Усилители электрических сигналов . Понятие, классификация и режимы работы усилителей

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про усилители электрических сигналов, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое усилители электрических сигналов, режимы работы усилителей, усилитель , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

усилители электрических сигналов понятие.

Под усилителем понимают устройство, в котором сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей гораздо большей мощности от источника питания (ИП) в нагрузку (Rн). Обобщенная схема включения усилителя приведена на рис. . Слева вход усилителя (выводы 1-1'), а справа выход (2-2'), к нему подключена нагрузка

усилитель ный каскад в режиме усиления электрических сигналов характеризуются следующие параметры:
1) Коэффициент усиления по напряжению : Ku = Um вых. /Um вх..
2) Коэф. усиления по току: KI = Im вых. /Im вх.
3) Коэффициент усиления по мощности: Kp = P вых. /P вх.= Ku . KI.
4) Входное сопротивление: Rвх = Um вх / Im вх
5) Выходное сопротивление: Rвых = Um вых х.х. / Im вых х.з.
6) Коэффициент полезной мощности: КПД = Pвых. m /2P0
Pвых. m - амлитудная выходная мощность, P0 – это мощность потребляемая от источника питания.

Усилители электрических сигналов Классификация.

1. По абсолютному значению усиливаемых частот.

2) По характеру входного сигнала:

1.Усилители непрерывных сигналов;

2. Усилители импульсных сигналов;

3) По назначению:

1.Усилители напряжения;

2. Усилители тока;

3. Усилители мощности;

4). По виду используемых активных элементов:

1.Усилители на электронно-вакуумных лампах (ЭВЛ);

2.Усилители на биполярных транзисторах (БТ);

3.Усилители на полевых транзисторах (ПТ);

4.Усилители на туннельных диодах (ТД);

5.Параметрические усилители.

6.Усилители на интегральных схемах;

5). По числу усилительных каскадов:

1.Однокаскадные;

2.Многокаскадные;

6). По виду связи между каскадами:

1.Усилители с RC-связью или с реостатно-емкостными связями (рис.8. ). Каскады 1 и 2 должны иметь общую точку нулевого потенциала. Такая связь возможна только в усилителях переменного тока.

2.Трансформаторная связь (рис.8. ). При трансформаторной связи передача сигнала от одного каскада к другому осуществляется с помощью трансформатора. Каскады могут не иметь общей точки нулевого потенциала. Такая связь возможна только в усилителях переменного тока.

3. Непосредственная или гальвантческая связь между каскадами (рис. ). Связь между каскадами осуществляется непосредственно или через резисторы. При такой связи каскады обязательно должны иметь общую точку нулевого потенциала и такая связь применима только в УПТ.

4.Оптронная связь (рис. ). При такой связи каскады могут не иметь общей точки нулевого потенциала. Такая связь применима в усилителях переме6нного тока и УПТ.

режимы работы усилителей

В зависимости от положения рабочей точки на графиках характеристик транзистора в режиме покоя (при отсутствии сигнала на входе), а также от величины усиливаемого сигнала на входе различают три основных режима работы усилительных каскадов, или классов усиления: А, В и С. Основными характеристиками этих режимов являются нелинейные искажения и КПД.
Режим А характеризуется тем, что рабочую точку в режиме покоя выбирают посередине на линейном участке входной и переходной характеристик (зависимости тока коллектора от тока базы). Так как в режиме А зависимость тока коллектора от тока базы практически линейна, то нелинейные искажения минимальны. Однако, вследствие того, что среднее значение тока коллектора много больше амплитуды усиленного тока, КПД таких усилителей невысокий не более 50%.

Рис. 1 Режим А

КПД усилителя определяется отношением выходной мощности к потребляемой усилителем мощности от источника питания:


где IKm, UKm – амплитудные значения усиленных коллекторного тока и напряжения; IK0, UK0 – коллекторный ток и напряжение в режиме покоя.

