Усилитель

Эта статья об электронных усилителях. Чтобы узнать о других значениях, см. Усилитель (значения) .

Стереоусилитель McIntosh с выходной мощностью 50 Вт на канал, использовавшийся в домашних аудиосистемах в 1970-х годах.

Усиление означает увеличение амплитуды (напряжения или тока) изменяющегося во времени сигнала на заданный коэффициент, как показано здесь. На графике показаны входные данные $v_{i}(t)$ (синий) и выходное напряжение $v_{o}(t)$ (красный) идеального линейного усилителя с произвольным сигналом, подаваемым на вход. В этом примере усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению 3; это в любой момент $v_{o}(t)=3v_{i}(t)\,$

Усилитель усилитель , электронный усилитель или (неофициально) — это электронное устройство , которое может увеличивать величину сигнала ( изменяющегося во времени напряжения или тока ). Это двухпортовая электронная схема, которая использует электрическую энергию от источника питания для увеличения амплитуды (величины напряжения или тока) сигнала, подаваемого на ее входные клеммы, создавая пропорционально на выходе сигнал большей амплитуды. Величина усиления, обеспечиваемая усилителем, измеряется его коэффициентом усиления : отношением выходного напряжения, тока или мощности к входной. Усилитель определяется как схема, коэффициент усиления которой превышает единицу.

Усилитель может представлять собой либо отдельное оборудование, либо электрическую цепь, содержащуюся в другом устройстве. Усиление имеет основополагающее значение для современной электроники, и усилители широко используются практически во всем электронном оборудовании. Усилители можно классифицировать по-разному. Один из них — частота усиливаемого электронного сигнала. Например, усилители звука усиливают сигналы в звуковом (звуковом) диапазоне менее 20 кГц, радиочастотные усилители усиливают частоты в диапазоне радиочастот от 20 кГц до 300 ГГц, а сервоусилители и инструментальные усилители могут работать с очень низкими частотами вплоть до постоянный ток. Усилители также можно разделить на категории по их физическому расположению в сигнальной цепи ; предусилитель может предшествовать другим этапам обработки сигнала, например, в то время как усилитель мощности обычно используется после других каскадов усилителя, чтобы обеспечить достаточную выходную мощность для окончательного использования сигнала. Первым практическим электрическим устройством, которое могло усиливать, была триод вакуумная лампа- , изобретенная в 1906 году Ли Де Форестом , которая привела к созданию первых усилителей примерно в 1912 году. Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы .

История

Вакуумные трубки

Первым известным практическим устройством, которое могло усиливать, была триод вакуумная лампа- , изобретенная в 1906 году Ли Де Форестом , которая привела к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Электронные лампы использовались почти во всех усилителях до 1960–1970-х годов, когда их заменили транзисторы . Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы, но в некоторых приложениях продолжают использоваться электронные лампы.

Прототип аудиоусилителя Де Фореста 1914 года. Электронная лампа Audion (триод) имела коэффициент усиления по напряжению около 5, что обеспечивало общий коэффициент усиления примерно 125 для этого трехкаскадного усилителя.

Развитие технологии аудиосвязи в виде телефона , впервые запатентованного в 1876 году, создало необходимость увеличения амплитуды электрических сигналов для расширения передачи сигналов на все более большие расстояния. В телеграфии эта проблема была решена с помощью промежуточных устройств на станциях, которые восполняли рассеиваемую энергию путем последовательной работы регистратора сигнала и передатчика, образуя реле , так что локальный источник энергии на каждой промежуточной станции питал следующий участок пути. передача инфекции. Для дуплексной передачи, т. е. отправки и получения в обоих направлениях, были разработаны двунаправленные ретрансляторы, начиная с работы К. Ф. Варли для телеграфной передачи. Дуплексная передача была важна для телефонии, и проблема не была решена удовлетворительно до 1904 года, когда Х. П. Шрив из Американской телефонной и телеграфной компании усовершенствовал существующие попытки создания телефонного ретранслятора, состоящего из последовательно соединенных передатчиков на углеродных гранулах. и пары электродинамических приемников. Ретранслятор Шрива был впервые 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 ртутные лампы с отрицательным сопротивлением могут усиливать мощность, и их также опробовали в репитерах, но без особого успеха.

Разработка термоэмиссионных клапанов , начавшаяся примерно в 1902 году, обеспечила полностью электронный метод усиления сигналов. Первой практической версией таких устройств стал Audion триод , изобретенный в 1906 году Ли Де Форестом . что привело к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Поскольку единственным ранее широко применявшимся устройством для усиления сигнала было реле, применяемое в телеграфных системах, усилительную лампу сначала назвали электронным реле . Термины усилитель и усиление происходят от латинского amplificare ( увеличивать или расширять ), впервые были использованы для этой новой возможности примерно в 1915 году, когда триоды получили широкое распространение.

