Усилитель , электронный усилитель или (неформально) усилитель представляет собой электронное устройство , которое может увеличить мощность в виде сигнала (изменяющихся во времени напряжения или тока ). Это двухпортовая электронная схема, которая использует электроэнергию от источника питания для увеличения амплитуды сигнала, подаваемого на его входные клеммы, создавая на выходе сигнал пропорционально большей амплитуды. Величина усиления, обеспечиваемого усилителем, измеряется его коэффициентом усиления.: отношение выходного напряжения, тока или мощности к входной. Усилитель - это схема, у которой коэффициент усиления по мощности больше единицы. [1] [2] [3]
Усилитель может представлять собой отдельную часть оборудования или электрическую цепь, содержащуюся 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 них связан с частотой усиления электронного сигнала. Например, усилители звука усиливают сигналы в звуковом (звуковом) диапазоне менее 20 кГц, усилители RF 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 классифицировать по их физическому размещению всигнальная цепочка ; например, предусилитель может предшествовать другим этапам обработки сигнала. [4] Первым практическим электрическим устройством, которое могло усилить, была вакуумная лампа на триоде , изобретенная в 1906 году Ли Де Форестом , которая привела к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы .
История [ править ]
Вакуумные лампы [ править ]
Первым заметным практическим устройством, которое могло усилить, была вакуумная лампа на триоде , изобретенная в 1906 году Ли Де Форестом , которая привела к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Вакуумные 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.
Развитие технологии аудиосвязи в форме телефона , впервые запатентованного в 1876 году, привело к необходимости увеличения амплитуды электрических сигналов, чтобы расширить передачу сигналов на все более длинные расстояния. В телеграфии эта проблема была решена с помощью промежуточных устройств на станциях, которые восполняли рассеиваемую энергию, управляя регистратором сигналов и передатчиком последовательно, образуя реле , так что местный источник энергии на каждой промежуточной станции питал следующую ветку коробка передач. Для дуплексной передачи, то есть отправки и приема в обоих направлениях, были разработаны двунаправленные ретрансляционные повторители, начиная с работы К.Ф. Варлея.для телеграфной передачи. Дуплексная передача была важна для телефонии, и проблема не была удовлетворительно решена до 1904 года, когда Е.П. Шрив из Американской телефонно-телеграфной компании улучшил существующие попытки создания телефонного ретранслятора, состоящего из пар передающих гранул - уголь и 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 ртутные лампы с отрицательным сопротивлением можно усиливать, и их также пытались использовать в ретрансляторах, но без особого успеха. [6]
Разработка термоэмиссионных клапанов, начатая примерно в 1902 году, предоставила полностью электронный метод усиления сигналов. Первый практический вариант таких устройств был Audion триод , изобретенный в 1906 году Lee De Forest , [7] [8] [9] , которая привела к первым усилителей около 1912 года [10] Так как только предыдущее устройство , которое широко используется для усиления сигнала использовалось реле, используемое в телеграфных системах, усилительная вакуумная лампа впервые была названа электронным реле . [11] [12] [13] [14] Термины усилитель иУсиление , происходящее от латинского слова « ampificare» ( увеличивать или расширять ), [15] впервые было использовано для этой новой возможности примерно в 1915 году, когда стали широко распространены триоды. [15]
Усилительная вакуумная лампа произвела революцию в электротехнике, создав новую область электроники - технологию активных электрических устройств. [10] Это сделало возможными междугородные телефонные линии, системы громкой связи , радиовещание , говорящие кинофильмы , практическую аудиозапись , радар , телевидение и первые компьютеры . В течение 50 лет практически во всех устройствах бытовой электроники использовались электронные лампы. Ранние ламповые усилители часто имели положительную обратную связь ( 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 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 успехи в теории усиления были сделаны Гарри Найквистом и Хендриком Уэйдом Бодом . [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 [ править ]
Первым работающим транзистором был точечный транзистор, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1947 году в Bell Labs , где Уильям Шокли позже изобрел транзистор с биполярным переходом (BJT) в 1948 году. За ними последовало изобретение металл-оксида. Полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET), сделанный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом из Bell Labs в 1959 году. Благодаря масштабированию MOSFET , возможности 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 создание большого класса портативных электронных устройств, таких как транзисторный радиоприемник, разработанный в 1954 году. Сегодня использование электронных ламп ограничено из-за высокой мощности. приложения, такие как радиопередатчики.
