Усилвателят е електронно устройство с два порта, използвано за усилване на сигнала или увеличаване на мощността на сигнала с помощта на захранване. Захранването се подава през входната клема на усилвателя. Изходът на усилвателя може да бъде увеличената амплитуда и т.н.
Коефициентът на усилване на усилвателя определя неговото усилване. Това е основният фактор, който определя мощността на устройството. Усилвателите се използват в почти всички видове електронни компоненти. Усилването се изчислява като съотношението на изходния параметър (мощност, ток или напрежение) към входния параметър.
Усилвателите се използват в различни приложения, като автоматизация, корабоплаване, сензори и др. Усилването на мощността на усилвателя обикновено е по-голямо от единица. Нека разберем някои основни характеристики на идеалния усилвател.
Тук ще обсъдим идеален усилвател, видове усилватели, свойства, функции, и приложения на усилватели .
Да започваме.
Идеален усилвател
Нека разгледаме характеристиките на идеален усилвател, които са изброени по-долу:
- Входен импеданс: Безкраен
- Изходен импеданс: Нула
- Усилване при различни честоти: Фиксиран
Входният порт на усилвателя може да бъде източник на напрежение или източник на ток. Източникът на напрежение зависи само от входното напрежение и не приема ток. По същия начин източникът на ток приема ток и не приема напрежение. Изходът ще бъде пропорционален на напрежението или тока в целия порт.
Изходът на един идеален усилвател може да бъде или зависим източник на ток, или зависим източник на напрежение. Съпротивлението на източника на зависимия източник на напрежение е нула, докато това на зависимия източник на ток е безкрайно.
Напрежението или токът на зависимия източник зависи само от входното напрежение или ток. Това означава, че изходното напрежение ще зависи от входното напрежение, а изходният ток ще зависи съответно от независимия източник на напрежение и източник на ток на входния ток.
Идеалните усилватели са допълнително категоризирани като CCCS (Източник на ток за контрол на тока), CCVS (Източник на напрежение за управление на тока), VCVS (Източник на напрежение за контрол на напрежението) и VCCS (Източник на ток за управление на напрежението).
java string.format
Входният импеданс на CCVS и CCCS е нула, докато VCCS и VCVS са безкрайни. По същия начин изходният импеданс на CCCS и VCCS е безкраен, докато този на CCVS и VCVS е нула.
Видове усилватели
Нека обсъдим различните видове усилватели.
Операционни усилватели
Операционните усилватели или операционните усилватели са директно свързани (DC) усилватели с голямо усилване, които извършват различни математически операции, като добавяне, диференциране, изваждане, интегриране и др.
Има два входни терминала и един изходен терминал. Входните клеми се наричат инвертиращи и неинвертиращи клеми. Сигналът, приложен към инвертиращия терминал, ще изглежда като фазово инвертиран, а сигналът, приложен към неинвертиращия терминал, се появява без никаква фазова инверсия в изходния терминал.
Напрежението, приложено на инвертиращия вход, е представено като V-, а напрежението на неинвертиращия вход е представено като V+.
Забележка: Изходният импеданс и дрейфът на идеалния операционен усилвател са 0. Усилването на напрежението, входният импеданс и честотната лента на идеалния операционен усилвател са безкрайни.
Операционните усилватели се категоризират допълнително като инвертиращи и неинвертиращи усилватели. Нека обсъдим подробно горните два типа операционни усилватели.
Приложения
Операционните усилватели се използват в различни приложения в електрониката. Например,
- Филтри
- Сравнител на напрежението
- Интегратор
- Преобразувател на ток към напрежение
- Летен усилвател
- Фазопревключвател
Инвертиращият и неинвертиращият вход на усилвател е показан по-долу:
Инвертиращ усилвател
Инвертиращият усилвател е показан по-долу:
Това е конфигурацията на обратната връзка на шунт на напрежението на операционния усилвател. Сигнално напрежение, приложено към инвертиращия вход на операционния усилвател, води до протичане на ток I1 в операционния усилвател. Знаем, че входният импеданс на операционния усилвател е безкрайност. Той няма да позволи на тока да тече в усилвателя. Токът ще тече през изходния контур (през съпротивлението R2) към изходния терминал на операционния усилвател.
Усилването на напрежението на изходния терминал на инвертиращия усилвател се изчислява като:
A = Vo/Vs = -R2/R1
Където,
Vo и Vs са изходното и сигналното напрежение.
Отрицателният знак изобразява, че изходът на усилвателя е извън фаза на 180 градуса спрямо входа.
Инвертиращият усилвател е един от най-използваните операционни усилватели. Има много ниски входни и изходни импеданси.