Усилительная вакуумная лампа произвела революцию в электротехнике. Это сделало возможными междугородние телефонные линии, системы громкой связи , радиовещание , говорящее кино , практическую аудиозапись , радар , телевидение и первые компьютеры . В течение 50 лет практически во всех бытовых электронных устройствах использовались электронные лампы. Ранние ламповые усилители часто имели положительную обратную связь ( регенерацию ), которая могла увеличить усиление, но также сделать усилитель нестабильным и склонным к колебаниям. Большая часть математической теории усилителей была разработана в Bell Telephone Laboratories в период с 1920 по 1940 годы. Уровни искажений в ранних усилителях были высокими, обычно около 5%, до 1934 года, когда у Гарольда Блэка появилась отрицательная обратная связь ; это позволило значительно снизить уровни искажений за счет более низкого усиления. Другие достижения в теории усиления были сделаны Гарри Найквистом и Хендриком Уэйдом Боде .

В течение 40 лет вакуумная лампа была практически единственным усилительным устройством, не считая специализированных силовых устройств, таких как магнитный усилитель и амплидин . В схемах управления мощностью использовались магнитные усилители до второй половины двадцатого века, когда силовые полупроводниковые устройства стали более экономичными и имели более высокую рабочую скорость. Старые электроакустические углеродные повторители Шрива использовались в регулируемых усилителях телефонных абонентских аппаратов для людей с нарушениями слуха, пока в 1950-х годах транзисторы не предоставили усилители меньшего размера и более высокого качества.

Транзисторы

Дополнительная информация: История транзистора , МОП-транзистора , усилителя мощности звука и усилителя мощности ВЧ.

Первым работающим транзистором был транзистор с точечным контактом, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Брэттеном в 1947 году в Bell Labs , где Уильям Шокли позже изобрел биполярный переходной транзистор (BJT) в 1948 году. За ними последовало изобретение металлооксидного транзистора . полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET), разработанный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Благодаря масштабированию MOSFET , способности уменьшаться до все более малых размеров, MOSFET с тех пор стал наиболее широко используемым усилителем.

Замена громоздких электронных ламп на транзисторы в 1960-х и 1970-х годах произвела революцию в электронике, сделав возможным создание большого класса портативных электронных устройств, таких как транзисторные радиоприемники, разработанные в 1954 году. Сегодня использование электронных ламп ограничено некоторыми устройствами большой мощности. приложения, такие как радиопередатчики , а также некоторые музыкальные инструменты высокого класса и усилители для аудиофилов .

Начиная с 1970-х годов все больше и больше транзисторов соединялись в одном кристалле, тем самым создавая более высокие масштабы интеграции (такие как малая, средняя и крупномасштабная интеграция ) в интегральных схемах . Многие коммерчески доступные сегодня усилители основаны на интегральных схемах.

Для специальных целей использовались и другие активные элементы. Например, на заре спутниковой использовались связи усилители параметрические . Основная схема представляла собой диод, емкость которого менялась радиочастотным сигналом, создаваемым локально. При определенных условиях этот радиочастотный сигнал обеспечивал энергию, которая модулировалась чрезвычайно слабым спутниковым сигналом, принимаемым наземной станцией.

Достижения в области цифровой электроники с конца 20-го века предоставили новые альтернативы обычным усилителям с линейным коэффициентом усиления за счет использования цифрового переключения для изменения формы импульса сигналов с фиксированной амплитудой, в результате чего появились такие устройства, как усилитель класса D.

Идеально

Четыре типа зависимого источника: управляющая переменная слева, выходная переменная справа.

По сути, усилитель представляет собой электрическую двухпортовую сеть , которая генерирует на выходном порте сигнал, который является точной копией сигнала, подаваемого на входной порт, но увеличенной по величине.

Входной порт можно идеализировать как вход напряжения, не потребляющий ток, с выходным сигналом, пропорциональным напряжению на порту; или токовый вход без напряжения на нем, выходной сигнал которого пропорционален току через порт. Выходной порт можно идеализировать как зависимый источник напряжения с нулевым сопротивлением источника и выходным напряжением, зависящим от входного; или зависимый источник тока с бесконечным сопротивлением источника и выходным током, зависящим от входа. Комбинация этих вариантов приводит к четырем типам идеальных усилителей. В идеализированном виде они представлены каждым из четырех типов зависимых источников, используемых в линейном анализе, как показано на рисунке, а именно:

Вход	Выход	Зависимый источник	Тип усилителя	Единицы усиления
я	я	Источник тока с управляемым током, CCCS	Усилитель тока	Безразмерный
я	V	Источник напряжения с регулируемым током, CCVS	Трансрезистивный усилитель	Ом
V	я	Источник тока, управляемый напряжением, VCCS	крутизны Усилитель	Сименс
V	V	Источник напряжения, управляемый напряжением, VCVS	Усилитель напряжения	Безразмерный

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

Тип усилителя	Зависимый источник	Входное сопротивление	Выходное сопротивление
Текущий	CCCS	0	∞
Трансрезистентность	CCVS	0	0
крутизна	ВКСС	∞	∞
Напряжение	ВКВС	∞	0

В реальных усилителях идеальных импедансов достичь невозможно, но эти идеальные элементы можно использовать для построения эквивалентных схем реальных усилителей путем добавления импедансов (сопротивления, емкости и индуктивности) к входу и выходу. Для любой конкретной схемы часто используется анализ слабого сигнала, чтобы найти фактическое сопротивление. Испытательный переменный ток слабого сигнала I _x подается на входной или выходной узел, все внешние источники устанавливаются на ноль переменного тока, а соответствующее переменное напряжение V _x на источнике испытательного тока определяет импеданс, наблюдаемый в этом узле, как R = V. _х /я _х .