Начиная с 1970-х годов, все больше и больше транзисторов было подключено к одному кристаллу, тем самым создавая более высокий уровень интеграции (например, мелкомасштабную, среднюю и крупномасштабную интеграцию ) в интегральных схемах . Многие коммерчески доступные сегодня усилители основаны на интегральных схемах.
Для специальных целей использовались другие активные элементы. Например, в первые дни спутниковой связи , 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.
Прогресс в области цифровой электроники с концом 20 - го века при условии , новых альтернатив традиционных усилителей линейного усиления с помощью цифрового переключения для изменения импульсной формы фиксированных амплитуды сигналов, в результате чего в таких устройствах, как усилитель класса D .
Идеально [ править ]
В принципе, усилитель представляет собой электрическую двухпортовую сеть, которая производит сигнал на выходном порте, 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 может быть идеализирован как зависимый источник напряжения с нулевым сопротивлением источника и его выходное напряжение, зависящее 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 идеализированной форме они представлены каждым из четырех типов зависимых источников. используется в линейном анализе, как показано на рисунке, а именно:
| Вход | Выход | Зависимый источник | Тип усилителя | Единицы усиления |
|---|---|---|---|---|
| я | я | Источник тока управляемого тока, CCCS | Усилитель тока | Безразмерный |
| я | V | Источник напряжения с регулируемым током, CCVS | Усилитель сопротивления | Ом |
| V | я | Источник тока, управляемый напряжением, VCCS | Усилитель крутизны | Сименс |
| V | V | Источник напряжения, управляемый напряжением, VCVS | Усилитель напряжения | Безразмерный |
Каждый тип усилителя в его идеальной форме имеет идеальное входное и выходное сопротивление, такое же, как и у соответствующего зависимого источника: [19]
| Тип усилителя | Зависимый источник | Входное сопротивление | Выходное сопротивление |
|---|---|---|---|
| Текущий | CCCS | 0 | ∞ |
| Транссопротивление | CCVS | 0 | 0 |
| Крутизна | VCCS | ∞ | ∞ |
| Напряжение | VCVS | ∞ | 0 |
В реальных усилителях невозможно достичь идеального импеданса, но эти идеальные элементы можно использовать для построения эквивалентных схем 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. Слабосигнальный испытательный ток I x переменного тока подается на входной или выходной узел, все внешние источники устанавливаются на нуль переменного тока, а соответствующее переменное напряжение V x на источнике тестового тока определяет полное сопротивление, видимое в этом узле, как R = V х / я х . [20]
Усилители, предназначенные для подключения к линии передачи на входе и выходе, особенно усилители ВЧ , не подходят для этого подхода к классификации. Вместо того, чтобы работать с напряжением или током по отдельности, они идеально сочетаются с входным или выходным импедансом, согласованным с импедансом линии передачи, то есть согласовывают отношения 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]
Свойства [ править ]
Свойства усилителя задаются параметрами, которые включают:
- Коэффициент усиления , соотношение между величиной выходного и входного сигналов.
- Полоса пропускания , ширина полезного частотного диапазона
- КПД , соотношение между выходной мощностью и общей потребляемой мощностью.
- Линейность , степень, в которой соотношение между входной и выходной амплитудой одинаково для входных сигналов с высокой и низкой амплитудой.
- Шум , мера нежелательного шума, смешанного с выходом
- Выходной динамический диапазон , соотношение наибольшего и наименьшего полезных выходных уровней
- Скорость нарастания , максимальная скорость изменения выхода
- Время нарастания , время установления , звонкое и перерегулирование , которые характеризуют реакцию шага
- Устойчивость , способность избегать автоколебаний
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 может быть задан как отношение выходного напряжения к входному напряжению ( коэффициент усиления по напряжению ), выходная мощность к входной мощности ( коэффициент усиления по мощности ) или некоторая комбинация 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 децибелах (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 искажаться . Однако есть случаи, когда полезно использовать переменное усиление . В некоторых приложениях обработки сигналов используются усилители с экспоненциальным усилением. [4]
Усилители обычно проектируются так, чтобы хорошо работать в определенных приложениях, например: радио- и телевизионные передатчики и приемники , высококачественное («Hi-Fi») стереооборудование, 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 [ править ]
Негативный отзывэто 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 почти несущественным, пока он имеет большое усиление, а выходные характеристики системы ("закрытопроизводительность контура ") полностью определяется компонентами контура обратной связи. Этот метод особенно используется с операционными усилителями (ОУ).
