Усилитель мощности - Amplifier

Эта статья про электронные усилители. Для использования в других целях см. Усилитель (значения).
Усилитель стерео звука мощностью 100 Вт, используемый в домашних компонентных аудиосистемах в 1970-х годах.
Усиление означает увеличение амплитуда (напряжение или ток) изменяющегося во времени сигнала с заданным коэффициентом, как показано здесь. График показывает ввод (синий) и выходное напряжение (красный) идеального линейного усилителя с произвольным сигналом на входе. В этом примере усилитель имеет усиление напряжения из 3; это в любой момент

An усилитель мощности, электронный усилитель или (неофициально) усилитель электронное устройство, которое может увеличить мощность из сигнал (изменяющийся во времени Напряжение или же Текущий ). Это двухпортовый электронная схема, которая использует электроэнергию от источник питания увеличить амплитуда сигнала, подаваемого на его входные клеммы, создавая на его выходе сигнал пропорционально большей амплитуды. Величина усиления, обеспечиваемого усилителем, измеряется его прирост: отношение выходного напряжения, тока или мощности к входной. Усилитель - это схема, имеющая прирост мощности больше единицы.[1][2][3]

Усилитель может быть отдельным оборудованием или электрическая цепь содержится в другом устройстве. Усиление является основой современной электроники, и усилители широко используются практически во всем электронном оборудовании. Усилители можно разделить на разные категории. Один из частота электронного сигнала, который усиливается. Например, усилители звука усилить сигналы в аудио (звуковой) диапазон менее 20 кГц, усилители RF усиливают частоты в радиочастота диапазон между 20 кГц и 300 ГГц, а сервоусилители и инструментальные усилители могут работать с очень низкими частотами вплоть до постоянного тока. Усилители также можно классифицировать по их физическому расположению в сигнальная цепь; а предусилитель может предшествовать, например, другим этапам обработки сигнала.[4] Первым практическим электрическим устройством, которое могло усилить сигнал, было триод вакуумная труба, изобретенный в 1906 г. Ли Де Форест, что привело к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы.

История

Вакуумные трубки

Первым практическим устройством, которое могло усилить звук, было триод вакуумная труба, изобретенный в 1906 г. Ли Де Форест, что привело к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Ламповые лампы использовались почти во всех усилителях до 1960-1970-х годов, когда транзисторы заменил их. Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы, но в некоторых приложениях продолжают использоваться электронные лампы.

Прототип аудиоусилителя Де Фореста 1914 года. Audion (Триодная) вакуумная лампа имела усиление по напряжению около 5, обеспечивая общий коэффициент усиления около 125 для этого трехкаскадного усилителя.

Развитие технологий аудиосвязи в виде телефон, впервые запатентованный в 1876 году, потребовал увеличения амплитуды электрических сигналов, чтобы распространить передачу сигналов на все более длинные расстояния. В телеграфия, эта проблема была решена с помощью промежуточных устройств на станциях, которые восполняли рассеиваемую энергию, управляя записывающим сигналом и передатчиком последовательно, образуя реле, так что локальный источник энергии на каждой промежуточной станции питал следующий участок передачи. Для дуплексной передачи, то есть отправки и приема в обоих направлениях, были разработаны двунаправленные ретрансляционные повторители, начиная с работы К. Ф. Варлей для телеграфной передачи. Дуплексная передача была необходима для телефонии, и проблема не была решена до 1904 года, когда Х. Э. Шрив из Американская телефонно-телеграфная компания улучшил существующие попытки построения телефонный репитер состоящий из спина к спине датчик угольных гранул пары электродинамических приемников.[5] Ретранслятор Shreeve был сначала испытан на линии между Бостоном и Эймсбери, Массачусетс, и более совершенные устройства оставались в эксплуатации в течение некоторого времени. На рубеже веков было обнаружено, что отрицательное сопротивление ртутные лампы могли усиливаться, и их также пробовали в ретрансляторах, но без особого успеха.[6]

Развитие термоэмиссионные клапаны начиная примерно с 1902 года, предоставил полностью электронный метод усиления сигналов. Первым практическим вариантом таких устройств был Audion триод, изобретенный в 1906 г. Ли Де Форест,[7][8][9] что привело к появлению первых усилителей примерно в 1912 году.[10] Поскольку единственным предыдущим устройством, которое широко использовалось для усиления сигнала, было реле используется в телеграф систем усилительная вакуумная лампа была впервые названа электронное реле.[11][12][13][14] Условия усилитель мощности и усиление, происходит от латинского амплификация, (увеличивать или расширять),[15] были впервые использованы для этой новой возможности примерно в 1915 году, когда триоды получили широкое распространение.[15]

Усилительная вакуумная лампа произвела революцию в электротехнике, создав новую область электроника, технология активный электрические приборы.[10] Это сделало возможным междугородние телефонные линии, системы громкой связи, радиовещание, говорящие фильмы, практичный Аудио запись, радар, телевидение, а первая компьютеры. В течение 50 лет практически во всех устройствах бытовой электроники использовались электронные лампы. Ранние ламповые усилители часто имели положительный отзыв (регенерация ), что может увеличить коэффициент усиления, но также сделает усилитель нестабильным и подверженным колебаниям. Большая часть математической теории усилителей была разработана в Bell Telephone Laboratories в период с 1920-х по 1940-е гг. Уровни искажений в ранних усилителях были высокими, обычно около 5%, до 1934 г., когда Гарольд Блэк развитый негативный отзыв; это позволило значительно снизить уровни искажений за счет более низкого усиления. Другие успехи в теории усиления были сделаны Гарри Найквист и Хендрик Уэйд Боде.[16]