В режиме В рабочая точка находится при напряжении отсечки на входной характеристике (в начале переходной характеристики), рис 2.


Рисунок 2. Схема реализации режима В

В режиме В ток через коллектор протекает лишь в положительные полупериоды, когда открывается переход эмиттер-база. Если входной сигнал имеет форму синусоиды, то выходной сигнал будет иметь форму полусинусоиды. Очевидно, что нелинейные искажения в режиме В очень большие, однако КПД значительно выше режима А, так как ток покоя практически равен нулю. Режим В используется как правило в двухтактных усилителях мощности. КПД h=0,8- 0,5.

Такой класс используют в двухтактных усилителях, где положительную полуволну усиливает один транзистор, а отрицательную другой.

Двухтактный усилительный каскад класса В. Но на выходе усилителя работающего в данном классе мы имеем искажение. Данное искажение называется «Ступенькой».

Для устранения данного искажения нужно перейти к классу АВ. На рисунке ниже показаны два класса усилителя В и АВ и их выходные сигналы относительно входным.

Режим С отличается от режима В тем, что рабочая точка в этом случае выбирается при входном напряжении, запирающем входной p-n переход до напряжения, несколько меньшего амплитудного значения переменного входного напряжения, рис 3.


Рис 3 Схема реализации режима С.
Режим С характеризуется наибольшими искажениями усиливаемого сигнала и наибольшим КПД. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Он используется в основном в автогенераторах

Усилители Класса D

Принцип действия класа D. В данном режиме работы, транзистор либо открыт либо полностью заперт. Это достигается с помошью модулятора ШИМ сигнала. Именно это дает такому каскаду кпд свыше 90% (практически на любых мощностях).

Рис. . Блок-схема усилителя класса D без обратной связи

Рисунок . Типовая структурная схема усилителя класса D

. Рисунок . Внутренняя схема микросхемы SSM2317

Минусом данного каскада являются искажения. Они вознакают из-за способа модуляции так-как существует «мертвый» период который необходим для предотвращения сквозных утечек.

Рис. Линейный выходной КМОП-каскад Переключение транзисторов выходного каскада по принципу «отключил перед тем как включил»

Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ).

Способы модуляции в усилителях D

Модуляторы в усилителях D класса могут выполняться многими способами, что отражает большое количество соответствующих разработок. В данной статье будут представлены основные концепции построения модуляторов.

Все способы модуляции в классе D кодируют аудиосигнал в поток импульсов. Обычно ширина импульсов связана с амплитудой звукового сигнала, спектр импульсов при этом включает полезный звуковой сигнал и нежелательную (но неизбежную) высокочастотную (ВЧ) составляющую. Общая мощность высокочастотной составляющей во всех схемах примерно одинакова, так как практически одинакова мощность импульсов, а согласно теореме полноты суммарная мощность сигнала во временной области равна таковой в частотной области. Однако распределение энергии по частоте варьируется широко: в некоторых случаях это выраженные ВЧ-тоны над низким шумовым фоном, тогда как в других распределение таково, что тоны отсутствуют при более высоком основном фоне.

Наиболее общим способом модуляции является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Суть ее заключается в том, что звуковой сигнал сравнивается с сигналом треугольной или пилообразной формы фиксированной частоты (несущей). Получается поток импульсов той же частоты, при этом длительность каждого импульса пропорциональна величине звукового сигнала. В примере на рис. 7 аудиосигнал и треугольные импульсы центрированы относительно 0 В, тогда при 0 В на аудиовходе скважность выходных импульсов составит 50%. При большом положительном входном сигнале скважность будет около 100%, при большом отрицательном — около 0%. Если амплитуда звукового сигнала превысит амплитуду треугольных импульсов, получим полную модуляцию, когда переключение прекращается, скважность составит 0% или 100%.