Усилители без обратной связи могут обеспечить искажение только около 1% для сигналов звуковой частоты. При отрицательной обратной связи 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. Действительно, способность контура обратной связи определять выходной сигнал используется для включения цепей фильтров .
Еще одно преимущество отрицательной обратной связи состоит в том, что она расширяет полосу пропускания усилителя. Концепция обратной связи используется в операционных усилителях 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 рабочей точки активных устройств от незначительных изменений напряжения источника питания или характеристик устройства.
Некоторая обратная связь, положительная или отрицательная, неизбежна и часто нежелательна - вызвана, например, паразитными элементами , такими как внутренняя 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 [ править ]
Активные устройства [ править ]
Все усилители включают в себя какое-либо активное устройство: это устройство, которое выполняет собственное усиление. Активным устройством может быть электронная лампа , дискретный твердотельный компонент, такой как одиночный транзистор , или часть интегральной схемы , как в операционном усилителе ).
Транзисторные 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 (BJT) и металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).
Применения многочисленны, некоторые распространенные примеры - усилители звука в домашней стереосистеме или системе громкой связи, генерация высокой мощности ВЧ для полупроводникового оборудования, в радиочастотных и микроволновых приложениях, таких как радиопередатчики.
Усиление на основе транзисторов может быть реализовано с использованием различных конфигураций: например, транзистор с биполярным переходом может реализовывать усиление с общей базой , общим коллектором или общим эмиттером ; 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) в качестве активного устройства используется вакуумная лампа . 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. Многие СВЧ-усилители представляют собой специально разработанные ламповые усилители, такие как клистрон , гиротрон , лампа бегущей волны и усилитель со скрещенными полями , и эти СВЧ-лампы обеспечивают гораздо большую выходную мощность отдельного устройства на микроволновых частотах, чем твердотельные устройства. [23]Вакуумные лампы продолжают использоваться в некотором высококачественном аудиооборудовании, а также в усилителях музыкальных инструментов из-за предпочтения « лампового звука ».
Магнитные усилители - это устройства, несколько похожие на трансформатор, в котором одна обмотка используется для управления насыщением магнитного сердечника и, следовательно, изменения импеданса другой обмотки. [24]
Они в значительной степени вышли из употребления из-за разработки полупроводниковых усилителей, но по-прежнему используются для управления высоковольтным постоянным током и в схемах управления ядерной мощностью из-за того, что они не подвержены влиянию радиоактивности.
Отрицательные сопротивления можно использовать в качестве усилителей, например, туннельного диодного усилителя. [25] [26]
Усилители мощности [ править ]
Усилитель мощности - это усилитель, предназначенный в первую очередь для увеличения мощности, доступной для нагрузки . На практике коэффициент усиления мощности усилителя зависит от импеданса источника и нагрузки , а также от собственного усиления по напряжению и току. Радиочастотный (РЧ) усилитель , как правило , конструкция оптимизирует импедансов для передачи мощности, в то время как аудио и измерительный усилитель конструкции обычно оптимизировать входной и выходной импеданс для наименьшей нагрузки и самой высокой 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 поступает от микрофона с сопротивлением 600 Ом, а выход подключается к разъему 47 кОм.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 эффективности мощности. Соображения эффективности приводят к различным классам усилителей мощности на основе смещения выходных транзисторов или ламп: см. Классы усилителей мощности ниже.
Усилители мощности звука обычно используются для управления громкоговорителями . Часто они имеют два выходных канала и подают на каждый равную мощность. Усилитель мощности РЧ обнаружен в радио передатчика заключительных этапах. Серво контроллер двигателя : усиливает управляющее напряжение для регулировки скорости двигателя, или положения моторизованной системы.
Операционные усилители (операционные усилители) [ править ]
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, полоса пропускания и другие характеристики можно регулировать с помощью обратной связи 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.