Электронная лампа была практически единственным усилительным устройством, кроме специализированных силовых устройств, таких как магнитный усилитель и амплидин, в течение 40 лет. В схемах управления мощностью использовались магнитные усилители до второй половины двадцатого века, когда силовые полупроводниковые устройства стали более экономичными и имели более высокие рабочие скорости. Старые электроакустические угольные ретрансляторы Shreeve использовались в регулируемых усилителях в телефонных абонентских аппаратах для людей с нарушениями слуха, пока в 1950-х годах транзисторы не стали производить усилители меньшего и более высокого качества.[17]

Транзисторы

Дальнейшая информация: История транзистора, МОП-транзистор, Усилитель мощности звука, и Усилитель мощности RF

Первый рабочий транзистор был точечный транзистор изобретен Джон Бардин и Уолтер Браттейн в 1947 г. Bell Labs, куда Уильям Шокли позже изобрел биполярный переходной транзистор (BJT) в 1948 году. За ними последовало изобретение Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) от Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году. Масштабирование MOSFET, возможность масштабирования до все более малых размеров, MOSFET с тех пор стал наиболее широко используемым усилителем.[18]

Замена громоздких электронных ламп на транзисторы в 1960-х и 1970-х годах произвела революцию в электронике, сделав возможным появление большого класса портативных электронных устройств, таких как транзистор радио разработан в 1954 году. Сегодня использование электронных ламп ограничено для некоторых приложений с большой мощностью, таких как радиопередатчики.

Начиная с 1970-х годов, все больше и больше транзисторов было подключено к одному кристаллу, тем самым создавая более высокие масштабы интеграции (такие как малые, средние и крупномасштабная интеграция ) в интегральные схемы. Многие коммерчески доступные сегодня усилители основаны на интегральных схемах.

Для специальных целей использовались другие активные элементы. Например, в первые дни спутниковая связь, параметрические усилители были использованы. Сердечник представлял собой диод, емкость которого изменялась локально созданным радиочастотным сигналом. При определенных условиях этот РЧ-сигнал давал энергию, которая модулировалась чрезвычайно слабым спутниковым сигналом, принимаемым земной станцией.

Достижения в цифровая электроника поскольку в конце 20-го века были предоставлены новые альтернативы традиционным усилителям с линейным усилением за счет использования цифрового переключения для изменения формы импульса сигналов с фиксированной амплитудой, что привело к появлению таких устройств, как Усилитель класса D.

Идеально

Четыре типа зависимых источников - управляющая переменная слева, выходная переменная справа.

В принципе, усилитель - это электрический двухпортовая сеть который создает сигнал на выходном порту, который является копией сигнала, подаваемого на входной порт, но с увеличенной амплитудой.

Входной порт можно идеализировать как вход напряжения, который не принимает ток, с выходом, пропорциональным напряжению на порте; или токовый вход без напряжения на нем, в котором выход пропорционален току через порт. Выходной порт можно идеализировать как зависимый источник напряжения, с нулевым сопротивлением источника и его выходным напряжением, зависящим от входа; или зависимый источник тока, с бесконечным сопротивлением источника и выходным током, зависящим от входа. Комбинация этих вариантов приводит к четырем типам идеальных усилителей.[4] В идеализированном виде они представлены каждым из четырех типов зависимый источник используется в линейном анализе, как показано на рисунке, а именно:

ВходВыходЗависимый источникТип усилителяЕдиницы усиления
яяИсточник тока управляемого тока, CCCSУсилитель токаБезразмерный
яVИсточник напряжения с регулируемым током, CCVSТранссопротивление усилитель мощностиОм
VяИсточник тока, управляемый напряжением, VCCSКрутизна усилитель мощностиСименс
VVИсточник напряжения, управляемый напряжением, VCVSУсилитель напряженияБезразмерный

Каждый тип усилителя в его идеальной форме имеет идеальное входное и выходное сопротивление, такое же, как и у соответствующего зависимого источника:[19]

Тип усилителяЗависимый источникВходное сопротивлениеВыходное сопротивление
ТекущийCCCS0∞
ТранссопротивлениеCCVS00
КрутизнаVCCS∞∞
НапряжениеVCVS∞0

В реальных усилителях невозможно достичь идеального импеданса, но эти идеальные элементы можно использовать для построения схемы замещения реальных усилителей путем добавления импедансов (сопротивления, емкости и индуктивности) ко входу и выходу. Для любой конкретной схемы часто используется анализ слабого сигнала, чтобы найти фактическое сопротивление. Испытательный ток слабого сигнала переменного тока яИкс подается на входной или выходной узел, все внешние источники устанавливаются на ноль переменного тока и соответствующее переменное напряжение VИкс через источник испытательного тока определяет импеданс, видимый в этом узле как R = VИкс / IИкс.[20]

Усилители, предназначенные для подключения к линия передачи на входе и выходе, особенно Усилители RF, не вписываются в этот классификационный подход. Вместо того, чтобы иметь дело с напряжением или током по отдельности, они идеально сочетаются с входным или выходным импедансом, согласованным с импедансом линии передачи, то есть согласовывают соотношения напряжения к току. Многие настоящие ВЧ усилители близки к этому идеалу. Хотя для данного соответствующего источника и импеданса нагрузки ВЧ усилители могут быть охарактеризованы как усиливающие напряжение или ток, они, по сути, являются усиливающей мощностью.[21]

Характеристики

Основная статья: Достоинства усилителя

Свойства усилителя задаются параметрами, которые включают:

Усилители описываются в соответствии со свойствами их входов и выходов, а также их отношениями.[22] Все усилители имеют коэффициент усиления - коэффициент умножения, который связывает величину некоторого свойства выходного сигнала со свойством входного сигнала. Коэффициент усиления можно указать как отношение выхода Напряжение к входному напряжению (усиление напряжения ), выходная мощность к входной мощности (прирост мощности ) или некоторая комбинация силы тока, напряжения и мощности. Во многих случаях свойство выхода, которое изменяется, зависит от того же свойства входа, что делает усиление безразмерным (хотя часто выражается в децибелы (дБ)).