Неинвертиращ усилвател
Неинвертиращият усилвател е показан по-долу:
Горната конфигурация е последователна връзка за обратна връзка по напрежение. Сигнално напрежение, приложено към неинвертиращия вход на операционния усилвател, води до протичане на ток I1 в операционния усилвател и ток I2 извън операционния усилвател.
Според концепцията за виртуално късо съединение I1 = I2 и Vx =Vs.
Усилването на напрежението на неинвертиращия усилвател може да се изчисли като:
css списъци
A = A + (R2/R1)
Неинвертиращите усилватели имат висок входен и нисък изходен импеданс. Той също така се счита за усилвател на напрежение.
DC усилватели
DC или директно свързаните усилватели се използват за усилване на нискочестотни и директно свързани сигнали. Двата етапа на DC усилвател могат да бъдат свързани помежду си чрез използване на директно свързване между тези етапи.
Директното свързване е прост и лесен тип свързване. Може да се изчисли чрез директно свързване на колектора на транзистора от първи етап към базата на транзистора от втори етап, споменат като T1 и T2.
Но усилвателите с постоянен ток причиняват два проблема, наречени drift shifting и level shifting. Дизайнът на диференциалния усилвател премахна подобни проблеми. Нека обсъдим диференциалния усилвател.
Диференциални усилватели
Структурата на диференциалния усилвател реши проблема с дрейфа и изместването на нивото. Конструкцията се състои от две BJT (Bipolar Junction Transistor) усилватели, свързани само чрез захранващите линии. Той е наречен диференциален усилвател, тъй като изходът на усилвателя е разликата между отделните входове, както е представено по-долу:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Където,
Vo е изходът, а Vi1 и Vi2 са двата входа.
А е коефициентът на усилване на диференциалния усилвател.
Сега, ако
sql сървър pivot
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
Горната операция се нарича a диференциален режим операция. Тук входните сигнали не са във фаза един спрямо друг. Такива сигнали извън фазата са известни като сигнали в режим на разлика (DM).
ако,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
В = 0
Тази операция е известна като общ режим (CM), тъй като входните сигнали са във фаза един спрямо друг. Нулевият изход на такива сигнали показва, че няма да има дрейф в усилвателя.
Усилватели на мощност
Усилвателите на мощност също се наричат усилватели на ток . Тези усилватели са необходими за повишаване на текущото ниво на входящия сигнал, за да управляват лесно товарите. Видовете усилватели на мощност включват аудио усилватели на мощност, радиочестотни усилватели на мощност и др.
Усилвателите на мощност се класифицират като усилватели от клас A, клас AB, клас B и клас C. Ще обсъдим класовете усилватели на мощност по-късно в тази тема.
Усилватели в режим на превключване
Превключвателните усилватели са вид нелинейни усилватели с висока ефективност.
c# превключвател
Често срещан пример за такъв тип усилватели са усилвателите от клас D.
Инструментален усилвател
Инструменталният усилвател се използва в аналогови сензорни и измервателни инструменти. Нека разгледаме един пример.
Волтметър, използван за измерване на много ниски напрежения, изисква инструментален усилвател за правилното му функциониране. Той има различни характеристики, като много високо напрежение, добра изолация, много нисък шум, ниска консумация на енергия, голяма честотна лента и др.
Негативно мнение
Отрицателната обратна връзка е една от основните характеристики за контролиране на изкривяването и честотната лента в усилвателите. Основната цел на отрицателната обратна връзка е да намали печалбата на системата. Частта от изхода в противоположната фаза се подава обратно във входа. Стойността допълнително се изважда от входа. В изкривения изходен сигнал изходът с изкривяване се връща обратно в противоположната фаза. Изважда се от входа; можем да кажем, че отрицателната обратна връзка в усилвателите намалява нелинейността и нежеланите сигнали.
Изображението по-долу представлява отрицателна обратна връзка:
С помощта на отрицателна обратна връзка изкривяването на кросоувъра и други физически грешки също могат да бъдат елиминирани. Другите предимства на използването на отрицателна обратна връзка са разширяване на честотната лента, коригиране на температурните промени и т.н.
Отрицателната обратна връзка може да бъде отрицателна обратна връзка по напрежение или отрицателна обратна връзка по ток. И в двата случая обратната връзка по напрежение или ток е пропорционална на изхода.
Не трябва да се бъркаме между положителна и отрицателна обратна връзка. Положителната обратна връзка има тенденция да усилва промяната, докато отрицателната обратна връзка има тенденция да я намалява. Друга разлика е, че входните и изходните сигнали в положителната обратна връзка са във фаза и се добавят. В случай на отрицателна обратна връзка входните и изходните сигнали са извън фаза и се изваждат.
Активни устройства в усилвателя
Усилвателят се състои от някои активни устройства, които отговарят за процеса на усилване. Това може да бъде единичен транзистор, вакуумна тръба, твърдотелен компонент или която и да е част от интегралните схеми.