Полностью дифференциальный усилитель похож на операционный усилитель, но также имеет дифференциальные выходы. Обычно они создаются с использованием BJT или полевых транзисторов .
Распределенные усилители [ править ]
В них используются симметричные линии передачи для разделения отдельных одноступенчатых усилителей, выходы которых суммируются одной и той же линией передачи. Линия передачи является сбалансированной, с входом на одном конце и только на одной стороне 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 [ править ]
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 усилителей.
Усилитель отрицательного сопротивления [ править ]
Усилитель с отрицательным сопротивлением - это тип рекуперативного 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 [ править ]
Видеоусилители [ править ]
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 в какой точке (например, -1 дБ или -3 дБ ) измеряется полоса пропускания. Для получения приемлемого телевизионного изображения необходимы определенные требования к скачкообразной реакции и перерегулированию. [28]
СВЧ усилители [ править ]
Усилители на лампах бегущей волны (ЛБВВ) используются для усиления высокой мощности на низких микроволновых частотах. Обычно они могут усиливаться в широком спектре частот; однако они обычно не так настраиваются, как клистроны. [29]
Клистроны - это специализированные вакуумные устройства с линейным лучом, разработанные 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 короткоканальные полевые МОП-транзисторы, такие как полевые транзисторы с двойным диффузионным диффузионным соединением металл-оксид-полупроводник (DMOS), полевые транзисторы на основе GaAs, биполярные транзисторы на гетеропереходе SiGe и GaAs / HBT, HEMT , диоды IMPATT и другие, используются особенно в более низких микроволновых печах. частоты и уровни мощности порядка ватт, особенно в таких приложениях, как портативные радиочастотные терминалы / сотовые телефоны и точки доступа, где решающими факторами являются размер и эффективность. Новые материалы, такие как нитрид галлия ( GaN ) или GaN на кремнии или карбиде 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 усилителя и требований к его размерам, СВЧ-усилители могут быть реализованы в виде монолитно интегрированных, интегрированных в виде модулей или на основе дискретных частей или любой их комбинации.
Мазера является неэлектронным усилителем СВЧ.
Усилители музыкальных инструментов [ править ]
Инструментальные усилители - это серия усилителей мощности звука, используемых для повышения уровня звука музыкальных инструментов, например гитар, во время выступлений.
Классификация усилительных каскадов и систем [ править ]
Общий терминал [ править ]
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 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, а 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 [ править ]
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 к входу, является двусторонним усилителем. Входное сопротивление двустороннего усилителя зависит от нагрузки, а выходное сопротивление - от импеданса 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. пример в общей базовой статье).
Инвертирующий или не инвертирующий [ править ]
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 это видно на осциллографе ). «Неинвертирующий» усилитель поддерживает фазу формы волны входного сигнала. Эмиттерный повторитель является типом неинвертирующего усилителя, указывая , что сигнал на эмиттере транзистора следующим образом (то есть соответствие с единичным усилением , но , возможно , со смещением) входным сигналом. Повторитель напряжения также является усилителем неинвертирующего типа с единичным усилением.
Это описание может относиться к отдельному каскаду усилителя или ко всей системе усилителя.
Функция [ править ]
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.
- Сервоусилитель показывает интегрированный контур обратной связи , чтобы активно контролировать выход на некотором требуемом уровне. Сервопривод постоянного тока указывает на использование на частотах до уровней постоянного тока, где не возникают быстрые колебания звукового 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 . может сделать это для некоторых двигателей переменного тока.
- A линейного усилитель реагирует на различные частотные компоненты независимо друг от друга, и не генерируют гармонические искажения или интермодуляционные искажения. Ни один усилитель не может обеспечить идеальную линейность (даже самый линейный усилитель имеет некоторую нелинейность, поскольку усиливающие устройства - транзисторы или электронные лампы - подчиняются нелинейным законам мощности, таким как квадратичные законы, и полагаются на схемотехнику для уменьшения этих эффектов).
- Нелинейное усилитель генерирует значительное искажение и так изменяет содержание гармоник; бывают ситуации, когда это полезно. Цепи усилителя, умышленно обеспечивающие нелинейную передаточную функцию, включают:
- такое устройство, 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 в непрерывно регулируемом входе.
- например, нелинейный усилитель в аналоговом компьютере или преобразователь истинного среднеквадратичного значения может обеспечивать специальную передаточную функцию, такую как логарифмический или квадратичный.