Большинство усилителей спроектированы как линейные. То есть они обеспечивают постоянное усиление для любого нормального уровня входного и выходного сигнала. Если коэффициент усиления усилителя нелинейный, выходной сигнал может стать искаженный. Однако есть случаи, когда переменное усиление Полезно. В некоторых приложениях обработки сигналов используются усилители с экспоненциальным усилением.[4]

Усилители обычно предназначены для работы в определенных приложениях, например: радио и телевидение передатчики и приемники, высокая точность ("Hi-Fi") стереооборудование, микрокомпьютеры и другое цифровое оборудование, а также гитара и другие инструментальные усилители. Каждый усилитель включает как минимум один активное устройство, например вакуумная труба или же транзистор.

Негативный отзыв

Негативный отзыв это метод, используемый в большинстве современных усилителей для улучшения полосы пропускания, искажений и управления усилением. В усилителе с отрицательной обратной связью часть выхода возвращается и добавляется ко входу в противофазе, вычитаясь из входа. Основной эффект - снижение общего коэффициента усиления системы. Однако любые нежелательные сигналы, вносимые усилителем, такие как искажения, также возвращаются. Поскольку они не являются частью исходного ввода, они добавляются к входу в противофазе, вычитая их из входа. Таким образом, отрицательная обратная связь также снижает нелинейность, искажения и другие ошибки, вносимые усилителем. Большое количество отрицательной обратной связи может уменьшить количество ошибок до такой степени, что отклик самого усилителя становится практически несущественным, пока он имеет большое усиление, а выходные характеристики системы («закрытые» производительность цикла ") полностью определяется компонентами в контуре обратной связи. Этот метод особенно используется с операционные усилители (операционные усилители).

Усилители без обратной связи могут обеспечить искажение только около 1% для сигналов звуковой частоты. С негативный отзыв, искажение обычно можно уменьшить до 0,001%. Шум и даже кроссоверные искажения можно практически устранить. Отрицательная обратная связь также компенсирует изменение температуры и ухудшение или нелинейные компоненты в каскаде усиления, но любое изменение или нелинейность в компонентах в контуре обратной связи повлияет на выходной сигнал. В самом деле, способность контура обратной связи определять выходной сигнал используется для создания схемы активных фильтров.

Еще одно преимущество отрицательной обратной связи состоит в том, что она увеличивает пропускная способность усилителя. Понятие обратной связи используется в операционные усилители для точного определения усиления, полосы пропускания и других параметров, полностью основанных на компонентах контура обратной связи.

Отрицательная обратная связь может применяться на каждом каскаде усилителя для стабилизации рабочая точка активных устройств от незначительных изменений напряжения питания или характеристик устройства.

Некоторая обратная связь, положительная или отрицательная, неизбежна и часто нежелательна - например, введенная паразитические элементы, например, собственная емкость между входом и выходом таких устройств, как транзисторы, и емкостная связь внешней проводки. Чрезмерная частотно-зависимая положительная обратная связь может привести к паразитные колебания и превратить усилитель в осциллятор.

Категории

Активные устройства

Все усилители включают в себя какое-либо активное устройство: это устройство, которое выполняет собственное усиление. Активным устройством может быть вакуумная труба, дискретный твердотельный компонент, такой как одиночный транзистор, или часть Интегральная схема, как в операционный усилитель ).

Транзистор усилители (или твердотельные усилители) являются наиболее распространенным типом усилителей, используемых сегодня. В качестве активного элемента используется транзистор. Коэффициент усиления усилителя определяется свойствами самого транзистора, а также схемы, в которой он содержится.

Общие активные устройства в транзисторных усилителях включают: биполярные переходные транзисторы (БЮТ) и металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы).

Применения многочисленны, некоторые распространенные примеры - усилители звука в домашней стереосистеме или система громкой связи, Генерация высокочастотной мощности для полупроводникового оборудования, для высокочастотных и микроволновых приложений, таких как радиопередатчики.

Усиление на основе транзисторов может быть реализовано с использованием различных конфигураций: например, транзистор с биполярным переходом может реализовать общая база, общий коллектор или же общий эмиттер усиление; МОП-транзистор может реализовать общие ворота, общий источник или же общий сток усиление. Каждая конфигурация имеет разные характеристики.

Ламповые усилители (также известные как ламповые усилители или ламповые усилители) вакуумная труба как активное устройство. В то время как полупроводниковые усилители в значительной степени вытеснили ламповые усилители для приложений с низким энергопотреблением, ламповые усилители могут быть гораздо более экономичными в приложениях с большой мощностью, таких как радары, контрольно-измерительное оборудование и оборудование связи. Много СВЧ усилители специально разработанные ламповые усилители, такие как клистрон, гиротрон, лампа бегущей волны, и усилитель со скрещенным полем, и эти микроволновые клапаны обеспечивают гораздо большую выходную мощность отдельного устройства на сверхвысоких частотах, чем твердотельные устройства.[23] Вакуумные лампы по-прежнему используются в некотором высококачественном аудиооборудовании, а также в усилители музыкальных инструментов из-за предпочтения "ламповый звук ".

