Класс усилителя — важный параметр, который зависит от того, как транзисторы смещаются через амплитуду входного сигнала, для реализации процесса усиления.

Он зависит от того, какая часть формы входного сигнала используется транзисторами для проведения, а также от коэффициента эффективности, который определяется количеством энергии, фактически используемой для доставки выходного сигнала и/или потраченной впустую на рассеяние.

Что касается этих факторов, мы можем, наконец, создать сравнительный отчет, показывающий различия между различными классами усилителей, как указано в следующей таблице.

Затем мы можем провести сравнение между наиболее распространенными типами классификаций усилителей в следующей таблице.

Классы усилителей мощности

Заключительные мысли

Если усилитель спроектирован неправильно, как, например, в конструкции усилителя класса А, может потребоваться существенный радиатор на силовых устройствах, а также охлаждающие вентиляторы для работы.

В таких конструкциях также потребуются более мощные источники питания для компенсации огромного количества энергии, теряемой в виде тепла. Все эти недостатки могут сделать такие усилители очень неэффективными, что, в свою очередь, может привести к постепенному износу устройств и, в конечном итоге, к отказам.

Таким образом, может быть целесообразным выбрать усилитель класса B с более высоким КПД около 70 % по сравнению с 40 % усилителя класса A. Сказал, что усилитель класса А может обещать более линейную характеристику с его усилением и более широкую частотную характеристику, хотя за это приходится платить существенной потерей мощности.

Классификация усилителей мощности: усилители классов А, В, С, Лекции – XXVI, XXVII. – M Dash Foundation: C Cube Learning

Аналоговые системы и приложения – лекции – XXVI, XXVII.

Эта статья относится к серии лекций по аналоговой электронике, статья носит название «Аналоговые системы и приложения» для класса с отличием по физике, — щелкните ссылку слева, чтобы получить доступ ко всем лекциям этой серии. Эта статья состоит из 26-й и 27-й лекций цикла. Лекции были прочитаны 3 апреля 2018 года.

Это наша 12-я лекция в этой серии, где мы имеем дело с остроумными транзисторами. Они должны быть чем-то в электронной промышленности. В наших последних 5 лекциях (лекции 21, 22, 23, 24 и 25) мы подробно обсудили частотную характеристику однокаскадных усилителей с общим эмиттером с RC-связью, помимо деталей их схемы, операций и анализа, таких как теорема Миллера и метод гибридной схемы. , усиление по напряжению и мощности и т. д.

До этого в 6 лекциях мы подробно рассмотрели их основную природу и условия, при которых они работают желаемым образом (например, смещение). Теперь пришло время, когда мы можем рассмотреть, как транзисторы классифицируются по различным типам, которых существует великое множество. При этом мы достигнем более высокого уровня понимания этих крошечных чудес. Помните, как они перехитрили могучие вакуумные лампы громадины в какой-то войне электроники.

Электронные системы требуют усиления напряжения, а затем усиления мощности. Это выходное напряжение после усиления сигнала до более высокого уровня напряжения, которое приводит в действие усилитель мощности.

Транзистор высокого β (соответствует тонкой базе) используется для усилителей напряжения. А вот маленькие β (что соответствует толстой базе) используются в усилителях мощности.

В соответствии с принципом сохранения энергии усилители мощности не могут увеличить мощность транзистора. Они берут мощность постоянного тока и преобразуют ее в мощность переменного тока.

По этой причине они известны как преобразователь мощности или преобразователь частоты.

Хорошие усилители напряжения не являются хорошими усилителями мощности. Силовые транзисторы должны быть построены с хорошими возможностями рассеивания тепла. Поэтому размер области коллектора силовых транзисторов должен быть большим.

Существует 3 типа усилителей мощности в зависимости от способа работы транзистора: класс A, класс B и класс C — мы не будем обсуждать, что называется классом AB, просто упомянем вскользь, что это такое. Теперь мы подробно обсудим первые 3 типа усилителей.

Классификация усилителей классов А, В, С.

Усилители можно разделить на различные классы в зависимости от точки срабатывания, т. е. смещения. Мы увидим, как отличается способ работы для разных классов. Определено 4 класса; A, B, AB и C , (и еще много типов). Из них мы подробно изучим только класс А, класс В и класс С.

• Усилитель класса А : В усилителях этого класса транзистор работает в течение всего цикла. Таким образом, выходной сигнал повторяет форму волны входного сигнала.
• Усилитель класса B : В усилителях этого класса транзистор работает только в течение полупериода. На оставшуюся часть цикла транзистор выключается или отключается.
• Усилитель класса AB : Это усилитель класса, в котором транзистор работает как промежуточный между усилителями класса A и класса B. Транзистор проводит больше половины (больше B), но меньше 1 (меньше A, т. е.).
• Усилитель класса C : Это еще один базовый класс усилителей, такой как класс A и класс B. Здесь транзистор проводит меньше половины периода (меньше, чем B, т.е.).

Теперь давайте подробно изучим усилители мощности класса A, B и C .

Усилитель класса А

Изучим их принципиальную схему, характеристики, энергоэффективность, преимущества и недостатки. На следующей диаграмме показана схема «однотактного усилителя мощности класса А с трансформаторной связью».

Усилитель класса А. Это усилитель, который воспроизводит и усиливает только половину периода входной волны. Он имеет один трансформатор, один транзистор, 3 резистора и 2 конденсатора, а также источник напряжения и напряжение смещения.

В этой схеме, как и во многих электронных схемах, громкоговоритель служит нагрузкой усилителей мощности. Нагрузка имеет низкий импеданс. С другой стороны, коллекторная цепь имеет высокий импеданс. Понижающий трансформатор напряжения или повышающий ток служит двум целям.