- класса C РЧ усилитель может быть выбран потому , что это может быть очень эффективным, но не является линейной. Использование такого усилителя с так называемой схемой настройки резервуара может уменьшить нежелательные гармоники (искажения) в достаточной степени, чтобы сделать его полезным в передатчиках , или некоторая желаемая гармоника может быть выбрана 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 регулировалось усредненной по времени амплитудой, так что выходная амплитуда мало меняется при приеме слабых станций. Предполагается, что нелинейности устроены так, что относительно небольшая амплитуда сигнала страдает от небольших искажений (межканальные помехи или интермодуляция ), но все же модулируется относительно большим напряжением постоянного тока регулировки усиления .
- АМ схема детектора , что использование амплификация , такие как детекторы анодно-изгиб , прецизионные выпрямители и бесконечные детекторы импеданса (так исключая неусиленные детекторы , такие как кошачьи усы детекторов ), а также схемы пикового детектора , полагаются на изменениях в амплификации на основе сигнала «ы мгновенная амплитуда для получения постоянного тока от входа переменного тока .
- Схема компаратора и детектора операционного усилителя .
- Широкополосный усилитель имеет точный коэффициент усиления в широком диапазоне частот, и часто используется для повышения сигналов для реле в системах связи. Узкополосный усилитель усиливает определенный узкий диапазон частот, для исключения других частот.
- РЧ - усилитель усиливает сигналы в радиочастотном диапазоне электромагнитного спектра , и часто используется для повышения чувствительности в приемнике или выходной мощности передатчика . [33]
- Звуковой усилитель усиливает звуковые частоты. Эта категория подразделяется на усилители слабого сигнала и усилители мощности, которые оптимизированы для работы с динамиками , иногда с несколькими усилителями, сгруппированными вместе как отдельные или переключаемые каналы для удовлетворения различных требований воспроизведения звука. Часто используемые термины в усилителях звука включают:
- Предусилитель (предусилитель), который может включать фонокорректор с эквализацией RIAA , или предусилители с магнитной головкой с эквалайзерами CCIR . Они могут включать фильтры или схему регулировки тембра .
- Усилитель мощности ( как правило , приводит в громкоговорители ), наушники усилители и усилители общего оповещения .
- Стереоусилители подразумевают два выходных канала (левый и правый), хотя этот термин означает просто «твердый» звук (относящийся к трехмерному) - поэтому квадрафоническое стерео использовалось для четырехканальных усилителей. 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 в себя эмиттерные повторители , обеспечивают вход с высоким импедансом для устройства (возможно, другого усилителя или, возможно, энергоемкой нагрузки, такой как свет), которое в противном случае потребляло бы слишком много тока от источника. Линейные драйверы - это тип буфера, который питает длинные или подверженные помехам межблочные кабели, возможно, с дифференциальными выходами через кабели витой пары .
Метод межкаскадной связи [ править ]
Иногда усилители классифицируют по методу связи сигнала на входе, выходе или между каскадами. К их различным типам относятся:
- Усилитель с резистивно-емкостной связью, 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.
- Усилитель с трансформаторной связью, использующий трансформатор 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 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 [ править ]
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 подвержены незначительным изменениям свойств компонентов со временем. Специальные методы, такие как измельчители стабилизировались усилители используются для предотвращения нежелательного дрейфа в свойствах усилителя для постоянного тока. Конденсаторы «блокировки постоянного тока» могут быть добавлены для удаления постоянных и субзвуковых частот из усилителей звука.
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 дорожки печатной платы могут использоваться в качестве селективного объекта или объекта согласования импеданса. На частотах выше нескольких сотен МГц трудно использовать дискретные элементы, особенно катушки индуктивности. В большинстве случаев вместо них используются следы печатной платы очень четко определенной формы ( методы полосковых линий ).
Диапазон частот, обрабатываемый усилителем, может быть указан в терминах полосы пропускания (обычно подразумевая отклик на 3 дБ ниже, когда частота достигает указанной полосы пропускания) или путем указания частотной характеристики, которая находится в пределах определенного числа децибел между более низкими значениями. и верхняя частота (например, «от 20 Гц до 20 кГц плюс-минус 1 дБ»).