Магнитные усилители устройства чем-то похожи на трансформатор где одна обмотка используется для контроля насыщения магнитопровода и, следовательно, для изменения импеданса другой обмотки.[24]

Они в значительной степени вышли из употребления из-за разработки полупроводниковых усилителей, но все еще используются в HVDC управления и в схемах управления ядерной энергией из-за того, что на них не влияет радиоактивность.

Отрицательные сопротивления могут использоваться как усилители, такие как туннельный диод усилитель мощности.[25][26]

Усилители мощности

Усилитель мощности от Решения Skyworks в Смартфон.

Усилитель мощности - это усилитель, предназначенный в первую очередь для увеличения мощности, доступной для нагрузка. На практике коэффициент усиления мощности усилителя зависит от источника и нагрузки. сопротивление, а также собственное усиление напряжения и тока. А радиочастота Конструкция усилителя (RF) обычно оптимизирует импедансы для передачи мощности, в то время как конструкции аудио и инструментальных усилителей обычно оптимизируют входное и выходное сопротивление для минимальной нагрузки и максимальной целостности сигнала. Усилитель, который, как утверждается, имеет коэффициент усиления 20 дБ, может иметь коэффициент усиления по напряжению 20 дБ и доступный коэффициент усиления мощности, намного превышающий 20 дБ (коэффициент мощности 100) - тем не менее, фактически он обеспечивает гораздо меньшее усиление мощности, если, например, входной сигнал - от микрофона с сопротивлением 600 Ом, а выход - с 47кОм входной разъем для усилителя мощности. Как правило, усилитель мощности является последним «усилителем» или реальной схемой в сигнальной цепи (выходной каскад) и является каскадом усилителя, который требует внимания к энергоэффективности. Соображения эффективности приводят к различным классам усилителей мощности на основе смещение выходных транзисторов или ламп: см. классы усилителя мощности ниже.

Усилители мощности звука обычно используются для вождения музыкальные колонки. У них часто будет два выходных канала и предоставить каждому равную мощность. An Усилитель мощности RF находится в радио передатчик заключительные этапы. А Контроллер серводвигателя: усиливает управляющее напряжение для регулировки скорости двигателя или положения моторизованной системы.

Операционные усилители (операционные усилители)

LM741 общего назначения операционный усилитель
Основные статьи: Операционный усилитель и Инструментальный усилитель

Операционный усилитель - это схема усилителя, которая обычно имеет очень высокий коэффициент усиления без обратной связи и дифференциальные входы. Операционные усилители стали очень широко использоваться в качестве стандартизированных «блоков усиления» в схемах из-за их универсальности; их усиление, пропускная способность и другие характеристики могут контролироваться Обратная связь через внешнюю цепь. Хотя сегодня этот термин обычно применяется к интегральным схемам, в первоначальной конструкции операционного усилителя использовались вентили, а в более поздних конструкциях использовались дискретные транзисторные схемы.

А полностью дифференциальный усилитель аналогичен операционному усилителю, но также имеет дифференциальные выходы. Обычно они создаются с использованием БЮТ или же Полевые транзисторы.

Распределенные усилители

Основная статья: Распределенный усилитель

В них используются сбалансированные линии передачи для разделения отдельных одноступенчатых усилителей, выходы которых суммируются одной линией передачи. Линия передачи является сбалансированной, с входом на одном конце и только с одной стороны сбалансированной линии передачи, а выход на противоположном конце также является противоположной стороной сбалансированной линии передачи. Коэффициент усиления каждого каскада линейно прибавляется к выходу, а не умножается один на другой, как в каскадной конфигурации. Это позволяет получить более широкую полосу пропускания, чем можно было бы реализовать в противном случае, даже с теми же элементами каскада усиления.

Усилители с переключением режимов

Эти нелинейные усилители имеют гораздо более высокий КПД, чем линейные усилители, и используются там, где экономия энергии оправдывает дополнительную сложность. Усилители класса D являются основным примером этого типа усиления.

Усилитель отрицательного сопротивления

Усилитель отрицательного сопротивления - это тип регенеративного усилителя. [27] который может использовать обратную связь между истоком и затвором транзистора для преобразования емкостного сопротивления истока транзистора в отрицательное сопротивление на его затворе. По сравнению с другими типами усилителей, этот «усилитель с отрицательным сопротивлением» потребует лишь крошечного количества энергии для достижения очень высокого усиления, сохраняя при этом хороший коэффициент шума.

Приложения

Видеоусилители

Видеоусилители предназначены для обработки видеосигналов и имеют различную полосу пропускания в зависимости от того, предназначен ли видеосигнал для SDTV, EDTV, HDTV 720p или 1080i / p и т. Д. Спецификация самой полосы пропускания зависит от того, какой тип фильтра используется - и при какая точка (−1 дБ или же −3 дБ например) измеряется пропускная способность. Для получения приемлемого телевизионного изображения необходимы определенные требования к скачкообразной реакции и перерегулированию.[28]

СВЧ усилители

Лампа бегущей волны усилители (TWTA) используются для усиления высокой мощности на низких частотах СВЧ. Обычно они могут усиливаться в широком спектре частот; однако они обычно не так настраиваются, как клистроны.[29]

Клистроны это специализированные линейно-лучевые вакуумные устройства, предназначенные для обеспечения высокой мощности, широко настраиваемого усиления миллиметровых и субмиллиметровых волн. Клистроны предназначены для крупномасштабных операций и, несмотря на ширину полосы частот более узкой, чем TWTAs, они имеют преимущество когерентно усиления опорного сигнала, чтобы его выход может быть точно контролируется по амплитуде, частоте и фазе.