Усилители, предназначенные для подключения к линии передачи на входе и выходе, особенно радиочастотные усилители , не подпадают под этот подход к классификации. Вместо того, чтобы иметь дело с напряжением или током по отдельности, они в идеале сочетаются с входным или выходным сопротивлением, согласованным с импедансом линии передачи, то есть согласовывают соотношение напряжения и тока. Многие настоящие радиочастотные усилители близки к этому идеалу. Хотя для заданного импеданса источника и нагрузки ВЧ-усилители можно охарактеризовать как усиливающие напряжение или ток, по сути они усиливают мощность.

Характеристики

Основная статья: Показатели качества усилителей

Свойства усилителя задаются параметрами, которые включают в себя:

• Усиление , соотношение между величиной выходного и входного сигналов.
• Bandwidth , ширина полезного диапазона частот
• КПД , соотношение между выходной мощностью и общей потребляемой мощностью.
• Линейность , степень, в которой пропорция между входной и выходной амплитудой одинакова для входа с высокой и низкой амплитудой.
• Noise — мера нежелательного шума, смешанного с выходным сигналом.
• Выходной динамический диапазон , соотношение наибольшего и наименьшего полезного выходного уровня.
• Скорость нарастания , максимальная скорость изменения выходного сигнала.
• Время нарастания , время установления , звон и перерегулирование, которые характеризуют переходную реакцию.
• Стабильность , возможность избежать автоколебаний

Усилители описываются в соответствии со свойствами их входов, выходов и их взаимосвязью. Все усилители имеют коэффициент усиления — коэффициент умножения, который связывает величину некоторого свойства выходного сигнала со свойством входного сигнала. Коэффициент усиления может быть определен как отношение выходного напряжения к входному напряжению ( коэффициент усиления напряжения ), выходной мощности к входной мощности ( коэффициент усиления мощности ) или некоторой комбинации тока, напряжения и мощности. Во многих случаях изменяющееся свойство выходного сигнала зависит от того же свойства входного сигнала, что делает усиление безразмерным (хотя часто выражается в децибелах (дБ)).

Большинство усилителей спроектированы как линейные. То есть они обеспечивают постоянное усиление при любом нормальном уровне входного и выходного сигнала. Если коэффициент усиления усилителя не является линейным, выходной сигнал может искажаться . Однако есть случаи, когда переменное усиление полезно. В некоторых приложениях обработки сигналов используются усилители с экспоненциальным усилением.

Усилители обычно проектируются так, чтобы хорошо работать в конкретном приложении, например: радио- и телевизионные передатчики и приемники , высококачественное стереооборудование («hi-fi»), микрокомпьютеры и другое цифровое оборудование, а также усилители для гитар и других инструментов . Каждый усилитель включает в себя по крайней мере одно активное устройство , такое как электронная лампа или транзистор .

Отрицательный отзыв

Отрицательная обратная связь — это метод, используемый в большинстве современных усилителей для увеличения полосы пропускания, уменьшения искажений и управления усилением. В усилителе с отрицательной обратной связью часть выходного сигнала возвращается обратно и добавляется ко входу в противоположной фазе, вычитаясь из входного сигнала. Основной эффект заключается в уменьшении общего усиления системы. Однако любые нежелательные сигналы, вносимые усилителем, например искажения, также возвращаются. Поскольку они не являются частью исходного входного сигнала, они добавляются к входному сигналу в противоположной фазе, вычитая его из входного сигнала. Таким образом, отрицательная обратная связь также снижает нелинейность, искажения и другие ошибки, вносимые усилителем. Большое количество отрицательной обратной связи может уменьшить ошибки до такой степени, что отклик самого усилителя становится почти незначимым, пока он имеет большой коэффициент усиления, а выходные характеристики системы (« характеристики замкнутого контура ») полностью определяются компоненты в контуре обратной связи. Этот метод используется, в частности, с операционные усилители (ОУ).

Усилители без обратной связи могут обеспечить искажение звуковых сигналов лишь примерно на 1%. При отрицательной обратной связи искажения обычно можно уменьшить до 0,001%. Шум, даже искажения кроссовера, можно практически устранить. Отрицательная обратная связь также компенсирует изменение температуры, а также ухудшение или нелинейность компонентов в каскаде усиления, но любое изменение или нелинейность в компонентах контура обратной связи повлияет на выходной сигнал. Действительно, способность контура обратной связи определять выходной сигнал используется для создания активных схем фильтров .

Еще одним преимуществом отрицательной обратной связи является то, что она расширяет полосу пропускания усилителя. Концепция обратной связи используется в операционных усилителях для точного определения коэффициента усиления, полосы пропускания и других параметров, полностью основанных на компонентах контура обратной связи.