Классы усилителей мощности [ править ]
Цепи усилителя мощности (выходные каскады) классифицируются как A, B, AB и C для аналоговых схем и как классы D и E для схем переключения. Эти классы усилителей мощностей основаны на доле каждый входной цикл (угол проводимости) , в течение которого усилительное устройство проходит 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 КПД усилителя .
Пример схемы усилителя [ править ]
Практическая схема усилителя, показанная выше, может быть основой для звукового усилителя 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 эта конструкция также может быть реализована с полевыми транзисторами или клапанами.
Входной сигнал поступает через конденсатор C1 на базу транзистора Q1. Конденсатор пропускает сигнал переменного тока , но блокирует напряжение смещения постоянного тока, установленное резисторами R1 и R2, так что он не влияет на любую предыдущую схему. Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель (усилитель, который умножает разницу между двумя входами на некоторую константу) в конфигурации, 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 выходом. Усиленный сигнал от Q1 напрямую поступает на второй каскад Q3, который представляет собой каскад с общим эмиттером, который обеспечивает дополнительное 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 диодахD1 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. Дополнительные элементы схемы, вероятно , будет найден в реальной конструкции , которая бы скругления в частотной характеристике выше необходимого диапазона , чтобы предотвратить возможность нежелательных колебаний . 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 [ править ]
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 (усилением, скоростью нарастания , выходным сопротивлением , искажениями , полосой пропускания , отношением сигнал / шум и т. Д.). Многие современные усилители используют методы отрицательной обратной связи , чтобы поддерживать желаемое значение усиления и уменьшить искажения. Отрицательная обратная связь контура имеет предполагаемый эффект снижения выходного импеданса и, таким образом, 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, для которых требуются длинные кабели для подключения к нагрузке (например, кинотеатры и торговые центры), может быть более эффективным подключение к нагрузке при линейном выходном напряжении с согласующими трансформаторами на источнике и нагрузках. 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 за счет конвекции или принудительного воздушного охлаждения. 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 смещения . 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, и 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.
См. Также [ править ]
- Усилитель передачи заряда
- КМОП усилители
- Усилитель считывания тока
- Распределенный усилитель
- Усилитель Догерти
- Двойной настроенный усилитель
- Верное усиление
- Малошумящий усилитель
- Усилитель отрицательной обратной связи
- Оптический усилитель
- Повышенная эффективность
- Усилитель с программируемым усилением
- Настроенный усилитель
Ссылки [ править ]
- ^ Крекрафт, Дэвид; Горхэм, Дэвид (2003). Электроника, 2-е изд . CRC Press. п. 168. ISBN 978-0748770366.
- ^ Агарвал, Анант; Лэнг, Джеффри (2005). Основы аналоговых и цифровых электронных схем . Морган Кауфманн. п. 331. ISBN. 978-0080506814.
- ^ Глиссон, Тилдон Х. (2011). Введение в анализ и проектирование схем . Springer Science and Business Media. ISBN 978-9048194438.
- ^ a b c Патронис, Джин (1987). «Усилители». В Глен Баллоу (ред.). Справочник звукорежиссеров: Новая Аудио Циклопедия . Howard W. Sams & Co. стр. 493. ISBN 978-0-672-21983-2.
- ^ Герарди Б., Джьюетт FB, Телефон повторители , Труды AIEE 38 (11), 1 октября 1919, p.1298
- ^ Sungook, Гонконг (2001). Беспроводная связь: от черного ящика Маркони до Audion . MIT Press. п. 165. ISBN 978-0262082983.
- ↑ Де Форест, Ли (январь 1906 г.). "Audion; новый приемник беспроводной телеграфии" . Пер. AIEE . 25 : 735–763. DOI : 10,1109 / т-aiee.1906.4764762 . Проверено 7 января 2013 года .Ссылка представляет собой перепечатку статьи из Приложения к Scientific American, № 1665, 30 ноября 1907 г., стр. 348-350, скопированной на веб-сайте « Ранняя история радио Соединенных Штатов» Томаса Х. Уайта
- ^ Годфри, Дональд Г. (1998). «Аудион» . Исторический словарь американского радио . Издательская группа «Гринвуд». п. 28. ISBN 9780313296369. Проверено 7 января 2013 года .