Твердотельные устройства такие как кремниевые полевые МОП-транзисторы с коротким каналом, такие как полевые транзисторы с двойной диффузией на основе металл-оксид-полупроводник, GaAs полевые транзисторы, SiGe и GaAs биполярные транзисторы с гетеропереходом / HBTs, HEMTs, IMPATT диоды, и другие, особенно используются при более низких частотах СВЧ и уровнях мощности порядка ватт, особенно в таких приложениях, как портативные радиочастотные терминалы /сотовые телефоны и точки доступа, решающими факторами которых являются размер и эффективность. Новые материалы, такие как нитрид галлия (GaN ) или GaN на кремнии или на Карбид кремния / SiC появляются в HEMT-транзисторах и приложениях, где требуются повышенная эффективность, широкая полоса пропускания, работа примерно от нескольких до нескольких десятков ГГц с выходной мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт.[30][31]

В зависимости от технических характеристик и требований к размеру усилителя СВЧ-усилители могут быть реализованы в виде монолитно интегрированных, интегрированных в виде модулей или на основе дискретных частей или любой их комбинации.

В мазер представляет собой неэлектронный СВЧ-усилитель.

Усилители для музыкальных инструментов

Инструментальные усилители представляют собой линейку усилителей мощности звука, используемых для увеличения уровня звука музыкальных инструментов, например гитар, во время выступлений.

Классификация усилительных каскадов и систем

Общий терминал

Один набор классификаций усилителей основан на том, какой вывод устройства является общим как для входной, так и для выходной цепи. В случае биполярные переходные транзисторы, эти три класса - это общий эмиттер, общая база и общий коллектор. За полевые транзисторы, соответствующие конфигурации - общий исток, общий затвор и общий сток; за вакуумные трубки, общий катод, общая сетка и общая пластина.

Общий эмиттер (или общий исток, общий катод и т. Д.) Чаще всего конфигурируется для усиления напряжения, приложенного между базой и эмиттером, а выходной сигнал, принимаемый между коллектором и эмиттером, инвертирован относительно входа. В схеме с общим коллектором входное напряжение подается между базой и коллектором и снимается выходное напряжение между эмиттером и коллектором. Это вызывает отрицательную обратную связь, и выходное напряжение стремится следовать за входным. Эта схема также используется, поскольку вход имеет высокий импеданс и не нагружает источник сигнала, хотя усиление напряжения меньше единицы. Поэтому схема с общим коллектором более известна как эмиттерный повторитель, истоковый повторитель или катодный повторитель.

Односторонний или двусторонний

Усилитель, выход которого не имеет обратной связи с его входной стороной, описывается как «односторонний». Входное сопротивление одностороннего усилителя не зависит от нагрузки, а выходное сопротивление не зависит от полного сопротивления источника сигнала.[32]

Усилитель, который использует обратную связь для подключения части выхода обратно ко входу, представляет собой двусторонний усилитель мощности. Входное сопротивление двустороннего усилителя зависит от нагрузки, а выходное сопротивление - от сопротивления источника сигнала. Все усилители в некоторой степени двусторонние; однако их часто можно смоделировать как односторонние в рабочих условиях, когда обратная связь достаточно мала, чтобы ею можно было пренебречь для большинства целей, что упрощает анализ (см. общая база статью для примера).

Инвертирующий или не инвертирующий

Еще один способ классификации усилителей - это соотношение фаз входного и выходного сигналов. «Инвертирующий» усилитель выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе на 180 градусов с входным сигналом (то есть инверсия полярности или зеркальное отображение входа, как видно на осциллограф ). «Неинвертирующий» усилитель поддерживает фазу формы волны входного сигнала. An эмиттер-повторитель - это тип неинвертирующего усилителя, указывающий на то, что сигнал на эмиттере транзистора соответствует (то есть соответствует с единичным усилением, но, возможно, смещением) входному сигналу. Повторитель напряжения также является усилителем неинвертирующего типа с единичным усилением.

Это описание может относиться к отдельному каскаду усилителя или ко всей системе усилителя.

Функция

Другие усилители можно классифицировать по их функциям или выходным характеристикам. Эти функциональные описания обычно применяются к полным усилителям или подсистемам и редко к отдельным каскадам.