• (i) для подачи питания на громкоговоритель.
• (ii) для согласования импеданса.

Чтобы понять пункт (ii) , вспомните механизм трансформатора: R _L ’ = (N ₁ /N ₂ ) ²

5 R L.

(N ₁ > N ₂ ) (уменьшение) ⇒ R _L ’ > R _L

7 . Таким образом, трансформатор с правильным соотношением витков соответствует низкому импедансу R _L с высоким выходным сопротивлением R _L ‘ . [или r _o ]

Силовые трансформаторы представляют собой большой усилитель сигнала. В таких условиях они больше не являются линейными устройствами. Параметры транзистора перестали быть постоянными. Следовательно, эквивалентная схема переменного тока не может использоваться для анализа цепи.

Вместо этого мы используем графический метод.

Выходные характеристики усилителей класса А.

При нулевом сигнале сопротивление первичной обмотки трансформатора по постоянному току принимается равным нулю. Также R _E маленький. Линия нагрузки постоянного тока представляет собой почти вертикальную линию, проходящую через рабочую точку Q, где V _CE = V _CC , i _C = I _CQ 7 7 . Линия нагрузки переменного тока также проходит через Q и имеет наклон: тангенс ^-1 (-1/R _L ‘) .

Положительные и отрицательные пики могут не совпадать (т. е. пики могут быть асимметричными). i.e. I _max – I _CQ ≠ I _CQ – I _min and V _max – V _CC ≠ V _CC – V _min .

Входная мощность постоянного тока, P _i = Выходная мощность переменного тока P _o + Потери мощности P _{D 9} .

P _i = P _dc = V _CC × I _C(av) .

Предположим, пики симметричны (ниже и выше I _CQ ). Так как I _C(av) = I _CQ , то P _i = V _CC × I _CQ

7 9.

Нет потери мощности, в трансформаторе: P _o = вторичная мощность = первичная мощность.

AC output power P _o = V _rms × I _rms = I _rms ² R _L ‘ .

Среднее пиковое значение тока, I _o = 1/2 [(I _макс. – I _CQ ) + (I _CQ – I _мин. )] = 1/2 [I _{мин. макс} – I _мин ]

⇒ I _{среднеквадратичное значение} = (I _макс – I _мин ) / 2√2 .

Аналогично В _{среднеквадратичное значение} = (В _макс. – В _мин. ) / 2√2 . Таким образом, P _o = 1/8 (V _max – V _min ) (I _max – I _min ) .

V _CC = (V _max + V _min ) / 2 and I _CQ = (I _max + I _min ) / 2 .

⇒ P _i = V _CC × I _CQ = 1/2 (V _макс. + V _мин. ) × 1/2 (I _мин. ) × 1/2 (I макс.) 901 58 + макс. 1/4 (V _макс. + V _мин. ) (I _макс. + I _мин. ) .

Таким образом, КПД усилителя мощности класса А: .

η всегда меньше 50 % для усилителей класса А. Максимум возникает при переходе рабочей точки сигнала от 2 I _CQ до 0 и напряжение коллектора изменяется от 0 до 2 В _CC .

Итак, .

P _{o (max)} = максимальная выходная мощность = 1/8 (2V _CC . 2I _CQ ) = 1/2V _CC . I _CQ = 1/2 I _CQ ² R _L ‘ как V _CC = I _CQ R _5’

Практически энергоэффективность усилителей класса А составляет ≤ 35 % .

Недостатки

• Слишком низкая энергоэффективность.
• Используются батарейки, это нерентабельно.
• Гармонические искажения слишком велики, в основном вторая гармоника.
• Усилитель минимизирует искажения за счет выхода.
• Проблема насыщения выходного силового трансформатора из-за постоянного тока в первичной обмотке.

Двухтактный усилитель класса B

В нем используются два идентичных трансформатора усилителя. Входной сигнал к ним равен 180 ⁰ не в фазе из-за входного трансформатора с отводом от средней точки. Кроме того, выходной трансформатор имеет среднее отвод. Недостаток усилителя класса А устранен. Схема может работать как усилитель класса A, AB или B, в зависимости от цели. Два транзистора n-p-n используются параллельно или встречно-параллельно.

Класс B или схема двухтактного усилителя.

Входной сигнал управляет двумя транзисторами Q ₁ и Q ₂ в чередующихся полупериодах (трансформатор TR ₁ обеспечивает им противоположную полярность). Питание постоянного тока В _CC подается на центральный отвод первичной обмотки выходных трансформаторов. Передаточное отношение 2 N ₁ / N ₂ выбрано для соответствия R _L с R _L ‘ . R ₁ и R ₂ контролируют близость рабочей точки к отсечке. R _E (на самом деле их два) — термокомпенсирующие резисторы.

В течение первого полупериода (скажем, A равно +ve, а B равно -ve) Q ₁ будет проводить (поскольку его прямое смещение). Обратное происходит во время второго полупериода, и Q ₂ проводит (который ранее был смещен в обратном направлении, но теперь смещен в прямом направлении).

Поскольку в течение полупериода только одна часть усилителя имеет ток, который повторяет входной сигнал, его «выталкивает» , другая часть «опускает» . Это меняется в следующем полупериоде. Вот почему они известны как двухтактные усилители .

Давайте покажем поведение сигнала входного напряжения и выходного тока сигнала в усилителе на следующей диаграмме.

Отклик сигнала входного напряжения и выходного тока в двухтактном усилителе или усилителе класса B.

На диаграмме D показаны перекрестные искажения при смещении отсечки. Это происходит из-за того, что β имеет низкое значение при низком токе коллектора, т. е. вблизи отсечки, по сравнению с остальной частью цикла. Оба транзистора (Q ₁ и Q ₂ ) по умолчанию может быть немного смещен вперед для преодоления перекрестных искажений. Это достигается выбором R ₁ и R ₂ . Это немного уводит нас от класса B к классу A. Таким образом, он обозначается как класс AB.