Отрицательная обратная связь может применяться на каждом каскаде усилителя для стабилизации рабочей точки активных устройств при незначительных изменениях напряжения питания или характеристик устройства.

Некоторая обратная связь, положительная или отрицательная, неизбежна и часто нежелательна — она создается, например, паразитными элементами , такими как собственная емкость между входом и выходом таких устройств, как транзисторы, и емкостная связь внешней проводки. Чрезмерная частотно-зависимая положительная обратная связь может вызвать паразитные колебания и превратить усилитель в генератор .

Категории

Активные устройства

Все усилители включают в себя какое-либо активное устройство: это устройство, которое осуществляет фактическое усиление. Активным устройством может быть электронная лампа , дискретный полупроводниковый компонент, например одиночный транзистор , или часть интегральной схемы , как в операционном усилителе ).

Транзисторные усилители (или полупроводниковые усилители) являются наиболее распространенным типом усилителей, используемых сегодня. В качестве активного элемента используется транзистор. Коэффициент усиления усилителя определяется свойствами самого транзистора, а также схемы, внутри которой он находится.

Обычные активные устройства в транзисторных усилителях включают транзисторы с биполярным переходом (BJT) и металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).

Применения многочисленны, некоторые распространенные примеры - усилители звука в домашней стереосистеме или системе громкой связи , генерация высокой мощности RF для полупроводникового оборудования, а также радиочастотные и микроволновые приложения, такие как радиопередатчики.

Усиление на основе транзистора может быть реализовано с использованием различных конфигураций: например, биполярный транзистор может реализовывать с общей базой , общим коллектором или общим эмиттером усиление ; МОП-транзистор может реализовать усиление с общим затвором , общим истоком или общим стоком . Каждая конфигурация имеет разные характеристики.

В ламповых усилителях (также известных как ламповые усилители или ламповые усилители) используется электронная лампа в качестве активного устройства . 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 высокой мощностью, таких как радары, оборудование противодействия и оборудование связи. Многие микроволновые усилители представляют собой специально разработанные ламповые усилители, такие как клистрон , гиротрон , лампа бегущей волны и усилитель со скрещенными полями , и эти микроволновые клапаны обеспечивают гораздо большую выходную мощность одного устройства на микроволновых частотах, чем полупроводниковые устройства. Вакуумные лампы по-прежнему используются в некотором высококачественном аудиооборудовании, а также в усилителях музыкальных инструментов из-за предпочтения « лампового звука ».

Магнитные усилители — это устройства, чем-то похожие на трансформатор , в котором одна обмотка используется для управления насыщением магнитного сердечника и, следовательно, изменения импеданса другой обмотки.

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

Отрицательные сопротивления можно использовать в качестве усилителей, например, усилителя на туннельном диоде .

Усилители мощности

См. Также: Переключатель § Выключатель питания.

Усилитель мощности от Skyworks Solutions в смартфоне .

Усилитель мощности — это усилитель, предназначенный в первую очередь для увеличения мощности, доступной для нагрузки . источника и нагрузки На практике коэффициент усиления усилителя зависит от импеданса , а также от собственного коэффициента усиления по напряжению и току. Конструкция радиочастотного (РЧ) усилителя обычно оптимизирует импедансы для передачи мощности, тогда как конструкции усилителей звука и инструментальных усилителей обычно оптимизируют входное и выходное сопротивление для наименьшей нагрузки и максимальной целостности сигнала. Усилитель, который, как говорят, имеет коэффициент усиления 20 дБ, может иметь коэффициент усиления по напряжению 20 дБ и доступный коэффициент усиления по мощности намного более 20 дБ (коэффициент усиления 100), но на самом деле он обеспечивает гораздо меньший коэффициент усиления по мощности, если, например, , вход поступает от микрофона сопротивлением 600 Ом, а выход подключается к входному разъему 47 кОм для усилителя мощности. В общем, усилитель мощности — это последний «усилитель» или реальная схема в сигнальной цепи (выходной каскад), а также каскад усилителя, требующий внимания к энергоэффективности. Соображения эффективности приводят к созданию различных классов усилителей мощности на основе смещение выходных транзисторов или ламп: см. классы усилителей мощности ниже.

Усилители мощности звука обычно используются для управления громкоговорителями . Они часто имеют два выходных канала и подают на каждый одинаковую мощность. Усилитель мощности RF находится в радиопередатчика конечных каскадах . Контроллер серводвигателя : усиливает управляющее напряжение для регулировки скорости двигателя или положения моторизованной системы.

Операционные усилители (ОУ)

общего назначения LM741. 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 усилением, полосой пропускания и другими характеристиками можно управлять по обратной связи через внешнюю цепь. Хотя сегодня этот термин обычно применяется к интегральным схемам, в оригинальной конструкции операционного усилителя использовались лампы, а в более поздних конструкциях использовались схемы на дискретных транзисторах.

похож Полностью дифференциальный усилитель на операционный усилитель, но также имеет дифференциальные выходы. Обычно они создаются с использованием BJT или FET .