регистрирайте паметта
Нека обсъдим активните устройства и тяхната роля в процеса на усилване.
BJT
BJT е известен като a управлявани по ток устройство. Биполярните съединителни транзистори се използват като ключове за усилване на тока в усилвателите.
MOSFET
MOSFET или Металооксидни полупроводникови полеви транзистори обикновено се използват при усилване на електронни сигнали. MOSFET могат да се използват за промяна на проводимостта чрез контролиране на напрежението на портата. MOSFET може също да подобри силата на слабия сигнал. Следователно MOSFET могат да се използват като усилвател.
Лампови усилватели
Усилвателят с вакуумни тръби използва вакуумни тръби като изходно устройство. Използва се за увеличаване на амплитудата на сигнала. Под микровълновите честоти, ламповите усилватели бяха заменени от полупроводникови усилватели около края на 19thвек.
Микровълнови усилватели
Микровълновите усилватели обикновено се използват в микровълнови системи. Използва се за повишаване на нивото на входния сигнал с много малко изкривяване. Може също така да превключва или повишава електрическата мощност. Осигурява по-добър изход от едно устройство в сравнение с полупроводникови устройства при микровълнови честоти.
Магнитни усилватели
Магнитните усилватели са разработени през 20-теthвек за преодоляване на недостатъците (висок капацитет на тока и сила) на усилвателите с вакуумни тръби. Магнитните усилватели са подобни на транзисторите. Той контролира магнитната сила на сърцевината чрез захранване на управляващата намотка (друга намотка).
Интегрални схеми
Интегралните схеми могат да съдържат няколко електронни устройства, като кондензатори и транзистори. Популярността на IC също разпространи електронните устройства по целия свят.
Класове на усилватели на мощност
Класовете на усилвателите на мощност се класифицират като клас A, клас B, клас AB, и клас C . Нека обсъдим кратко описание на класовете усилватели на мощност.
Усилватели клас А
Входът на усилвателя клас А е малък, поради което изходът също е малък. Следователно, той не произвежда много усилване на мощността. С транзистори може да се използва като усилвател на напрежение. Усилвателите от клас А с вакуумни пентоди могат също да осигурят единичен етап на усилване на мощността за задвижване на товари, като високоговорители.
Клас B усилватели на мощност
BJT обикновено изискват усилватели от клас B за задвижване на товари, като например високоговорители. Входът на усилвателите от клас B е голям, поради което изходът също е много голям. По този начин той произвежда голямо усилване. Но в случай на единичен транзистор само половината от входния сигнал се усилва.
Усилватели на мощност клас AB
Конфигурацията на усилвателите на мощност AB е между усилвателите от клас A и клас B. Усилвателите от клас AB се произвеждат чрез комбиниране на високата мощност на усилвателите на мощност от клас B с ниското изкривяване на усилвателите на мощност от клас A.
В случай на малки изходи, усилвателят на мощност от клас AB може да се държи като клас A. Той може да се държи като усилвател на мощност от клас B в случай на много големи изходи.
Усилватели клас C
Проводимият елемент на усилвателите на мощност от клас C са транзисторите. Той има по-добра ефективност, но поради провеждането на по-малко от половин цикъл, причинява големи изкривявания. Следователно, усилвателите на мощност клас C не са предпочитани в аудио приложения. Общите приложения на такива усилватели включват радиочестотни вериги.
Свойства на усилвателя
Усилвателите се определят според техните входни и изходни свойства. Коефициентът на усилване на усилвателя определя неговото усилване. Следователно коефициентите на усилване и умножение са двете основни свойства на усилвателите.
Нека обсъдим свойствата, които се определят от различни параметри, които са изброени по-долу:
Печалбата на усилвателя се изчислява като съотношението на изхода (мощност, ток или напрежение) към входа. Той определя усилването на усилвателя. Например, сигнал с вход от 10 волта и изход от 60 волта ще има печалба от 6.
Усилване = Изход/Вход
Печалба = 60/10
Печалба = 6
Усилването се изразява в единица dB (децибели). Пасивните компоненти обикновено имат усилване по-малко от 1, докато активните компоненти имат усилване по-голямо от 1.
Ширината на честотната лента се определя като ширината, измерена в Херц от полезния честотен диапазон.
Честотен диапазон - Честотният диапазон обикновено се определя по отношение на честотната характеристика или честотната лента.
Шумът се определя като всеки нежелан сигнал, който действа като смущение в системата.
По-високата ефективност на един усилвател би довела до по-малко генериране на топлина и повече изходна мощност. Изчислява се като съотношение между изходната мощност и оползотворяването на общата мощност.