Эффективность преобразования энергии: с помощью некоторых основных уравнений можно показать, что (см., например, книгу по электронике Тайала и Тайала из гималайского издания) .

Для идеальных случаев: В _макс. – V _min = 2V _CC and I _max – I _min = 2I _max = 2V _CC / R _L ‘ .

Таким образом, .

P _{o (max)} = maximum output power = 1 /2 (V _CC . I _max ) = V _CC ² / 2R _L ‘ .

P _{o (diss)} = рассеиваемая мощность = P _i – P _o = 2 (V _CC . I _max )/π – (V _max – V _min )(I _max – I _min 8 )/8

Для идеального случая: P _{o (diss)} = (2/π) V _CC . I _max – 1/2 R _L ‘ I _max ² .

Таким образом, максимальная рассеиваемая мощность получается дифференцированием вышеприведенного: P _{o (diss, max)} = (2/π ² ) V _CC / R _L ‘ .

Коэффициент использования транзистора (показатель качества) .

(Пока вы можете проверить преимущества/недостатки из той же книги, упомянутой выше, я также могу попытаться обновить ее, если это будет возможно в ближайшее время).

Усилитель класса C

Используется только для одночастотного входа или узкого диапазона входных частот. Настройка осуществляется с помощью параллельной LC-цепи. Резонансная частота определяется выражением: . Усилители класса C работают на радиочастотах. (т. е. частоты выше 20 кГц, помните, мы определили их как частоту верхнего диапазона)

Ток коллектора протекает менее 180 ⁰ входного периода. Имеются сильные искажения. Одиночные импульсные выходы затухают через некоторое время, поэтому используется узкий импульс тока, при этом каждый импульс переводит транзистор в состояние включения. Ниже приведена принципиальная схема усилителя класса C.

Усилитель класса С.

База имеет обратное смещение (-ve V _BB ) через L ₁ , это удерживает устройство в нормально выключенном состоянии. В _S > V _BB заставит его проводить. Таким образом, I _{B, I C} текут только тогда, когда пик входного сигнала переменного тока немного превышает | В _ВВ |+ В _ВЕ .

P _O = V _P ² / 2R _L , V _P ~ V V. V _{8 8 8 8 8 8 9. 8 9. 8.}

, так как потери очень малы из-за проводимости в очень маленьком масштабе времени.

Практически то же самое 85 % .

Оцените:

Нравится:

Нравится Загрузка…

Усилитель мощности — Как работает усилитель мощности?

• Проектирование задач

Войти

Добро пожаловать!Войти в свой аккаунт

ваше имя пользователя

ваш пароль

Забыли пароль?

Создать учетную запись

Политика конфиденциальности

Зарегистрироваться

Добро пожаловать!Зарегистрируйте аккаунт

ваш адрес электронной почты

ваше имя пользователя

Пароль будет отправлен вам по электронной почте.

Политика конфиденциальности

Восстановление пароля

Восстановить пароль

ваш адрес электронной почты

Поиск

Изменено: 9 февраля 2021 г.

Статьи категории

Содержание

Что такое усилитель мощности

усилитель мощности. Усилители мощности обычно используются в таких приложениях, как головные телефоны, головные телефоны, радиопередатчики и т. д. Чтобы обеспечить требуемое усиление, вход усилителя мощности должен быть увеличен до определенного уровня. Усилители мощности обычно используются в конце конструкции, хотя другие усилители, такие как усилители напряжения/тока, предназначены для использования непосредственно для управления нагрузками.

Цепь усилителя мощности

Как мы упоминали выше, усилитель мощности имеет ограничение входного сигнала. Поэтому мы предварительно усиливаем исходный сигнал с помощью усилителей тока или напряжения, не подключая его напрямую к усилителю мощности. Этот метод изменяет входной сигнал таким образом, чтобы усилитель мощности мог нормально функционировать. На приведенной ниже диаграмме показано, как усилитель мощности встроен в конструкцию аудиоусилителя.

Блок-схема усилителя мощности

На приведенной выше блок-схеме в качестве источника входного сигнала используется микрофон. Поскольку величина входного сигнала с микрофона недостаточна, сигнал необходимо предварительно усилить. Поэтому величина тока и напряжения сигнала несколько увеличиваются. Прежде чем сигнал достигнет усилителя мощности, он подвергается эстетической настройке с помощью схемы регуляторов тембра и громкости. Наконец, выход усилителя мощности подключается к динамику.

Коэффициент усиления усилителя мощности

Коэффициент усиления усилителя

Связь между входным и выходным сигналами в усилителе мощности называется коэффициентом усиления усилителя. Это основная мера того, насколько усилитель усиливает данный входной сигнал. Его также называют отношением мощности входного сигнала к мощности выходного сигнала. Усиление усилителя не имеет единиц измерения, но для этого используется общий символ (A). Обычно усиление выражается в децибелах, дБ

Коэффициент усиления усилителя мощности (дБ) = 10 Log 10 (выходная мощность / входная мощность)

Где

Входная мощность = Vin * Iin и выходная мощность = Vout * Iout

Идеальная модель усилителя

Идеальный усилитель проходит входной сигнал, который подается через выход неискаженным образом, увеличивая сигнал без какой-либо задержки. Обычно идеальный усилитель сигнала будет иметь три основных свойства, общая модель усилителя, также известная как модель идеального усилителя, может использоваться для представления следующих трех свойств независимо от сложности схемы.

