Pochopenie obvodov zosilňovača

Zosilňovač možno všeobecne definovať ako obvod navrhnutý na zosilnenie použitého vstupného signálu s nízkym výkonom na výstupný signál s vysokým výkonom, podľa špecifikovaného výkonu komponentov.

Aj keď základná funkcia zostáva rovnaká, bolo možné zosilňovače klasifikovať do rôznych kategórií v závislosti od ich konštrukcie a konfigurácie.

Obvody na zosilnenie logických vstupov

Možno ste sa stretli s jednotlivými tranzistorovými zosilňovačmi, ktoré sú nakonfigurované na prevádzku a zosilňovanie logiky nízkeho signálu zo vstupných snímacích zariadení, ako sú napr. LDR, fotodiódy , IR zariadenia. Výstup z týchto zosilňovačov sa potom použije na prepínanie a žabky alebo relé ON / OFF v reakcii na signály zo senzorových zariadení.

Možno ste videli aj malé zosilňovače, ktoré sa používajú na predzosilnenie hudobného alebo zvukového vstupu alebo na prevádzku LED žiarovky.
Všetky tieto malé zosilňovače sú kategorizované ako malé zosilňovače signálu.

Typy zosilňovačov

Primárne sú zabudované zosilňovacie obvody na zosilnenie hudobnej frekvencie tak, že napájaný malý hudobný vstup je zosilnený do mnohých skladieb, zvyčajne 100-krát až 1 000-krát, a reprodukovaný cez reproduktor.

V závislosti na ich príkone alebo výkone môžu mať tieto obvody návrhy od malých zosilňovačov signálu založených na operačných zosilňovačoch až po veľké zosilňovače signálu, ktoré sa tiež nazývajú zosilňovače výkonu. Tieto zosilňovače sú technicky klasifikované na základe ich pracovných princípov, stupňov obvodu a spôsobu, akým sú ktoré môžu byť nakonfigurované na spracovanie funkcie zosilnenia.

Nasledujúca tabuľka poskytuje podrobnosti o klasifikácii zosilňovačov na základe ich technických špecifikácií a princípu činnosti:

V základnom prevedení zosilňovača zistíme, že väčšinou obsahuje niekoľko stupňov so sieťami bipolárnych tranzistorov alebo BJT, tranzistorov s efektom poľa (FET) alebo operačných zosilňovačov.

Bolo vidieť, že také bloky alebo moduly zosilňovača majú pár svoriek na napájanie vstupného signálu a ďalšiu dvojicu svoriek na výstupe na získavanie zosilneného signálu cez pripojený reproduktor.

Jedným z terminálov z týchto dvoch sú uzemňovacie terminály a môže sa považovať za spoločné vedenie cez vstupný a výstupný stupeň.

Tri vlastnosti zosilňovača

Tri dôležité vlastnosti, ktoré by mal mať ideálny zosilňovač, sú:

• Vstupný odpor (plákanie)
• Výstupný odpor (smer)
• Zisk (A), čo je rozsah zosilnenia zosilňovača.

Pochopenie funkčnosti ideálneho zosilňovača

Rozdiel v zosilnenom signáli medzi výstupom a vstupom sa nazýva zisk zosilňovača. Je to veľkosť alebo veľkosť, o ktorú je zosilňovač schopný zosilniť vstupný signál cez svoje výstupné svorky.

Vezmime si napríklad, že ak je zosilňovač dimenzovaný na spracovanie vstupného signálu 1 volt do zosilneného signálu 50 voltov, potom by sme povedali, že zosilňovač má zisk 50, je to také jednoduché.
Toto vylepšenie nízkeho vstupného signálu na vyšší výstupný signál sa nazýva zisk zosilňovača. Alternatívne to možno chápať ako zvýšenie vstupného signálu o faktor 50.

Ziskový pomer Zisk zosilňovača je teda v podstate pomer výstupných a vstupných hodnôt úrovní signálu, alebo jednoducho výstupný výkon vydelený vstupným výkonom, a je mu pridelené písmeno „A“, ktoré tiež označuje zosilňovací výkon zosilňovača.