Скоростта на нарастване се измерва във волта за микросекунда. Определя се като максимална скорост на промяна на продукцията. Скорост на нарастване над звуковия обхват на усилвателя би довела до по-малко изкривяване и грешки.
Дефинира се като способността на усилвателя да произвежда точни копия на входния сигнал.
Веригите на усилвателя изискват да бъдат стабилни на всички налични честоти. Дефинира се като способността да се избегнат нежелани трептения в електронно устройство.
Функции на различни усилватели
Други видове усилватели имат различни характеристики. Нека обсъдим функцията на различните видове усилватели, използвани днес.
- The линейни усилватели не осигуряват перфектна линейна способност, защото нито един усилвател не е перфектен. Това се дължи на използването на усилващи устройства, като транзистори, които са нелинейни по природа. Тези устройства могат да произведат известна нелинейност. Линейните усилватели са по-малко склонни към изкривяване. Това означава, че линейните усилватели генерират по-малко изкривяване.
- Специално проектиран аудио усилватели може да усили звуковата честота.
- Теснолентовият усилвател усилва в тясната лента от честоти, докато широколентовите усилватели усилват в широк диапазон от честоти.
- The нелинейни усилватели произвеждат изкривяване в сравнение с линейните устройства. Но нелинейните устройства все още се използват днес. Примери за нелинейни усилватели са RF (радиочестотни) усилватели и др.
- Структурата на логаритмичен усилвател създава изход, пропорционален на логаритмичната стойност на своя вход. Веригата се състои от два диода и два операционни усилвателя (операционен усилвател).
Приложения на усилвател
Усилвателите се използват в различни приложения. Нека го обсъдим подробно.
Повторител на напрежението е известен също като усилвател с единно усилване . Той има много голям входен импеданс и много нисък изходен импеданс, което е основният принцип на буфериране действие. Инвертиращият извод на операционния усилвател е къс с изходния извод.
Това означава, че изходът е равен на входа. Нарича се повторител на напрежението, защото изходът на усилвателя следва входа.
Повторителят на напрежението не осигурява ефекти на натоварване, няма мощност и усилване на тока, което са неговите предимства.
Конструкцията на преобразувател на ток към напрежение е показана по-долу:
Където,
RT: Термистор или светлозависим резистор.
ТО: Текущ
RF: Резистор за обратна връзка
АКО: Ток на обратна връзка
глас: Изходно напрежение
Термисторът управлява операционния усилвател в неговия инвертиращ режим. Промяната в температурата води до промяна на съпротивлението на термистора. Той допълнително променя тока, преминаващ през него. Токът протича в изхода през резистора за обратна връзка като ток на обратна връзка, развиващ изходното напрежение. Тъй като токът на термистора е равен на тока на обратната връзка, можем да кажем, че изходното напрежение е пропорционално на тока на термистора.
По този начин входният ток се преобразува в изходно напрежение.
TWTA и Клистрон са често срещаните устройства, използвани като микровълнови усилватели. Ламповият усилвател с пътуваща вълна (TWTA) осигурява добро усилване дори при ниски микровълнови честоти. Това означава, че TWTA е предпочитан за усилване с висока мощност. Но клистроните са по-добре регулируеми в сравнение с TWTA.
Клистроните се използват и при микровълнови честоти за приложения с висока мощност. Но той осигурява широко регулируемо усилване в сравнение с TWTA. Освен това има тясна честотна лента в сравнение с TWTA.
Твърдотелни устройства , като MOSFET, диоди, полупроводникови материали (силиций, галий и др.), се използват при ниска мощност и микровълнови честоти в различни приложения. Например, мобилни телефони, преносими радиочестотни терминали и т.н. В такива приложения размерът и ефективността са основните фактори, които определят неговата способност и употреба. Използването на полупроводникови устройства в микровълновите усилватели също осигурява широка честотна лента.
Усилвателите се използват в различни музикални инструменти, като китари и дръм машини, за преобразуване на сигнала от различни източници (струни в китара и т.н.) в мощен електронен сигнал (усилвател на мощност), който произвежда звук. Звукът е достатъчно чуваем за публиката или хората наблизо. Изходът на някои музикални инструменти е свързан към високоговорителите за по-силен звук.
Инструменталните усилватели в музикалните инструменти също имат функция за настройка на сигнала, която позволява на изпълнителя да променя тона на сигнала.
Осцилаторните вериги се използват за генериране на електрически вълни с всяка желана честота, форма и мощност. Използването на усилватели в осцилатори осигурява постоянна изходна амплитуда и усилва честотата на обратната връзка.
Усилвателят, присъстващ във видео усилвателя, усилва сигнала, състоящ се от високочестотни компоненти. Освен това го предпазва от всякакво изкривяване. Видео усилвателите имат различна честотна лента според качеството на видео сигнала, като SDTV, HDTV, 1080pi и др.