• Входное сопротивление (Rin)
• Выходное сопротивление (Rout)
• Коэффициент усиления (A)

Эффективность усилителя

Эффективность усилителя представляет собой отношение между мощностью, подаваемой на нагрузку, и мощностью, потребляемой от источника.

КПД усилителя (η) = Pout / Pin

Где,

Входная мощность = Vin * Iin и выходная мощность = Vout * Iout

Типы усилителей мощности

• Цифровой усилитель мощности

Цифровые усилители мощности в основном используются для усиления мощности сигналов с широтно-импульсной модуляцией, и их можно увидеть в силовых электронных компонентах, таких как приводы двигателей. Они усиливают входной сигнал, проходящий через систему микроконтроллера, и подают усиленный сигнал на двигатель постоянного тока.

Обычно аналоговый сигнал в цифровых усилителях мощности кодируется в виде последовательности импульсов и напрямую не обрабатывается, а восстанавливается на выходе с помощью полосового фильтра. Вышеприведенный принцип известен как класс S из-за дискретизации амплитуды сигнала. Цифровые усилители мощности широко используются в приложениях звуковых частот, и теперь их можно увидеть и в микроволновых частотах.

• Усилитель мощности MOSFET

MOSFET-транзисторы также известны как полевые транзисторы на основе оксидов металлов и полупроводников, и они обычно используются в приложениях с линейным усилением слабого сигнала. Поскольку в этих приложениях величина входного импеданса очень велика, их можно легко сместить. Чтобы создать линейное усиление, полевой МОП-транзистор должен работать в области насыщения, и он должен работать со смещением вокруг централизованной точки постоянной добротности.

• Микроволновый усилитель мощности

Эти усилители мощности состоят из активных элементов с пассивными цепями линии передачи для критического функционирования в системах и конструкциях, связанных с микроволновым излучением. Микроволновые усилители мощности обычно используются в таких приложениях, как антенны, ограничительные диоды, усилители мощности на основе MMIC и т. д.

• Транзисторный усилитель мощности

В этом усилителе мощности для усиления сигнала используется силовой транзистор. Магнитофоны, системы громкой связи, радио- и телеприемники и другие электронные устройства используют в своей схемотехнике транзисторные усилители мощности.

• Усилитель высокой мощности

Для усиления слабого сигнала до значительного уровня мы используем мощный усилитель. Это нелинейное устройство, которое используется в приложениях, в основном в приложениях с высокой выходной мощностью.

• Многоканальный усилитель мощности

Усилители такого типа создают копии одного и того же входного сигнала с одинаковыми значениями, распределенными по нескольким выходным каналам.

Классы усилителей мощности

Схема усилителя мощности может быть спроектирована разными способами; следовательно, характеристики каждой схемы будут отличаться друг от друга. Чтобы различать поведение цепей усилителей мощности, вводятся классы усилителей мощности. Они названы в соответствии с буквами английского алфавита, что позволяет легко идентифицировать метод работы. Есть в основном два класса для категорий. Это категории A, B, AB или C, которые обозначают усилители мощности, предназначенные для усиления аналоговых сигналов, и категории, такие как D, E, F, которые обозначают усилители мощности, предназначенные для усиления цифровых сигналов с широтно-импульсной модуляцией. Обычно наблюдаемыми классами усилителей мощности являются класс A, класс B, класс AB и класс C. Они в основном используются в приложениях, которые используются в схемах аудиоусилителей.

Классификация усилителей мощности на основе частот

При рассмотрении частот усилители мощности можно разделить на две категории следующим образом:

• Аудиоусилители мощности

Этот тип усилителя разработан для увеличения мощности более слабого входного аудиосигнала на большую величину. Усилитель мощности звука можно увидеть в таких приложениях, как телевизоры, мобильные телефоны, где используется схема возбуждения динамика, а выходная мощность усилителя мощности звука варьируется от нескольких милливатт до тысяч ватт.

• Радиочастотные усилители мощности

Усилители этого типа используются в таких приложениях, как FM-вещание, и для них требуются антенны с входными сигналами мощностью в несколько тысяч киловатт. Вышеупомянутые методы беспроводной передачи требуют передачи модулированных сигналов на большие расстояния по воздуху. Эти сигналы передаются через антенны, а дальность передачи сигнала зависит от мощности входных сигналов, поступающих на антенну. Поэтому мы используем усилители мощности радиочастоты, чтобы получить большую величину мощности модулированного сигнала, достаточную для хорошей передачи сигнала.

Классификация на основе режима работы

При рассмотрении режима работы усилителя мощности мы можем разделить его на три категории. Они следующие.

• Усилитель мощности класса A. Усилитель мощности класса A имеет коллекторный ток, протекающий каждый раз в его коллекторе при рассмотрении полного цикла входного сигнала. КПД этого класса составляет около 40%, но он имеет хорошее воспроизведение сигнала и хорошую линейность.
• Усилитель мощности класса B — в усилителе мощности класса B ток на коллекторе протекает только в положительном полупериоде входного сигнала. Максимальная эффективность, достигнутая этим классом, составляет около 70%.
• Усилитель мощности класса C — в усилителе мощности класса C ток на коллекторе протекает меньше, чем половина периода входного сигнала. Это класс с самой высокой эффективностью, но воспроизведение сигнала не очень хорошее по сравнению с другими категориями.
• Усилитель мощности класса AB. Чтобы получить преимущества как класса A, так и класса B, мы добавляем эти классы и разрабатываем еще один класс усилителя мощности под названием Class AB. Эффективность этого класса составляет от 40% до 70%, и это обеспечивает лучшее воспроизведение сигнала, чем класс B.

Усилитель мощности класса AB

Михал

Инженер электроники и телекоммуникаций с дипломом магистра электроэнергетики. Светодизайнер опытный инженер. В настоящее время работает в сфере IT.