Druhy zosilňovačov Rôzne typy zosilnení zosilňovača možno klasifikovať ako:

1. Zisk napätia (vypnutý)
2. Aktuálny zisk (Ai)
3. Zisk napájania (Ap)

Príklady vzorcov na výpočet ziskov zosilňovača V závislosti od vyššie uvedených 3 typov ziskov sa vzorce na ich výpočet dajú naučiť z nasledujúcich príkladov:

1. Zisk napätia (Av) = výstupné napätie / vstupné napätie = Vout / Vin
2. Zisk prúdu (Ai) = výstupný prúd / vstupný prúd = vstup / výstup
3. Zisk energie (Ap) = Av.x.A i

Na výpočet energetického zisku môžete tiež použiť vzorec:
Zisk energie (Ap) = výstupný výkon / vstupný výkon = výstup / výstup

Bolo by dôležité poznamenať, že dolný index p, v, i použité na výpočet výkonu sú priradené na identifikáciu konkrétneho typu zosilnenia signálu, na ktorom sa pracuje.

Vyjadrovanie Decibelov

Nájdete inú metódu vyjadrenia energetického zisku zosilňovača, ktorá je v decibeloch alebo (dB).
Miera alebo množstvo Bel (B) je logaritmická jednotka (základňa 10), ktorá nemá jednotku merania.
Decibel však môže byť pre praktické použitie príliš veľká jednotka, preto pre výpočty zosilňovača používame decibel (dB) v zníženej verzii.
Tu je niekoľko vzorcov, ktoré možno použiť na meranie zosilnenia zosilňovača v decibeloch:

1. Zisk napätia v dB: vypnutý = 20 * protokol (vypnutý)
2. Aktuálny zisk v dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Zisk energie v dB: ap = 10 * log (Ap)

Niektoré fakty o meraní dB
Je dôležité poznamenať, že zisk jednosmerného prúdu zosilňovača je 10-násobok bežného logaritmu jeho pomeru výstup / vstup, zatiaľ čo zisky prúdu a napätia sú 20-násobok bežného logaritmu ich pomerov.

To znamená, že pretože sa jedná o logaritmickú stupnicu, nie je možné považovať zisk 20dB za dvojnásobok 10dB kvôli nelineárnej charakteristike merania logaritmických stupníc.

Keď sa zisk meria v dB, pozitívne hodnoty znamenajú zosilnenie zosilňovača, zatiaľ čo záporná hodnota dB označuje stratu zosilnenia zosilňovača.

Napríklad ak je identifikovaný zisk + 3dB, znamená to 2-násobný alebo x2 zisk konkrétneho výstupu zosilňovača.

Naopak, ak je výsledok -3 dB, znamená to, že zosilňovač má stratu 50% zisku alebo mieru straty 0,5%. Toto sa tiež označuje ako bod s polovičným výkonom, čo znamená o -3 dB nižší ako maximálny dosiahnuteľný výkon, vzhľadom na 0 dB, čo je maximálny možný výstup zo zosilňovača.

Výpočet zosilňovačov

Vypočítajte napätie, prúd a zosilnenie výkonu zosilňovača s nasledujúcimi špecifikáciami: Vstupný signál = 10 mV @ 1 mA Výstupný signál = 1 V @ 10 mA. Zisk zosilňovača navyše zistíte pomocou hodnôt decibelov (dB).

Riešenie:

Pomocou vyššie naučených vzorcov môžeme vyhodnotiť rôzne typy zosilnení spojených so zosilňovačom podľa konkrétnych špecifikácií vstupného výstupu:

Zisk napätia (Av) = výstupné napätie / vstupné napätie = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Zisk prúdu (Ai) = výstupný prúd / vstupný prúd = vstup / výstup = 10/1 = 10
Zisk energie (Ap) = priem. x A i = 100 x 10 = 1 000

Na získanie výsledkov v decibeloch použijeme príslušné vzorce uvedené nižšie:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30 dB

Členenie zosilňovača

Malé zosilňovače signálu: Pokiaľ ide o výkonové a napäťové zosilnenie zosilňovača, je možné ich rozdeliť do niekoľkých rôznych kategórií.

Prvý typ sa označuje ako malý zosilňovač signálu. Tieto malé zosilňovače signálu sa všeobecne používajú v predzosilňovacích stupňoch, prístrojových zosilňovačoch atď.