Распределенные усилители

Основная статья: Распределенный усилитель

В них используются симметричные линии передачи для разделения отдельных однокаскадных усилителей, выходные сигналы которых суммируются по одной и той же линии передачи. Линия передачи представляет собой симметричный тип: вход находится на одном конце и только на одной стороне симметричной линии передачи, а выход на противоположном конце также является противоположной стороной симметричной линии передачи. Усиление каждого каскада линейно складывается с выходным сигналом, а не умножается одно на другое, как в каскадной конфигурации. Это позволяет достичь более широкой полосы пропускания, чем можно было бы реализовать в противном случае даже с теми же элементами каскада усиления.

Импульсные усилители

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 усиления этого типа.

Усилитель отрицательного сопротивления

Усилитель с отрицательным сопротивлением — это тип регенеративного усилителя, который может использовать обратную связь между истоком и затвором транзистора для преобразования емкостного сопротивления истока транзистора в отрицательное сопротивление его затвора. По сравнению с другими типами усилителей, этому «усилителю с отрицательным сопротивлением» потребуется лишь небольшая мощность 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. Характеристики самой полосы пропускания зависят от того, какой тип фильтра используется — и при в какой точке ( например, –1 дБ или –3 дБ ) измеряется полоса пропускания. Для получения приемлемого телевизионного изображения необходимы определенные требования к переходной характеристике и перерегулированию.

СВЧ усилители

Усилители на лампах бегущей волны (TWTA) используются для усиления высокой мощности на низких микроволновых частотах. Обычно они могут усиливать широкий спектр частот; однако они обычно не так настраиваемы, как клистроны.

Клистроны — это специализированные вакуумные устройства с линейным лучом, предназначенные для обеспечения мощного, широко настраиваемого усиления миллиметровых и субмиллиметровых волн. Клистроны предназначены для крупномасштабных операций, и, несмотря на более узкую полосу пропускания, чем TWTA, они имеют то преимущество, что когерентно усиливают опорный сигнал, поэтому его выходной сигнал можно точно контролировать по амплитуде, частоте и фазе.

Твердотельные устройства , такие как кремниевые полевые МОП-транзисторы с коротким каналом, такие как полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (DMOS) с двойной диффузией, полевые транзисторы GaAs SiGe и GaAs , биполярные транзисторы с гетеропереходом / HBT, HEMT , диоды IMPATT и другие, используются особенно в более низких микроволновых диапазонах. частоты и уровни мощности порядка ватт, особенно в таких приложениях, как портативные радиочастотные терминалы/ сотовые телефоны и точки доступа, где определяющими факторами являются размер и эффективность. Новые материалы, такие как нитрид галлия ( GaN ) или GaN на кремнии или на карбиде кремния /SiC, появляются в HEMT-транзисторах и приложениях, где повышается эффективность, широкая полоса пропускания, работа примерно от нескольких до нескольких десятков ГГц с выходной мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен. необходимо ватт.

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

Мазер представляет собой неэлектронный микроволновый усилитель.

Усилители музыкальных инструментов

Инструментальные усилители — это серия усилителей мощности звука, используемых для повышения уровня звука музыкальных инструментов, например гитар, во время выступлений. Тон усилителей в основном зависит от порядка и количества применения эквалайзера и искажений.

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 транзисторов с биполярным переходом три класса — это общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Для полевых транзисторов соответствующие конфигурации: общий исток, общий затвор и общий сток; для электронных ламп , общий катод, общая сетка и общая пластина.

Общий эмиттер (или общий источник, общий катод и т. д.) чаще всего конфигурируется для обеспечения усиления напряжения, приложенного между базой и эмиттером, а выходной сигнал, принимаемый между коллектором и эмиттером, инвертируется относительно входного. Схема с общим коллектором подает входное напряжение между базой и коллектором и снимает выходное напряжение между эмиттером и коллектором. Это вызывает отрицательную обратную связь, и выходное напряжение имеет тенденцию следовать за входным напряжением. Такая 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, выходной сигнал которого не имеет обратной связи с входной стороной, называется «односторонним». Входное сопротивление одностороннего усилителя не зависит от нагрузки, а выходное сопротивление не зависит от сопротивления источника сигнала.

Усилитель, который использует обратную связь для подключения части выхода обратно к входу, является двусторонним усилителем. Входное сопротивление двустороннего усилителя зависит от нагрузки, а выходное сопротивление от сопротивления источника сигнала. Все усилители в той или иной степени являются двусторонними; однако их часто можно моделировать как односторонние в условиях эксплуатации, когда обратная связь достаточно мала, чтобы ею можно было пренебречь в большинстве целей, что упрощает анализ (пример см. в статье о общей базе ).

Инвертирующий или неинвертирующий

Другой способ классификации усилителей — это соотношение фаз входного сигнала и выходного сигнала. «Инвертирующий» усилитель выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе на 180 градусов с входным сигналом (то есть инверсия полярности или зеркальное отображение входного сигнала, как это видно на осциллографе ). «Неинвертирующий» усилитель поддерживает фазу входного сигнала. Эмиттерный повторитель — это тип неинвертирующего усилителя, указывающий на то, что сигнал на эмиттере транзистора следует (то есть согласуется с единичным коэффициентом усиления, но, возможно, со смещением) за входным сигналом. Повторитель напряжения также представляет собой усилитель неинвертирующего типа с единичным коэффициентом усиления.