Английский

Что такое усилитель мощности? Определение и классификация усилителя мощности

Определение : Усилители мощности в основном используются для повышения уровня мощности входного сигнала . Усилитель мощности также называют усилителем большого сигнала, так как для получения большой мощности на выходе необходимо также большое входное напряжение сигнала.

Транзисторы, используемые в усилителях мощности, называются силовыми транзисторами.

Основные термины усилителя мощности

• Эффективность коллектора: Эффективность в основном измеряется способностью преобразовывать мощность постоянного тока в мощность переменного тока на выходе. Это отношение выходной мощности переменного тока к мощности постоянного тока от источника питания.
• Мощность рассеивания : определяется как способность рассеивать выделяемое тепло устройством во время работы. Поскольку силовые транзисторы рассчитаны на большой ток, они быстро нагреваются. А значит, необходимо рассеивать выделяющееся в нем тепло.
• Искажение : Искажение может быть определено как изменения, происходящие на выходе со входа во время работы. Всегда рекомендуется иметь выход без искажений.

Каскады усилителей мощности:

Для обеспечения необходимого усиления мощности усилители мощности состоят из следующих трех каскадов, как показано ниже:

Стадия 1: Стадия усиления напряжения : Поскольку входной сигнал, развиваемый преобразователем, имеет очень низкое значение, а на выходе требуется сигнал более высокого значения, поэтому входной сигнал усиливается на самой первой ступени усилителя мощности.

Здесь мы использовали два каскада усилителя напряжения, чтобы усилить низкое входное напряжение до желаемого уровня.

Ступень 2: Задающий каскад : Усиленное напряжение, полученное от усилителя напряжения, подается на задающий каскад для обеспечения максимального усиления мощности и облегчения согласования импедансов.

Этап 3: Выходной каскад : Этот каскад в основном состоит из усилителей мощности и отвечает за передачу максимальной мощности на выходное устройство.

Усилители мощности классифицируются по разным классам, что показывает изменение выходного сигнала по отношению к приложенному входному сигналу.

Класс A

В этом классе усилителей мощности выходной ток протекает в течение всего, т. е. 360﮲ входного периода. Работает только на линейная область нагрузки в качестве рабочей точки выбрана таким образом, что дает нам точный выходной сигнал как входной.

Здесь максимально возможная эффективность 50%. Этот класс используется, когда нам просто нужен вывод без искажений.

На протяжении всего входного сигнала транзистор остается в режиме прямого смещения. В этом классе транзистор все время остается в активном режиме, что приводит к избыточному выделению тепла, что приводит к снижению КПД.

Давайте посмотрим на принципиальную схему и принцип работы усилителя класса А:

I _B создает аналогичные колебания тока коллектора, и выходной сигнал берется через нагрузку.

Применяемый вход заставляет ток коллектора колебать ток коллектора от максимального до минимального, что в результате перемещает точку Q вдоль линии нагрузки.

Преимущества :

• Обеспечивает усиление без искажений.
• Слабый сигнал может быть усилен.

Недостатки :

• Низкая эффективность коллектора.
• Низкая выходная мощность.
• Из-за чрезмерного выделения тепла необходимы радиаторы, что делает их дорогостоящими и громоздкими.

Класс B

В этом типе транзистор смещен таким образом, что ток течет только во время положительной половины входного цикла . При этом используются два комплементарных транзистора, которые принимают входной сигнал одинаковой величины, но противоположный по фазе.

Когда вход подается на вторичную обмотку трансформатора с отводом в центре, он генерирует два идентичных сигнала с противоположной фазой, и два транзистора управляются этими двумя входными сигналами.

Теперь операция обсуждается ниже:

Когда V ₁ становится положительным, V ₂ становится отрицательным, что приводит к тому, что Q1 становится проводящим, а Q2 переходит в режим OFF. Когда ток коллектора в Q1 увеличивается, он создает положительную половину входного сигнала.

Когда V ₁ становится отрицательным, а V ₂ становится положительным, Q2 автоматически начинает проводить, а Q1 переходит в режим OFF. Когда ток коллектора в транзисторе Q2 увеличивается, он генерирует еще половину сигнала напряжения.

Эта работа двух транзисторов, таким образом, генерирует полную синусоиду на выходе.

Когда входной сигнал отсутствует, оба транзистора переходят в режим ВЫКЛ и ток не потребляется. Это предотвращает ненужную работу транзистора, что снижает вероятность перегрева устройства.

Работа класса B приводит к перекрестному искажению , потому что, как мы знаем, транзистору требуется напряжение 0,7 В для начала его проводимости, поэтому транзистор не будет активен ниже 0,7 В. Это означает, что часть волны не будет воспроизведена на выходе, что приведет к искажению выходного сигнала.

Это искажение пересечения нуля называется искажение пересечения .

Преимущества :

• Более эффективен по сравнению с усилителем мощности класса А.
• Благодаря двухтактному механизму исключаются четные гармоники.

Недостатки :

• Приводит к кроссоверным искажениям.
• Стоимость и размеры увеличены из-за трансформаторов связи.

Класс AB

Это комбинация усилителей мощности классов A и B. Этот класс был в основном введен в для устранения перекрестных искажений, возникающих в классе B .

В этом типе угол проводимости лежит где-то между 180﮲ и 360 ﮲. Здесь смещение транзистора осуществляется таким образом, что рабочая точка Q находится вблизи напряжения отсечки.

Ток коллектора протекает более половины входного периода, что означает, что он проводит в течение положительной половины входного периода. Для небольшой части отрицательного полупериода, поскольку входная цепь становится смещенной в прямом направлении.

Но проводимость прекращается на небольшую часть отрицательного полупериода, когда транзистор смещается в обратном направлении.