Tieto typy zosilňovačov sú vytvorené na spracovanie úrovní minimálneho signálu na ich vstupoch v rozsahu niektorých mikro voltov, napríklad zo senzorových zariadení alebo vstupov malých zvukových signálov.

Veľké zosilňovače signálu: Druhý typ zosilňovačov sa nazýva veľké zosilňovače signálu a ako už z názvu vyplýva, používajú sa v aplikáciách výkonových zosilňovačov na dosiahnutie obrovských rozsahov zosilnenia. V týchto zosilňovačoch je vstupný signál relatívne väčší, takže je možné ich podstatne zosilniť na ich reprodukciu a prevedenie do výkonných reproduktorov.

Ako fungujú zosilňovače výkonu

Pretože malé zosilňovače signálu sú určené na spracovanie malých vstupných napätí, sú označované ako malé zosilňovače signálu. Ak je však od zosilňovača vyžadované, aby na svojich výstupoch pracoval s aplikáciami s vysokým spínacím prúdom, ako je napríklad prevádzka motora alebo prevádzka subwooferov, výkonový zosilňovač sa stáva nevyhnutným.

Najpopulárnejšie sú výkonové zosilňovače používané ako zvukové zosilňovače na napájanie veľkých reproduktorov a na dosiahnutie obrovských zosilnení a objemových výstupov hudby.

Výkonový zosilňovač vyžaduje pre svoju prácu externý jednosmerný prúd a tento jednosmerný výkon sa využíva na dosiahnutie plánovaného vysokého výkonového zosilnenia na ich výstupe. Jednosmerný prúd sa zvyčajne získava prostredníctvom vysokonapäťových vysokonapäťových napájacích zdrojov cez transformátory alebo jednotky založené na SMPS.

Aj keď sú výkonové zosilňovače schopné zosilniť dolný vstupný signál na vysoko výstupné signály, postup nie je skutočne veľmi efektívny. Je to preto, že v procese sa stráca veľké množstvo jednosmerného prúdu vo forme rozptylu tepla.

Vieme, že ideálny zosilňovač by produkoval výstup takmer rovný spotrebovanej energii, čo by malo za následok účinnosť 100%. Prakticky to však vyzerá dosť vzdialene a nemusí to byť možné, kvôli inherentným stratám jednosmerného prúdu z napájacích zariadení vo forme tepla.

Účinnosť zosilňovača Z vyššie uvedených úvah môžeme efektivitu zosilňovača vyjadriť ako:

Účinnosť = Výstupný výkon zosilňovača / Spotreba jednosmerného zosilňovača = Pout / Pin

Ideálny zosilňovač

S odvolaním sa na vyššie uvedenú diskusiu je možné uviesť hlavné charakteristiky ideálneho zosilňovača. Konkrétne sú vysvetlené nižšie:

Zisk (A) ideálneho zosilňovača by mal byť konštantný bez ohľadu na meniaci sa vstupný signál.

1. Zisk zostáva konštantný bez ohľadu na frekvenciu vstupného signálu, čo umožňuje, aby výstupné zosilnenie zostalo nedotknuté.
2. Na výstupe zosilňovača počas procesu zosilňovania nie je prítomný žiadny druh šumu, naopak obsahuje funkciu redukcie šumu, ktorá eliminuje možný šum zavedený cez vstupný zdroj.
3. Zostáva nedotknutá zmenami teploty okolia alebo atmosférickej teploty.
4. Dlhodobé používanie má minimálny alebo žiadny vplyv na výkon zosilňovača a zostáva konzistentné.

Klasifikácia elektronického zosilňovača

Či už ide o napäťový zosilňovač alebo výkonový zosilňovač, tieto sú klasifikované na základe ich charakteristík vstupného a výstupného signálu. To sa deje analýzou toku prúdu vzhľadom na signál vstupného signálu a čas potrebný na jeho dosiahnutie výstupu.

Na základe konfigurácie ich obvodov je možné výkonové zosilňovače kategorizovať v abecednom poradí. Sú zaradení do rôznych prevádzkových tried, ako napríklad:

Trieda „A“
Trieda „B“
Trieda „C“
Trieda „AB“ atď.

Môžu mať vlastnosti od takmer lineárnej výstupnej odozvy, ale skôr nízku účinnosť až po nelineárnu výstupnú odozvu s vysokou účinnosťou.