Метод межкаскадной связи

Смотрите также: многокаскадные усилители

Иногда усилители классифицируют по методу связи сигнала на входе, выходе или между каскадами. К их различным типам относятся:

Усилитель с резистивно-емкостной связью (RC), использующий сеть резисторов и конденсаторов
По конструкции эти усилители не могут усиливать сигналы постоянного тока, поскольку конденсаторы блокируют составляющую постоянного тока входного сигнала. Усилители с RC-связью очень часто использовались в схемах с электронными лампами или дискретными транзисторами. Во времена интегральных схем еще несколько транзисторов на кристалле были намного дешевле и меньше конденсатора.
Усилитель с индуктивно-емкостной связью, использующий сеть катушек индуктивности и конденсаторов.
Этот вид усилителя чаще всего используется в селективных радиочастотных схемах.
Трансформатор связанный усилитель с использованием трансформатора для согласования импедансов или для развязки частей цепей
Довольно часто усилители с LC-связью и с трансформаторной связью невозможно отличить, поскольку трансформатор является своего рода индуктором.
Усилитель с прямой связью, без использования компонентов согласования импеданса и смещения
Этот класс усилителей был очень необычным в те времена, когда на электронных лампах анодное (выходное) напряжение превышало несколько сотен вольт, а сетевое (входное) напряжение составляло несколько вольт минус. Таким образом, они использовались только в том случае, если коэффициент усиления был указан вплоть до постоянного тока (например, в осциллографе). В контексте современной электроники разработчикам рекомендуется по возможности использовать усилители с прямой связью. В технологиях FET и CMOS прямая связь является доминирующей, поскольку затворы MOSFET теоретически не пропускают через себя ток. Следовательно, постоянная составляющая входных сигналов автоматически фильтруется.

Диапазон частот

В зависимости от частотного диапазона и других свойств усилители проектируются по разным принципам.

Частотные диапазоны вплоть до постоянного тока используются только тогда, когда это свойство необходимо. Усилители сигналов постоянного тока уязвимы для незначительных изменений свойств компонентов со временем. Специальные методы, такие как измельчитель стабилизированные усилители используются для предотвращения нежелательного дрейфа характеристик усилителя для постоянного тока. «DC-блокировка» конденсаторы могут быть добавлены для удаления постоянных и субзвуковых частот из звуковых усилителей.

В зависимости от указанного диапазона частот должны использоваться разные принципы проектирования. До диапазона МГц необходимо учитывать только «дискретные» свойства; например, терминал имеет входной импеданс.

Как только какое-либо соединение в цепи становится длиннее, чем, возможно, 1% длины волны наивысшей заданной частоты (например, при 100 МГц длина волны составляет 3 м, поэтому критическая длина соединения составляет приблизительно 3 см), конструктивные характеристики радикально меняются. Например, указанная длина и ширина Печатная плата Трасса может использоваться как селективный объект или объект согласования импеданса. На частотах выше нескольких сотен МГц становится трудно использовать дискретные элементы, особенно катушки индуктивности. В большинстве случаев вместо них используются следы очень точно определенной формы (полоса техники).

Диапазон частот, обрабатываемый усилителем, может быть указан в терминах пропускная способность (обычно подразумевается ответ, равный 3дБ вниз, когда частота достигает указанной полосы пропускания), или указав частотный отклик что находится в пределах определенного количества децибелы между нижней и верхней частотой (например, «от 20 Гц до 20 кГц плюс или минус 1 дБ»).

Классы усилителей мощности

Основная статья: Классы усилителей мощности

Цепи усилителя мощности (выходные каскады) классифицируются как A, B, AB и C для аналог конструкции - и классы D и E для схем переключения. В классы усилителя мощности основаны на пропорции каждого входного цикла (угла проводимости), в течение которого усилительное устройство пропускает ток.[34] Изображение угла проводимости получается в результате усиления синусоидального сигнала. Если устройство всегда включено, угол проводимости составляет 360 °. Если он включен только половину каждого цикла, угол составляет 180 °. Угол потока тесно связан с усилителем энергоэффективность.

Пример схемы усилителя

Электронная принципиальная схема, включая резисторы, конденсаторы, транзисторы и диоды.
Практическая схема усилителя

Практическая схема усилителя, показанная выше, может быть основой для звукового усилителя средней мощности. Он имеет типичную (хотя и существенно упрощенную) конструкцию современных усилителей класса AB. двухтактный выход stage и использует некоторые общие отрицательные отзывы. Показаны биполярные транзисторы, но эта конструкция также может быть реализована с полевыми транзисторами или клапанами.

Входной сигнал проходит через конденсатор C1 на базу транзистора Q1. Конденсатор позволяет AC сигнал пройти, но блокирует ОКРУГ КОЛУМБИЯ напряжение смещения, установленное резисторы R1 и R2, так что на любую предыдущую цепь это не влияет. Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель (усилитель, умножающий разницу между двумя входами на некоторую константу) в схеме, известной как длиннохвостая пара. Такое расположение используется для удобного использования отрицательной обратной связи, которая подается с выхода на Q2 через R7 и R8.

Отрицательная обратная связь в дифференциальном усилителе позволяет усилителю сравнивать входной сигнал с фактическим выходом. Усиленный сигнал с Q1 напрямую поступает на второй каскад Q3, который является общий эмиттер каскад, который обеспечивает дальнейшее усиление сигнала и смещение постоянного тока для выходных каскадов Q4 и Q5. R6 обеспечивает нагрузку для Q3 (лучшая конструкция, вероятно, будет использовать здесь некоторую форму активной нагрузки, например, приемник постоянного тока). Пока все усилители работают в классе A. Выходные пары расположены по двухтактной схеме класса AB, также называемой дополнительной парой. Они обеспечивают усиление большей части тока (при низком потреблении тока покоя) и напрямую управляют нагрузкой, подключенной через конденсатор блокировки постоянного тока C2. В диоды D1 и D2 обеспечивают небольшое смещение постоянного напряжения для выходной пары, просто переводя их в проводящее состояние, чтобы минимизировать перекрестное искажение. То есть диоды надежно переводят выходной каскад в режим класса AB (при условии, что падение база-эмиттер выходных транзисторов уменьшается за счет рассеивания тепла).