Рис. Широтно-импульсная модуляция

Способ ШИМ предпочтительнее потому, что может обеспечить до 100 дБ и выше подавление помехи источника питания при достаточно низкой частоте несущей — в несколько сотен килогерц, что дает возможность ограничения потерь при переключении выходного каскада. Кроме того, многие ШИМ устойчивы почти до 100%-ной модуляции, что обеспечивает стабильность работы усилителя на максимальных мощностях, вблизи области перегрузки. Тем не менее, ШИМ имеет и некоторые минусы. Во-первых, вследствие своей собственной природы, искажения вносит сам процесс ШИМ [4], во-вторых, гармоники несущей ШИМ дают помехи в радиодиапазоне длинных и средних волн, наконец, ширина импульсов ШИМ становится очень малой вблизи полной модуляции. Это в большинстве случаев вызывает проблемы в цепях управления выходным каскадом — из-за естественных ограничений процесс переключения не может быть настолько быстрым, чтобы получать импульсы длительностью в единицы наносекунд.

Поэтому полная модуляция часто недостижима в усилителях с ШИМ, что ограничивает максимальную мощность значениями ниже теоретических, учитывающих лишь мощность источника питания, сопротивление включенного транзистора и эквивалентное сопротивление громкоговорителя.

Альтернативой ШИМ является модуляция плотностью импульсов (МПИ), когда число импульсов за определенный отрезок времени пропорционально среднему значению звукового сигнала. Ширина отдельного импульса не является определяющей, как в ШИМ, вместо этого импульсы «квантованы» кратно периоду генерации модулятора. Одной из разновидностей МПИ является 1-битный сигма-дельта модулятор.

Значительная часть ВЧ составляющей мощности сигма-дельта модулятора распределена в широком диапазоне частот без концентрации в отдельные тоны с частотами, кратными несущей, как это происходит в ШИМ. Это дает преимущество сигма-дельта модуляции по сравнению с ШИМ в плане электромагнитных помех. Некоторая составляющая на частоте дискретизации в методе МПИ все же имеется, однако, учитывая, что типичные значения частоты составляют от 3 до 6 МГц, что значительно выше звукового диапазона, эти тоны сильно подавляются LC-фильтром нижних частот. Другим преимуществом сигма-дельта модулятора является то, что минимальная длительность импульса составляет один период дискретизации даже при больших сигналах, близких к условию полной модуляции. Это упрощает конструкцию цепей управления выходным каскадом и обеспечивает их надежную работу вплоть до теоретически максимального уровня мощности. Несмотря на это, обычные 1-битные сигма-дельта модуляторы не слишком часто используются в усилителях D класса [4], поскольку они обеспечивают лишь до 50% модуляции, и выход по мощности ограничен. Кроме того, для достижения приемлемого отношения сигнал/шум в звуковой полосе частот требуется не менее, чем 64-кратная передискретизация, что соответствует частоте импульсов минимум 1 МГц.

В последнее время были предложены усилители на основе автогенератора [5]. В этих усилителях всегда используется обратная связь, определяющая частоту переключения модулятора, при этом внешний задающий генератор не применяется. Спектр ВЧ составляющей, как правило, более равномерен, чем в ШИМ. Благодаря обратной связи в данном случае возможно высокое качество звука, однако контур является автоколебательным, поэтому его трудно синхронизировать с какой-либо другой колебательной системой или соединить с цифровым источником звука без предварительного преобразования в аналоговый.

Рис. 3. Мостовое построение выходного каскада с фильтром нижних частот

На рис. 3 показано мостовое построение выходного каскада и LC-фильтра в усилителе класса D. Мост имеет два плеча, выдающих импульсы противоположной полярности на фильтр, состоящий из двух индуктивностей и двух емкостей. Каждое плечо моста содержит два выходных транзистора: верхнее плечо — транзистор, соединенный с положительной шиной питания (MH), и нижнее плечо — транзистор, соединенный с отрицательной шиной питания (ML). Верхнее плечо на рис. 3 образовано pМОП-транзистором. Для этой цели часто используют nМОП-транзистор, что позволяет уменьшить площадь и емкость, однако в этом случае необходима особая техника управления затворами транзисторов [1].