Это описание может применяться к одному каскаду усилителя или ко всей усилительной системе.

Функция

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

• Сервоусилитель представляет собой встроенную петлю обратной связи для активного управления выходным сигналом на некотором желаемом уровне. постоянного тока Сервопривод указывает на использование на частотах ниже уровня постоянного тока, где не возникают быстрые колебания аудио- или радиочастотного сигнала. Они часто используются в механических приводах или устройствах, таких как двигатели постоянного тока , которые должны поддерживать постоянную скорость или крутящий момент . Сервоусилитель переменного тока . можно сделать это для некоторых двигателей переменного тока.
• Линейный усилитель независимо реагирует на различные частотные составляющие и не создает гармонических или интермодуляционных искажений. Ни один усилитель не может обеспечить идеальную линейность (даже самый линейный усилитель имеет некоторую нелинейность, поскольку усилительные устройства — транзисторы или электронные лампы — подчиняются нелинейным степенным законам, таким как квадратичные законы, и полагаются на схемотехнические методы для уменьшения этих эффектов).
• Нелинейный усилитель генерирует значительные искажения и, таким образом , изменяет содержание гармоник; есть ситуации, когда это полезно. усилителей Схемы , намеренно обеспечивающие нелинейную передаточную функцию, включают:
  • устройство, такое как кремниевый управляемый выпрямитель или транзистор, используемый в качестве переключателя, может использоваться для полного включения или выключения нагрузки , такой как лампа, на основе порогового значения на бесступенчатом входе.
  • Например, нелинейный усилитель в аналоговом компьютере или настоящий среднеквадратичный преобразователь может обеспечивать специальную передаточную функцию, например логарифмическую или квадратичную.
  • Можно выбрать РЧ усилитель класса C - , поскольку он может быть очень эффективным, но нелинейным. Использование такого усилителя с так называемой резервуара настроенной схемой может уменьшить нежелательные гармоники (искажения) в достаточной степени, чтобы сделать его полезным в передатчиках , или некоторые желаемые гармоники могут быть выбраны путем установки резонансной частоты настроенного контура на более высокую частоту , а не на основную. частота в схемах умножителя частоты .
  • Схемы автоматической регулировки усиления требуют, чтобы усиление усилителя контролировалось усредненной по времени амплитудой, чтобы выходная амплитуда мало менялась при приеме слабых станций. Предполагается, что нелинейности расположены таким образом, что относительно небольшая амплитуда сигнала испытывает небольшие искажения (межканальные помехи или интермодуляция ), но при этом все еще модулируется относительно большим постоянным напряжением регулировки усиления.
  • Схемы АМ- детекторов, использующие усиление, такие как детекторы с изгибом анода , прецизионные выпрямители и детекторы с бесконечным импедансом (исключая детекторы без усиления , такие как детекторы «кошачьи усы» ), а также схемы пиковых детекторов полагаются на изменения усиления в зависимости от сигнала . мгновенная амплитуда для получения постоянного тока от входа переменного тока .
  • Схемы компаратора и детектора на операционном усилителе .
• Широкополосный усилитель имеет точный коэффициент усиления в широком диапазоне частот и часто используется для усиления сигналов ретрансляции в системах связи. Узкополосный . усилитель усиливает определенный узкий диапазон частот, исключая другие частоты
• усилитель РЧ- усиливает сигналы в радиочастотном диапазоне электромагнитного спектра и часто используется для увеличения чувствительности приемника или выходной мощности передатчика .
• Аудиоусилитель звуковые усиливает частоты . Эта категория подразделяется на усиление небольшого сигнала и усилители мощности, оптимизированные для управления динамиками , иногда с несколькими усилителями, сгруппированными вместе в отдельные каналы или каналы с возможностью мостового подключения для удовлетворения различных требований к воспроизведению звука. Часто используемые термины в аудиоусилителях включают:
  • Предусилитель (preamp.), который может включать в себя фонокорректор с эквалайзером RIAA или предусилители ленточной головки с CCIR эквалайзерными фильтрами . Они могут включать в себя фильтры или регулировки тембра . схемы
  • Усилитель мощности (обычно управляет громкоговорителями ), усилители для наушников и усилители громкой связи .
  • Стереоусилители подразумевают два выходных канала (левый и правый), хотя этот термин просто означает «твердый» звук (имеется в виду трехмерный) - поэтому квадрафоническое стерео использовалось для усилителей с четырьмя каналами. Системы 5.1 и 7.1 относятся к системам домашнего кинотеатра с 5 или 7 обычными пространственными каналами, а также каналом сабвуфера .
• Буферные усилители , которые могут включать эмиттерные повторители , обеспечивают вход с высоким импедансом для устройства (возможно, другого усилителя или, возможно, энергоемкой нагрузки, такой как лампы), которые в противном случае потребляли бы слишком большой ток от источника. Линейные драйверы представляют собой тип буфера, который питает длинные или подверженные помехам межблочные кабели, возможно, с дифференциальными выходами через витую пару .