Эта конструкция проста, но является хорошей основой для практической разработки, поскольку она автоматически стабилизирует свою рабочую точку, поскольку внутренняя обратная связь действует от постоянного тока до звукового диапазона и далее. Другие элементы схемы, вероятно, будут найдены в реальной конструкции, которая скатывание то частотный отклик выше необходимого диапазона, чтобы предотвратить возможность нежелательного колебание. Кроме того, использование фиксированного диодного смещения, как показано здесь, может вызвать проблемы, если диоды не согласованы электрически и термически с выходными транзисторами - если выходные транзисторы включаются слишком сильно, они могут легко перегреться и разрушить себя, так как полный ток мощность источника питания на данном этапе не ограничена.

Распространенным решением для стабилизации выходных устройств является включение некоторых эмиттерных резисторов, обычно на один Ом или около того. Расчет номиналов резисторов и конденсаторов схемы выполняется на основе используемых компонентов и предполагаемого использования усилителя.

Примечания по реализации

Любой реальный усилитель - несовершенная реализация идеального усилителя. Важным ограничением реального усилителя является то, что генерируемый им выходной сигнал в конечном итоге ограничен мощностью, доступной от источника питания. Усилитель насыщает и ограничивает выходной сигнал, если входной сигнал становится слишком большим для воспроизведения усилителем или превышает рабочие ограничения для устройства. Источник питания может влиять на мощность, поэтому это необходимо учитывать при проектировании. Выходная мощность усилителя не может превышать его входную мощность.

Схема усилителя имеет характеристики «разомкнутого контура». Это описывается различными параметрами (усиление, скорость нарастания, выход сопротивление, искажение, пропускная способность, соотношение сигнал шум, так далее.). Многие современные усилители используют негативный отзыв методы, позволяющие удерживать желаемое значение усиления и уменьшать искажения. Отрицательная обратная связь контура имеет предполагаемый эффект снижения выходного импеданса и тем самым увеличения электрического демпфирования движения громкоговорителя на резонансной частоте громкоговорителя и вблизи нее.

При оценке номинальной выходной мощности усилителя полезно учитывать приложенную нагрузку, тип сигнала (например, речь или музыка), требуемую продолжительность выходной мощности (например, кратковременную или непрерывную) и требуемый динамический диапазон (например, записанный или живой звук). В мощных аудиоприложениях, которым требуются длинные кабели для подключения к нагрузке (например, кинотеатры и торговые центры), может быть более эффективным подключение к нагрузке при линейном выходном напряжении, с согласующие трансформаторы у источника и нагрузок. Это позволяет избежать длинных длинных кабелей громкоговорителей.

Чтобы предотвратить нестабильность или перегрев, необходимо позаботиться о том, чтобы твердотельные усилители были правильно загружены. Большинство из них имеют номинальное минимальное сопротивление нагрузки.

Все усилители выделяют тепло за счет электрических потерь. Усилитель должен отводить это тепло через конвекция или принудительное воздушное охлаждение. Тепло может повредить или сократить срок службы электронных компонентов. Проектировщики и установщики также должны учитывать тепловое воздействие на соседнее оборудование.

Различные типы источников питания приводят к множеству различных методов предвзятость. Смещение - это метод, с помощью которого активные устройства настраиваются на работу в определенной области или при котором составляющая постоянного тока выходного сигнала устанавливается на среднее значение между максимальными напряжениями, доступными от источника питания. Большинство усилителей используют несколько устройств на каждой ступени; они обычно соответствуют спецификациям, за исключением полярности. Устройства с согласованной обратной полярностью называются дополнительными парами. В усилителях класса A обычно используется только одно устройство, если только источник питания не настроен на обеспечение как положительного, так и отрицательного напряжения, в этом случае может использоваться симметричная конструкция с двумя устройствами. Усилители класса C по определению используют питание одной полярности.