Эффективность составляет от 50% до 60%

Преимущества :

• Устраняет перекрестные искажения.
• Дешевле по сравнению с классом B

Недостатки :

• Низкая эффективность.
• Возможно присутствие компонентов постоянного тока на выходе.

Класс C

Усилитель мощности этого класса предназначен для обеспечения наивысшего КПД около 80% . Они смещены таким образом, что работают менее чем на 180﮲ входного сигнала, но обеспечивают полный выходной сигнал в случае схем, настроенных на резонансную частоту.

Усилители этого класса имеют ограниченное применение на фиксированной частоте. В этом классе искажения выше, поэтому он не подходит для аудиоприложений.

Ток коллектора протекает менее чем за половину периода входного сигнала. Транзистор остается бездействующим и не проводит более половины входного периода.

Преимущества :

• Усилитель мощности повышает эффективность.
• Размер системы физически мал.

Недостатки :

• Не годится для аудиоприложений.
• Низкая линейность усилителя мощности.

Класс D

В основном используется, когда мы должны работать с цифровым или импульсным сигналом. Теоретически он обеспечивает КПД более 90% , поскольку ток проходит через открытый транзистор.

Преимущества :

• Высокая эффективность.
• Низкое рассеивание мощности.

Недостаток :

• Сложный дизайн системы.

Используя технику класса D, усилители могут выдавать на нагрузку несколько сотен ватт. Его более высокий КПД обеспечивает мощным усилителям хорошее качество звука.

Усилители мощности класса А

• Изучив этот раздел, вы сможете понять:
• Ограничения, связанные с эффективностью усилителей мощности класса А.
•   • Эффективность класса A
•   • Влияние на требования к источнику питания.
• Силовые выходные каскады класса А с трансформаторной связью.
•   • Влияние индуктивной нагрузки на Vpp.
•   • Согласование импеданса с трансформаторной связью.

 

Рис. 5.2.1 Смещение класса A

Классы усилителей

Усилитель с общим эмиттером класса A, описанный в Модуле усилителя 1, Модуле 2 и Модуле 3, обладает некоторыми превосходными свойствами, которые делают его полезным для многих задач усиления, независимо от его использования. как усилитель мощности ограничен его низкой эффективностью. Хотя класс A может использоваться для выходных каскадов мощности (обычно от низкой до средней мощности), он меньше используется для выходных каскадов более высокой мощности, поскольку более эффективные классы усилителей, такие как классы B, AB или даже классы D, E, F, G и H доступны.

Классы A, B, AB и C относятся к способу смещения усилителей, хотя класс C в основном используется в схемах генераторов. Классы от D до H используются в импульсных усилителях, где мощность экономится за счет быстрого переключения выходных транзисторов между полностью открытыми и полностью выключенными состояниями. В любом из этих состояний транзистор рассеивает мало или вообще не рассеивает мощность.

Усилители мощности класса A

Назначение смещения класса A состоит в том, чтобы сделать усилитель относительно свободным от искажений, сохраняя форму сигнала вне области между 0 В и примерно 0,6 В, где входная характеристика транзистора нелинейна. В конструкции класса А получаются хорошие линейные усилители, но они расточительны по мощности. Выходная мощность, которую они производят, теоретически составляет 50%, но практически только около 25-30% по сравнению с мощностью постоянного тока, которую они потребляют от источника питания.

В усилителях мощности класса А используется метод смещения, показанный на рис. 5.2.1. Этот метод вызывает протекание постоянного тока смещения в течение всего цикла формы сигнала, даже когда сигнал не усиливается. Стоячий ток смещения (ток покоя) достаточен для того, чтобы напряжение коллектора упало до половины напряжения питания, и, следовательно, мощность (P = I _C x V _CC /2) рассеивается транзистором независимо от наличия сигнала. усиливается или нет. Это не было большой проблемой в усилителях напряжения класса А, где ток коллектора был очень мал, но в усилителях мощности выходные токи в тысячи раз больше, поэтому эффективное использование мощности имеет решающее значение.

Выход класса А с трансформаторной связью

Схема, показанная на рис. 5.2.2, представляет собой силовой выходной каскад класса А, но его эффективность повышается за счет использования выходного трансформатора вместо резистора в качестве нагрузки.

Рис. 5.2.2 Базовый усилитель мощности класса А

Первичная обмотка трансформатора имеет высокий кажущийся импеданс (Z _P ) на звуковых частотах из-за действия трансформатора на «увеличение» импеданса громкоговорителя. Как показывает формула:

Z _P = Z _LS (N _P /N _S ) ²

Кажущийся импеданс первичной обмотки (Z _P ) _LS ), умноженное на квадрат коэффициента витков.

Хотя импеданс первичной обмотки трансформатора высок, его сопротивление постоянному току (при 0 Гц) практически равно нулю. Следовательно, хотя можно ожидать, что усилитель напряжения класса А будет иметь коллекторное напряжение, равное примерно половине напряжения питания, усилитель мощности класса А будет иметь постоянное напряжение коллектора, приблизительно равное напряжению питания (+12 В на рис. 5.2.2) и из-за действия трансформатора, это позволяет колебание напряжения на 12 В выше и ниже напряжения коллектора постоянного тока, что делает максимальное пиковое напряжение сигнала (V _стр. ) доступно на 24 В.

При отсутствии сигнала ток покоя коллектора выходного транзистора (средней мощности) обычно может составлять около 50 мА. При подаче сигнала ток коллектора будет существенно изменяться выше и ниже этого уровня.