Метод межкаскадной связи

См. Также: Многокаскадный усилитель.

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

Усилитель с резистивно-емкостной (RC) связью, использующий сеть резисторов и конденсаторов.

По своей конструкции эти усилители не могут усиливать сигналы постоянного тока, поскольку конденсаторы блокируют постоянную составляющую входного сигнала. Усилители с RC-связью очень часто использовались в схемах с электронными лампами или дискретными транзисторами. Во времена интегральных схем количество транзисторов на кристалле было намного дешевле и меньше, чем конденсатор.

Усилитель с индуктивно-емкостной (LC) связью, использующий сеть катушек индуктивности и конденсаторов.

Усилители такого типа чаще всего используются в селективных радиочастотных схемах.

Усилитель с трансформаторной связью, использующий трансформатор для согласования импедансов или развязки частей цепей.

Довольно часто усилители с LC-связью и трансформаторной связью невозможно отличить, поскольку трансформатор — это своего рода дроссель.

Усилитель с прямой связью , не использующий компоненты согласования импеданса и смещения.

Этот класс усилителей был очень необычен во времена электронных ламп, когда анодное (выходное) напряжение превышало несколько сотен вольт, а напряжение сетки (входное) - несколько вольт минус. Поэтому их использовали только в том случае, если усиление было задано до постоянного тока (например, в осциллографе). В контексте современной электроники разработчикам рекомендуется по возможности использовать усилители с прямой связью. В технологиях FET и CMOS доминирует прямая связь, поскольку затворы MOSFET теоретически не пропускают через себя ток. Таким образом, постоянная составляющая входных сигналов автоматически фильтруется.

Диапазон частот

В зависимости от диапазона частот и других свойств усилители устроены по разным принципам.

Диапазоны частот вплоть до постоянного тока используются только тогда, когда это свойство необходимо. Усилители сигналов постоянного тока уязвимы к незначительным изменениям свойств компонентов со временем. Специальные методы, такие как усилители с прерывательной стабилизацией, используются для предотвращения нежелательного дрейфа свойств усилителя по постоянному току. «блокировки постоянного тока» Конденсаторы могут быть добавлены для удаления постоянного тока и субзвуковых частот из аудиоусилителей.

В зависимости от указанного диапазона частот необходимо использовать разные принципы проектирования. Вплоть до диапазона МГц необходимо учитывать только «дискретные» свойства; например, терминал имеет входное сопротивление.

Как только какое-либо соединение внутри схемы становится длиннее, чем, возможно, 1% длины волны самой высокой заданной частоты (например, при 100 МГц длина волны составляет 3 м, поэтому критическая длина соединения составляет около 3 см), свойства конструкции радикально меняются. Например, заданная длина и ширина дорожки печатной платы может использоваться в качестве объекта выборочного согласования или согласования импеданса. При частотах выше нескольких сотен МГц становится трудно использовать дискретные элементы, особенно катушки индуктивности. В большинстве случаев вместо этого используются дорожки печатной платы очень четко определенной формы ( методы полосковых линий ).

Частотный диапазон, обрабатываемый усилителем, может быть определен в терминах полосы пропускания (обычно подразумевается, что отклик снижается на 3 дБ , когда частота достигает указанной полосы пропускания), или путем указания частотной характеристики , которая находится в пределах определенного количества децибел между более низкими частотами. и верхнюю частоту (например, «от 20 Гц до 20 кГц плюс-минус 1 дБ»).

Классы усилителей мощности

Основная статья: Классы усилителей мощности

Схемы усилителей мощности (выходные каскады) классифицируются как A, B, AB и C для аналоговых конструкций, а также классы D и E для коммутационных конструкций. Классы усилителей мощности основаны на доле каждого входного цикла (угла проводимости), в течение которого усилительное устройство пропускает ток. 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 равен 180°. Угол потока тесно связан с энергоэффективностью усилителя .

Пример схемы усилителя

Практичная схема усилителя

Показанная выше практическая схема усилителя может стать основой для аудиоусилителя средней мощности. Он имеет типичную (хотя и существенно упрощенную) конструкцию современных усилителей с двухтактным выходным каскадом класса AB и использует некоторую общую отрицательную обратную связь. Показаны биполярные транзисторы, но эту конструкцию также можно реализовать с помощью полевых транзисторов или ламп.