Усилители часто имеют несколько каскадов для увеличения усиления. Каждая ступень этих конструкций может быть отдельным типом усилителя, чтобы соответствовать потребностям этой ступени. Например, первая ступень может быть ступенью класса A, питающей двухтактную ступень класса AB, которая затем управляет конечным выходным каскадом класса G, используя преимущества каждого типа и сводя к минимуму их слабые стороны.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Крекрафт, Дэвид; Горхэм, Дэвид (2003). Электроника, 2-е изд.. CRC Press. п. 168. ISBN  978-0748770366.
  2. ^ Агарвал, Анант; Лэнг, Джеффри (2005). Основы аналоговых и цифровых электронных схем. Морган Кауфманн. п. 331. ISBN  978-0080506814.
  3. ^ Глиссон, Тилдон Х. (2011). Введение в анализ и проектирование схем. Springer Science and Business Media. ISBN  978-9048194438.
  4. ^ а б c Патронис, Джин (1987). «Усилители». В Глен Баллоу (ред.). Руководство для звукорежиссеров: новая аудиоциклопедия. Howard W. Sams & Co. стр. 493. ISBN  978-0-672-21983-2.
  5. ^ Герарди Б., Джуэтт Ф. Б., Телефонные повторители, Транзакции AIEE 38 (11), 1 октября 1919 г., стр. 1298.
  6. ^ Сунгук, Хонг (2001). Беспроводная связь: от черного ящика Маркони до Audion. MIT Press. п. 165. ISBN  978-0262082983.
  7. ^ Де Форест, Ли (январь 1906 г.). "Audion; новый приемник беспроводной телеграфии". Пер. AIEE. 25: 735–763. Дои:10.1109 / t-aiee.1906.4764762. Получено 7 января, 2013. Ссылка на перепечатку статьи в Scientific American Supplement, № 1665, 30 ноября 1907 г., стр. 348-350, скопировано с книги Томаса Х. Уайта. Ранняя история радио США интернет сайт
  8. ^ Годфри, Дональд Г. (1998). "Аудион". Исторический словарь американского радио. Издательская группа "Гринвуд". п. 28. ISBN  9780313296369. Получено 7 января, 2013.
  9. ^ Амос, С. В. (2002). "Триод". Newnes Dictionary of Electronics, 4-е изд.. Newnes. п. 331. ISBN  9780080524054. Получено 7 января, 2013.
  10. ^ а б Небекер, Фредерик (2009). Рассвет электронной эры: электрические технологии в формировании современного мира, 1914-1945 гг.. Джон Уайли и сыновья. С. 9–10, 15. ISBN  978-0470409749.
  11. ^ Макникол, Дональд (1946). Радио покорение космоса. Книги Мюррея Хилла. С. 165, 180.
  12. ^ Макникол, Дональд (1 ноября 1917 г.). "Племя Audion". Телеграфный и телефонный век. 21: 493. Получено 12 мая, 2017.
  13. ^ Энциклопедия Американа, Vol. 26. Энциклопедия Американа Ко. 1920. стр. 349.
  14. ^ Гонконг 2001, Беспроводная связь: от черного ящика Маркони до Audion, п. 177
  15. ^ а б Харпер, Дуглас (2001). "Усилить". Интернет-словарь этимологии. Etymonline.com. Получено 10 июля, 2015.
  16. ^ Боде, Х. У. (июль 1940 г.). «Отношения между затуханием и фазой в конструкции усилителя обратной связи». Технический журнал Bell Labs. 19 (3): 421–454. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1940.tb00839.x.
  17. ^ AT&T, раздел Bell System Practices. C65.114, Телефонные аппараты для абонентов с нарушением слуха - тип 334
  18. ^ https://www.computerhistory.org/siliconengine/timeline/
  19. ^ Эта таблица "Zwicky box"; в частности, он включает в себя все возможности. Видеть Фриц Цвикки.
  20. ^ «Анализ малых сигналов сложных усилительных схем». www.eeherald.com. Архивировано из оригинал на 2016-10-09. Получено 2016-06-20.
  21. ^ Джон Эверетт (1992). Vsats: терминалы с очень малой апертурой. ИЭПП. ISBN  978-0-86341-200-4.
  22. ^ Роберт Бойлестад и Луи Нашельски (1996). Электронные устройства и теория схем, 7-е издание. Отделение колледжа Прентис Холл. ISBN  978-0-13-375734-7.
  23. ^ Роберт С. Саймонс (1998). «Трубки: по-прежнему жизненно необходимы после всех этих лет». IEEE Spectrum. 35 (4): 52–63. Дои:10.1109/6.666962.
  24. ^ Маммано, Боб (2001). «Управление магнитным усилителем для простого, недорогого вторичного регулирования» (PDF). Инструменты Техаса.
  25. ^ "Возрождение отрицательного сопротивления". users.tpg.com.au. Получено 2016-06-20.
  26. ^ Мюнстерман, Г. (Июнь 1965 г.). «Туннельно-диодные усилители СВЧ» (PDF). Технический дайджест APL. 4: 2–10.
  27. ^ Цянь, Чуньци; Дуань, Ци; Додд, Стив; Корецкий Алан; Мерфи-Бош, Джо (2016). «Повышение чувствительности индуктивно-связанного локального детектора с помощью усилителя тока на основе HEMT». Магнитный резонанс в медицине. 75 (6): 2573–2578. Дои:10.1002 / mrm.25850. ЧВК  4720591. PMID  26192998.
  28. ^ «Что такое видеоусилитель, усилители видеоусилителя - Future Electronics». www.futureelectronics.com. Получено 2016-06-20.
  29. ^ "Усилители на лампах бегущей волны". www.r-type.org. Получено 2016-06-20.
  30. ^ Peatman, W.C.B .; Даниэль, Э. С. (2009). «Введение в специальный раздел симпозиума IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS 2008)». Журнал IEEE по твердотельным схемам. 44 (10): 2627–2628.
  31. ^ Ли, D.Y.C .; Mayeda, J.C .; Лопес, Дж. (2017). «Проблемы проектирования высокоэффективных линейных усилителей мощности (PA) 5G». Международный симпозиум по проектированию, автоматизации и тестированию СБИС (VLSI-DAT): 1–3. Дои:10.1109 / VLSI-DAT.2017.7939653.
  32. ^ Администратор. "Микроволны101 | Активная направленность усилителей". www.microwaves101.com. Получено 2016-06-20.
  33. ^ Рой, Апратим; Рашид, С.М.С. (5 июня 2012 г.). «Энергосберегающий метод регулирования полосы пропускания для малошумящего широкополосного ВЧ усилителя с высоким коэффициентом усиления». Центральноевропейский инженерный журнал. 2 (3): 383–391. Bibcode:2012CEJE .... 2..383R. Дои:10.2478 / s13531-012-0009-1. S2CID  109947130.
  34. ^ «Понимание рабочих классов усилителя»"". electronicdesign.com. 2012-03-21. Получено 2016-06-20.

внешняя ссылка