Усилители мощности класса А, использующие относительно линейную часть характеристик транзисторов, менее подвержены искажениям, чем другие классы смещения, используемые в усилителях мощности, и хотя их меньшая эффективность улучшается при использовании выходных трансформаторов, введение трансформатора само по себе может привести к дополнительные искажения. Это можно свести к минимуму, ограничив амплитуду сигнала, чтобы использовать не полную мощность усилителя, но даже в оптимальных условиях эффективность класса А представляет проблемы. Поскольку существенно менее 50% мощности, потребляемой от источника питания, идет на мощность сигнала, подаваемого на громкоговоритель, потерянная мощность просто вырабатывается в виде тепла, в основном в выходных транзисторах.

В больших усилителях большой мощности класс А нецелесообразен. Например, усилителю, используемому для выдачи 200 Вт на большую акустическую систему, потребуется усилитель мощностью 400 Вт, производящий с максимальной эффективностью, 200 Вт избыточного тепла, которое должно быть рассеяно очень большими транзисторами и еще более крупными радиаторами в случае перегрева и последующего отказа компонентов. следует избегать. Поэтому выходные каскады класса А используются в основном в выходных каскадах малой и средней мощности от 1 до 2 Вт и ниже, например, в бытовых радио- или телевизионных приемниках и усилителях для наушников.

К началу страницы

 

Механизм усиления РЧ-мощности

Усиление РЧ-мощности (PA) является ключом к удовлетворению требований беспроводных приложений, таких как повсеместно распространенные коммуникационные технологии и радары. Чтобы понять взаимосвязь компромиссов с требованиями, включая эффективность и потребляемую мощность, диапазон и линейность, в первой части этой серии статей, посвященных основам ВЧ-усилителя, были рассмотрены основные формы сигналов и формулы для расчета подаваемой мощности, выходной ВЧ-мощности и эффективности. . В этой статье предполагались идеальные формы сигналов — отсутствие выбросов или провалов — и идеальный транзистор.

Мы продолжим эти предположения в этой, второй части, когда мы рассмотрим механизм усиления, как можно классифицировать усилители по схемам, необходимым для генерации сигналов различной формы, и как форма выходного сигнала влияет на эффективность.

Рисунок 1: Механизм усиления

Механизм усиления

Назначение ВЧ-усилителя — увеличить мощность входного ВЧ-сигнала. Это достигается подачей на затвор сигнала, скажем, синусоиды с размахом напряжения 3 В, которая влияет на напряжение сток-исток (В _ds ) и тока (I _ds ) так, что размах их напряжения намного больше, скажем, >60 В ( рис. 1 ).

Отношение между сигналом на выходе и сигналом на входе является мерой усиления, называемой усилением. Его можно выразить как отношение входного к выходному напряжению, току и мощности, чтобы выразить напряжение, ток и усиление мощности соответственно.

Обратите внимание, что в Рисунок 1 входной и выходной сигналы различаются только усилением, а форма выходного сигнала практически не изменяется. Тем не менее, это не всегда так.

Один из способов классифицировать усилители по их режимам работы или классам, которые представляют собой часть или угол проводимости полного периода синусоидального входного сигнала, при котором усилитель остается активным. Эти классы усилителей различаются по способу работы, эффективности и линейности.

В этой статье сравниваются некоторые распространенные классы усилителей, начиная с наиболее линейного, но наименее эффективного класса A и заканчивая все еще линейным (из-за идеального транзистора), но более эффективным классом F и обратным F.

Класс A

На основании графика зависимости Ids от Vgs на Рисунке 1 сохранение линейного усиления означает, что синусоидальные колебания напряжения и тока должны оставаться в пределах линейного наклона кривой крутизны и избегать резкого ограничения на краях. Смещение транзистора в центре этой линейной области позволяет усилителю обеспечить наибольший размах (выходную мощность), оставаясь при этом линейным (, рис. 2, ). Это усилитель класса А, который используется, когда требуется высокая линейность и усиление.

Усилитель класса А проводит полный цикл или 360º (2π) входного сигнала и поэтому эквивалентен источнику тока. Форма волны стока и тока в идеале должны быть синусоидальными.

Поскольку точка смещения покоя находится в центре диапазона тока, 0,5 А в этом примере, усилители класса А всегда проводят постоянный ток стока, даже когда нет размаха ВЧ. Это означает более высокое энергопотребление постоянного тока и влияет на их эффективность. При наибольшем размахе RF эффективность определяется как:

Рис. 2. При смещении затвора в центре линейной области транзистора усилитель класса А всегда проводит ток.

С параметрами, показанными на рис. = (12,5/50) × 100 = 50 %

Даже при идеальном устройстве и полном размахе ВЧ это теоретическая наилучшая производительность, которую мы можем получить от усилителей класса А.

Класс В

Усилители класса B решают проблему эффективности класса A. Они делают это, смещая затвор в точке отсечки на характеристической кривой, где транзистор просто выключается, а ток стока равен нулю — это идеальный транзистор, после всего.

Рис. 3. В классе B смещение затвора в точке отсечки транзистора означает, что он проводит половину цикла. Обратите внимание на четно-гармонические составляющие выходного тока.

Таким образом, транзистор проводит половину времени во время размаха ВЧ, и ток стока теперь представляет собой наполовину выпрямленную синусоиду. Напомним, что полувыпрямленная синусоида состоит из четных гармоник. Следовательно, на этих гармониках требуется очень низкий импеданс (короткое замыкание), чтобы поддерживать полувыпрямленную форму выходного тока стока. Выходное напряжение остается синусоидальным, как и в классе A.

Поскольку мы предполагаем идеальный транзистор с резкой характеристикой включения, амплитуда тока стока пропорциональна амплитуде возбуждения, создавая линейное усиление.

Для достижения той же амплитуды, что и полная синусоидальная волна на выходе усилителя класса А, или для того, чтобы занять ту же линейную область характеристик транзистора, размах входной волны должен быть в два раза больше, чем для класса А. Это означает что усилители класса B имеют более низкое усиление, чем усилители класса A.