- Перейти ↑ Amos, SW (2002). «Триод» . Словарь Newnes по электронике, 4-е изд . Newnes. п. 331. ISBN. 9780080524054. Проверено 7 января 2013 года .
- ^ a b 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.
- ^ Макникол, Дональд (1946). Покорение космоса радио . Книги Мюррея Хилла. С. 165, 180.
- ^ McNicol, Дональд (1 ноября 1917). «Племя Audion» . Телеграф и телефонный век . 21 : 493 . Проверено 12 мая 2017 года .
- ^ Энциклопедия Американа, Vol. 26 . Энциклопедия Американа Ко. 1920. стр. 349.
- ↑ Hong 2001, Wireless: From Marconi's Black-Box to the Audion , p. 177
- ^ a b Харпер, Дуглас (2001). «Усилить» . Интернет-словарь этимологии . Etymonline.com . Проверено 10 июля 2015 года .
- Перейти ↑ Bode, HW (июль 1940). «Отношения между затуханием и фазой в конструкции усилителя обратной связи». Технический журнал Bell Labs . 19 (3): 421–454. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1940.tb00839.x .
- ^ AT&T, Bell System Practices Section C65.114, Телефонные аппараты для абонентов с нарушением слуха - тип 334
- ^ https://www.computerhistory.org/siliconengine/timeline/
- ^ Эта таблица представляет собой «коробку Цвикки» ; в частности, он включает в себя все возможности. См. Фрица Цвикки .
- ^ "Анализ малых сигналов сложных схем усилителя" . www.eeherald.com . Архивировано из оригинала на 2016-10-09 . Проверено 20 июня 2016 .
- ^ Джон Эверетт (1992). Vsats: Терминалы с очень малой апертурой . ИЭПП. ISBN 978-0-86341-200-4.
- ^ Роберт Бойлестад и Луи Нашельски (1996). Электронные устройства и теория схем, 7-е издание . Отделение колледжа Прентис Холл. ISBN 978-0-13-375734-7.
- ^ Роберт С. Саймонс (1998). «Трубки: по-прежнему жизненно необходимы после всех этих лет». IEEE Spectrum . 35 (4): 52–63. DOI : 10.1109 / 6.666962 .
- ^ Mammano, Боб (2001). «Управление магнитным усилителем для простого недорогого вторичного регулирования» (PDF) . Инструменты Техаса.
- ^ "Негативное сопротивление возродилось" . users.tpg.com.au . Проверено 20 июня 2016 .
- ^ Munsterman, GT (июнь 1965 г.). "Туннельно-диодные усилители СВЧ" (PDF) . Технический дайджест APL . 4 : 2–10.
- ^ 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. DOI : 10.1002 / mrm.25850 . PMC 4720591 . PMID 26192998 .
- ^ «Что такое видеоусилитель, усилители видеоусилителя - Future Electronics» . www.futureelectronics.com . Проверено 20 июня 2016 .
- ^ "Усилители на лампах бегущей волны" . www.r-type.org . Проверено 20 июня 2016 .
- ^ Peatman, WCB; Даниэль, ES (2009). «Введение в специальный раздел симпозиума IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS 2008)». Журнал IEEE по твердотельным схемам . 44 (10): 2627–2628.
- ^ Ложь, DYC; Mayeda, JC; Лопес, Дж. (2017). «Проблемы проектирования высокоэффективных линейных усилителей мощности (PA) 5G». Международный симпозиум по проектированию, автоматизации и тестированию СБИС (VLSI-DAT) : 1–3. DOI : 10,1109 / СБИС-DAT.2017.7939653 .
- ^ Администратор. «Микроволны101 | Активная направленность усилителей» . www.microwaves101.com . Проверено 20 июня 2016 .
- ^ Рой, Апратим; Рашид, СМС (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 . DOI : 10,2478 / s13531-012-0009-1 . S2CID 109947130 .
- ^ «Понимание Amplifier работы„Классы “ » . electronicdesign.com . 2012-03-21 . Проверено 20 июня 2016 .
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме электронных усилителей . |
- Руководство AES по классам усилителей
- «Анатомия усилителя - Часть 1» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 10 июня 2004 года. - содержит описание различных классов усилителей
- «Изобретая усилитель мощности заново» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 3 апреля 2013 года.