C1 подается Входной сигнал через конденсатор на базу транзистора Q1. Конденсатор пропускает сигнал переменного тока , но блокирует напряжение смещения постоянного тока, создаваемое резисторами R1 и R2, так что оно не влияет на любую предыдущую цепь. Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель (усилитель, который умножает разницу между двумя входами на некоторую константу) по схеме, известной как пара с длинным хвостом . 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 выходным сигналом. Усиленный сигнал с Q1 напрямую подается на второй каскад Q3, который представляет собой каскад с общим эмиттером , обеспечивающий дальнейшее усиление сигнала и смещение постоянного тока для выходных каскадов Q4 и Q5. R6 обеспечивает нагрузку для Q3 (лучшей конструкцией, вероятно, было бы использовать здесь некоторую форму активной нагрузки, например, сток постоянного тока). На данный момент все усилители работают в классе А. Выходная пара организована в двухтактном режиме класса AB, также называемом комплементарной парой. Они обеспечивают усиление большей части тока (при этом потребляя небольшой ток покоя) и напрямую управляют нагрузкой, подключенной через блокирующий постоянный ток конденсатор C2. Диоды . D1 и D2 обеспечивают небольшое смещение постоянного напряжения для выходной пары, просто переводя их в проводящее состояние, чтобы минимизировать перекрестные искажения То есть диоды переводят выходной каскад в режим класса AB (при условии, что падение напряжения база-эмиттер выходных транзисторов уменьшается за счет рассеивания тепла).

Эта конструкция проста, но является хорошей основой для практической конструкции, поскольку она автоматически стабилизирует свою рабочую точку, поскольку внутренняя обратная связь действует от постоянного тока до звукового диапазона и за его пределами. В реальной конструкции, вероятно, будут найдены дополнительные элементы схемы, которые будут снижать частотную характеристику выше необходимого диапазона, чтобы предотвратить возможность нежелательных колебаний . Кроме того, использование фиксированного смещения диодов, как показано здесь, может вызвать проблемы, если диоды не согласованы ни электрически, ни термически с выходными транзисторами – если выходные транзисторы включаются слишком часто, они могут легко перегреться и выйти из строя, так как полный ток на этом этапе питание от источника питания не ограничено.

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

Примечания по реализации

Любой реальный усилитель — это несовершенная реализация идеального усилителя. Важным ограничением реального усилителя является то, что генерируемая им выходная мощность в конечном итоге ограничена мощностью источника питания. Усилитель насыщает и ограничивает выходной сигнал, если входной сигнал становится слишком большим для воспроизведения усилителем или превышает эксплуатационные пределы устройства. Источник питания может влиять на выходную мощность, поэтому это следует учитывать при проектировании. Выходная мощность усилителя не может превышать входную мощность.

Схема усилителя имеет принцип «разомкнутого контура». Это описывается различными параметрами (усиление, скорость нарастания , выходное сопротивление , искажения , полоса пропускания , отношение сигнал/шум и т. д.). Многие современные усилители используют методы отрицательной обратной связи для поддержания желаемого значения усиления и уменьшения искажений. Отрицательная петлевая обратная связь призвана снизить выходное сопротивление и тем самым увеличить электрическое демпфирование 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), необходимую продолжительность выходной мощности (например, кратковременный или непрерывный) и требуемый динамический диапазон (например, записываемый или непрерывный). живой звук). В мощных аудиоприложениях, требующих длинных кабелей для подключения к нагрузке (например, в кинотеатрах и торговых центрах), может оказаться более эффективным подключение нагрузки к линейному выходному напряжению с согласующими трансформаторами на источнике и нагрузке. Это позволяет избежать использования длинных акустических кабелей.

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

Все усилители выделяют тепло за счет электрических потерь. Усилитель должен рассеивать это тепло посредством конвекции или принудительного воздушного охлаждения. Тепло может повредить или сократить срок службы электронных компонентов. Проектировщики и монтажники также должны учитывать тепловое воздействие на соседнее оборудование.

Различные типы источников питания приводят к появлению множества различных методов смещения . Смещение — это метод, с помощью которого активные устройства настраиваются на работу в определенной области или с помощью которого составляющая постоянного тока выходного сигнала устанавливается в среднюю точку между максимальными напряжениями, доступными от источника питания. В большинстве усилителей на каждом этапе используется несколько устройств; они обычно совпадают по характеристикам, за исключением полярности. Устройства с согласованной обратной полярностью называются комплементарными парами. В усилителях класса A обычно используется только одно устройство, если источник питания не настроен на подачу как положительного, так и отрицательного напряжения, и в этом случае может использоваться симметричная конструкция с двумя устройствами. Усилители класса C по определению используют питание с одной полярностью.

Усилители часто имеют несколько каскадов для увеличения усиления. Каждая ступень этих конструкций может представлять собой усилитель разного типа, соответствующий потребностям этой ступени. Например, первая ступень может быть ступенью класса A, питающей двухтактную вторую ступень класса AB, которая затем приводит в действие конечный выходной каскад класса G, используя преимущества каждого типа, одновременно сводя к минимуму их недостатки.

Специальные типы

• Усилитель переноса заряда
• КМОП усилители
• Усилитель тока
• Распределенный усилитель
• Усилитель Доэрти
• Усилитель с двойной настройкой
• Верный усилитель
• Промежуточный усилитель мощности
• Малошумящий усилитель
• Усилитель с отрицательной обратной связью
• Оптический усилитель
• Усилитель с программируемым усилением
• Настроенный усилитель
• Ламповый усилитель

См. также

• Дополнительная эффективность

Внешние ссылки

• Руководство AES по классам усилителей
• «Анатомия усилителя. Часть 1» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 10 июня 2004 г. – содержит объяснение различных классов усилителей
• «Изобретение усилителя мощности заново» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 апреля 2013 г.