Žiadnu z týchto tried zosilňovačov nemožno rozlíšiť ako slabšiu alebo lepšiu ako každá iná, pretože každá z nich má svoju špecifickú oblasť použitia v závislosti od požiadavky.

Pre každú z nich nájdete optimálnu účinnosť konverzie a ich popularitu možno zistiť v nasledujúcom poradí:

Zosilňovače triedy „A“: Účinnosť je zvyčajne nižšia ako 40%, ale môže vykazovať zlepšený lineárny výstup signálu.

Zosilňovače triedy „B“: Miera účinnosti môže byť dvojnásobná ako v prípade triedy A, prakticky okolo 70%, v dôsledku skutočnosti, že iba aktívne zariadenia zosilňovača spotrebúvajú energiu, čo spôsobuje iba 50% využitie energie.

Zosilňovače triedy „AB“: Zosilňovače v tejto kategórii majú úroveň účinnosti niekde na úrovni triedy A a triedy B, ale reprodukcia signálu je v porovnaní s triedou A horšia.

Zosilňovače triedy „C“: Považujú sa za mimoriadne efektívne z hľadiska spotreby energie, ale reprodukcia signálu je najhoršia s veľkým skreslením, čo spôsobuje veľmi zlú replikáciu charakteristík vstupného signálu.

Ako fungujú zosilňovače triedy A:

Zosilňovače triedy A majú v aktívnej oblasti ideálne predpäté tranzistory, čo umožňuje presné zosilnenie vstupného signálu na výstupe.

Kvôli tejto perfektnej vlastnosti predpätia sa tranzistor nikdy nesmie posúvať smerom k svojim odrezaným alebo nad saturačným oblastiam, čo vedie k tomu, že zosilnenie signálu je správne optimalizované a centrované medzi zadané horné a dolné obmedzenie signálu, ako je znázornené v nasledujúcom obrázok:

V konfigurácii triedy A sú rovnaké sady tranzistorov aplikované na dve polovice výstupného priebehu. A v závislosti na použitom predpätí sa výstupné výkonové tranzistory vždy zobrazia v zapnutej polohe, bez ohľadu na to, či je alebo nie je vstupný signál použitý.

Z tohto dôvodu majú zosilňovače triedy A extrémne nízku účinnosť z hľadiska spotreby energie, pretože skutočné dodávanie energie na výstup je obmedzené z dôvodu nadmerného plytvania stratou zariadenia.

Pri vyššie vysvetlenej situácii je vidieť, že zosilňovače triedy majú vždy prehriaté výkonové tranzistory aj pri absencii vstupného signálu.

Aj keď nie je k dispozícii žiadny vstupný signál, jednosmerný prúd (Ic) zo zdroja napájania môže tiecť cez výkonové tranzistory, čo sa môže rovnať prúdu, ktorý preteká reproduktorom, keď bol prítomný vstupný signál. To vedie k vzniku nepretržitých „horúcich“ tranzistorov a plytvaniu energiou.

Prevádzka zosilňovača triedy B

Na rozdiel od konfigurácie zosilňovača triedy A, ktorá závisí od jednotlivých výkonových tranzistorov, trieda B používa dvojicu doplnkových BJT cez každú polovičnú časť obvodu. Môžu to byť NPN / PNP alebo M-kanály s N-kanálom / M-kanály s P-kanálom).

Tu sa môže jednému z tranzistorov umožniť vedenie v reakcii na cyklus jednej polovice krivky vstupného signálu, zatiaľ čo druhý tranzistor zvláda druhú polovicu cyklu krivky.

To zaisťuje, že každý tranzistor v páre vedie po polovicu času v aktívnej oblasti a polovicu času v medznej oblasti, čo umožňuje iba 50% zapojenie do zosilnenia signálu.

Na rozdiel od zosilňovačov triedy A, v zosilňovačoch triedy B nie sú výkonové tranzistory predpäté priamym jednosmerným prúdom, namiesto toho konfigurácia zaisťuje ich vedenie iba vtedy, keď je vstupný signál vyšší ako napätie základného emitora, čo by mohlo byť pri kremíkových BJT okolo 0,6V.