Напомним, что постоянный ток полусинусоидальной волны определяется как:

Подключив это к нашим расчетам эффективности,

Мощность постоянного тока = 50 В × 1/π A = 15,9 Вт,
ВЧ-мощность = 1/2 ( 50 В × 0,5 А) = 12,5 Вт,
и
КПД (%) = (12,5/15,9) × 100 = 78,5% Усилитель имеет более низкий постоянный ток стока во время полного размаха ВЧ из-за полувыпрямленной синусоидальной формы волны и отсутствия тока покоя. Это приводит к значительному повышению эффективности по сравнению с пределом класса А, но ценой этого является выигрыш. В следующей статье мы увидим, что линейность также является компромиссом по сравнению с классом A.

Рисунок 4: Смещение транзистора ниже отсечки приводит к усилению класса C.

Класс C

Усиление класса C возникает, если транзистор смещен ниже порогового значения, так что он активен менее половины цикла (<π).

В этом случае текущий сигнал начинает выглядеть так, как будто он состоит из серии импульсов ( Рисунок 4 ). Таким образом, постоянная составляющая дополнительно снижается по сравнению с классом B. Выходное напряжение остается синусоидальным, как и в классах A и B.

Эффективность класса C может быть увеличена с 78,5%, как у класса B, до 100% за счет уменьшения угла проводимости с увеличением отрицательного смещения затвора. Однако это происходит за счет гораздо более низкого и нелинейного усиления. Выходная мощность не увеличивается линейно с входной мощностью. Как правило, конструкции класса C соглашаются на компромиссы, которые приводят к эффективности 85%.

Классы F и инвертированные F

Усилитель класса F использует математическую зависимость составного прямоугольного сигнала от его основной синусоиды — амплитуда основной гармоники выше амплитуды составного — как обсуждалось в первой части настоящего документа. серии.

В классе F полупериодная выпрямленная синусоида для ВЧ-тока уменьшает постоянную составляющую (такую ​​же, как в классе B), а прямоугольная волна для ВЧ-напряжения увеличивает V _mag основной частоты, что способствует повышению эффективности ( Рисунок 5 ).

Рисунок 5: Возведение выходного напряжения в квадрат увеличивает Vmag его основной гармоники, в то время как выходной ток с полувыпрямленной синусоидой представляет то же значение постоянного тока, что и в классе B.

Использование значений, показанных в Рисунок 5 1/π (1 А) = 15,9Вт,
ВЧ-мощность = 1⁄2 ((4/π × 50 В) × 0,5 А) = 15,9 Вт,
и
КПД (%) = 15,9 Вт / 15,9 Вт = 100%

Возведение напряжения стока в квадрат таким образом, достигается невероятная 100% эффективность в идеальном случае. Эффективность 100% достижима только при наличии бесконечного числа гармоник. Если вы ограничены только 3-й гармоникой, то максимально достижимый КПД составляет 88%.

Значительного сглаживания формы волны напряжения можно добиться, добавив третью гармонику (и нечетные гармоники более высокого порядка) волны. Но поскольку входное напряжение представляет собой чистую синусоиду, оно не имеет гармоник.

Для генерации гармоник входное напряжение увеличивается таким образом, чтобы выходной ток ограничивался путем перевода транзистора в состояние насыщения ( рис. 6 ). Затем напряжение третьей гармоники строится за счет того, что ВЧ-нагрузка имеет бесконечно высокий импеданс (разомкнутая цепь) по отношению к току третьей гармоники.

Рис. 6. Ток третьей гармоники генерируется при наличии достаточно большого размаха входного напряжения для ограничения тока стока. Затем напряжение третьей гармоники «извлекается» из тока путем представления его с бесконечно высоким импедансом.

В инвертированном усилителе F-класса напряжение представляет собой полувыпрямленную синусоидальную волну, а ВЧ-ток представляет собой прямоугольную волну.

Рассмотрим плоскость генератора тока, например, показанную на рис. 6 для класса F. Работа с инверсией F достигается за счет представления вместо короткого замыкания разомкнутой цепи на второй гармонике. Это развивает напряжение второй гармоники и формирует полувыпрямленное напряжение. Кроме того, короткое замыкание представлено третьей гармонике, чтобы сохранить ток третьей гармоники и построить прямоугольную форму волны тока.

Это не влияет на КПД, так как значения постоянного тока и ВЧ для напряжения и тока просто меняются местами, как показано ниже:

RF Voltage

0.71

0.71

0.9

DC Voltage

1

1

1

RF Current

0.71

0.71

0.71

DC Current

1

0.64

0.64

RF Power

0.5

0.5

0.64

DC Power

1

0.64

0.64

Efficiency

50%

78. 5%

100%

Таблица 1: Сравнение классов усилителей ) × 50 В) = 15,9Вт,
и
КПД (%) = 15,9 Вт / 15,9 Вт = 100 %

Таким образом, в классах F используется тот факт, что присутствие третьей гармоники позволяет увеличить амплитуду основной составляющей. Поскольку пиковое напряжение транзистора имеет максимально допустимый размах, V _max , класс F предлагает полезный способ увеличения мощности в пределах этого ограничения.

Конец идеальности

Существует множество классов усилителей, некоторые из которых обсуждались здесь ( Таблица 1 ). Мы подсчитали, что класс B более эффективен, чем класс A, из-за более низкой составляющей постоянного тока. Класс F сохраняет это преимущество и увеличивает радиочастотную мощность для достижения максимальной эффективности среди трех классов.

Однако помните, что в этом обсуждении предполагался идеальный транзистор с характеристиками, которые включают линейную область, окруженную сильно нелинейными пределами при отсечке и насыщении.