To znamená, že keď nie je žiadny vstupný signál, BJT zostanú vypnuté a výstupný prúd je nulový. Z tohto dôvodu je iba 50% vstupného signálu dovolené vstúpiť na výstup v každom prípade, čo umožňuje oveľa lepšiu mieru účinnosti týchto zosilňovačov. Výsledok možno vidieť na nasledujúcom diagrame:

Pretože v predpätiach výkonových tranzistorov v zosilňovačoch triedy B neexistuje priame zapojenie jednosmerného prúdu, aby sa iniciovalo vedenie v reakcii na každú polovicu +/- cyklov kriviek, je pre ich základňu / vysielač nevyhnutné. Vbe získať vyšší potenciál ako 0,6 V (štandardná hodnota základného predpätia pre BJT)

Z vyššie uvedeného vyplýva, že zatiaľ čo výstupný priebeh je pod značkou 0,6 V, nemožno ho zosilniť a reprodukovať.

To vedie k skreslenej oblasti výstupného tvaru vlny, práve v období, keď sa jeden z BJT vypne a čaká, kým sa druhý opäť zapne.

To vedie k tomu, že malá časť tvaru vlny bude vystavená menšiemu skresleniu počas obdobia prechodu alebo prechodu v blízkosti prechodu nulou, presne vtedy, keď dôjde k prechodu z jedného tranzistora na druhý cez komplementárne páry.

Prevádzka zosilňovača triedy AB

Zosilňovač triedy AB je vyrobený pomocou kombinácie charakteristík z obvodov triedy A a triedy B, odtiaľ pochádza aj názov triedy AB.

Aj keď dizajn triedy AB pracuje aj s dvojicou komplementárnych BJT, koncový stupeň zaisťuje, že predpätie výkonových BJT je riadené blízko prahovej hodnoty, pri absencii vstupného signálu.

V tejto situácii, akonáhle je zaznamenaný vstupný signál, tranzistory začnú pracovať normálne vo svojej aktívnej oblasti, čím zabraňujú akejkoľvek možnosti krížového skreslenia, ktoré zvyčajne prevláda v konfiguráciách triedy B. Môže však existovať mierne množstvo kolektorového prúdu vedúceho cez BJT, v porovnaní s návrhmi triedy A ho možno považovať za zanedbateľné.

Zosilňovač triedy AB vykazuje oveľa lepšiu mieru účinnosti a lineárnu odozvu na rozdiel od náprotivku triedy A.

Výstupná krivka zosilňovača triedy AB

Trieda zosilňovača je dôležitým parametrom, ktorý závisí od toho, ako sú tranzistory predpäté cez amplitúdu vstupného signálu, na implementáciu procesu zosilnenia.

Spolieha sa na to, aká veľká časť krivky vstupného signálu sa využije na vedenie tranzistorov, a tiež faktor účinnosti, ktorý je určený množstvom energie skutočne použitej na dodanie výstupu a / alebo stratou stratou.

S ohľadom na tieto faktory môžeme konečne vytvoriť porovnávaciu správu, ktorá ukazuje rozdiely medzi rôznymi triedami zosilňovačov, ako je uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Potom môžeme vykonať porovnanie najbežnejších typov klasifikácií zosilňovačov v nasledujúcej tabuľke.

Triedy výkonových zosilňovačov

Záverečné myšlienky

Ak zosilňovač nie je navrhnutý správne, napríklad návrh zosilňovača triedy A, môže vyžadovať značné chladenie výkonových zariadení spolu s chladiacimi ventilátormi. Takéto konštrukcie budú tiež vyžadovať väčšie vstupy napájacieho zdroja na kompenzáciu obrovského množstva energie stratenej teplom. Všetky tieto nevýhody môžu spôsobiť, že tieto zosilňovače budú veľmi neúčinné, čo by zase mohlo spôsobiť postupné zhoršovanie stavu zariadení a nakoniec zlyhanie.

Preto môže byť vhodné zvoliť zosilňovač triedy B navrhnutý s vyššou účinnosťou okolo 70% oproti 40% zosilňovača triedy A. Z tohto dôvodu môže zosilňovač triedy A sľubovať lineárnejšiu odozvu so svojím zosilnením a širšiu frekvenčnú odozvu, aj keď to má cenu podstatného plytvania energiou.