В мостовой схеме (рис. 3) для снижения электромагнитных помех может использоваться 3-ступенчатая модуляция. При работе мостового усилителя в обычном дифференциальном режиме плечо A должно находиться в противофазе с плечом B. Используется два состояния моста: плечо A подключено к положительной шине, плечо B— к отрицательной, и наоборот. В общем случае существует еще два состояния, в которых оба плеча моста находятся в одинаковых состояниях (оба подключены к положительной шине или оба к отрицательной). Одно из этих синфазных состояний может быть использовано наряду с дифференциальными для 3-ступенчатой модуляции, когда на дифференциальном входе LC-фильтра может быть положительный сигнал, нулевой или отрицательный. Нулевое состояние может использоваться как соответствующее низкому уровню мощности вместо переключения между положительными и отрицательными уровнями в 2-ступенчатой схеме. При нулевом состоянии снижается дифференциальная электромагнитная помеха на LC-фильтре, хотя, в то же время, увеличивается синфазная составляющая. Этот режим возможен только при малых выходных мощностях, так как лишь дифференциальные выходные сигналы способны обеспечить работу такой схемы на максимальной мощности. Схемы с переменным уровнем синфазного напряжения в 3-ступенчатой модуляции представляют в некоторой степени альтернативу усилителям с замкнутой обратной связью.

Уменьшение электромагнитных помех (ЭМП)

ВЧ-компоненты выхода усилителя класса D заслуживают отдельного рассмотрения.

При недостаточном понимании процессов и отсутствии адекватных мер эти части системы могут давать сильные ЭМП и мешать работе остального оборудования. Необходимо учесть два вида ЭМП: сигналы, излучаемые в пространство, и те, которые распространяются по проводам громкоговорителя и питающей сети. Спектры излучаемых ЭМП и тех, которые распространяются по проводам, определяет схема модуляции усилителя класса D. Однако существуют схемотехнические решения, позволяющие значительно снизить уровень ЭМП усилителя.

Весьма полезное правило заключается в минимизации размеров петли обратной связи, по которой протекают высокочастотные токи, так как воздействие ЭМП на другие цепи определяется площадью петли и расстоянием до них. Например, весь LC-фильтр, включая проводку громкоговорителя, должен размещаться как можно более компактно и близко к усилителю. Для уменьшения площади петель провода каждой из цепей должны размещаться ближе друг к другу (не лишней будет витая пара для проводки громкоговорителя).

Следует обратить внимание и на большие зарядные токи, возникающие при переключении выходных каскадов. Это происходит из-за наличия выходных емкостей, образующих петлю тока, содержащую обе емкости. ЭМП в данном случае зависят от уменьшения площади этой петли, что означает минимальные расстояния от емкостей до транзисторов, которые их заряжают.

В некоторых случаях бывают полезны ВЧ-дроссели, включенные последовательно с питанием усилителя. Правильно размещенные, они способны «запереть» зарядовые ВЧ-токи в локальных участках цепей усилителя и не давать им распространяться на значительные расстояния по шинам питания. Если время простоя схемы управления затворами выходных транзисторов достаточно велико, индуктивные токи громкоговорителя или LC-фильтра могут сместить в прямом направлении паразитные диоды у выводов выходных транзисторов. При включении управления смещение на диодах сменится на обратное. При смене смещения диодов на обратное могут иметь место большие выбросы тока, что создает дополнительный источник ЭМП. Для ослабления этого типа помех нужно минимизировать время простоя выходного каскада (это полезно и для уменьшения искажений). Если же этого недостаточно, необходимо включать диоды Шоттки параллельно паразитным диодам для отвода токов и предотвращения включения паразитных диодов. Это помогает благодаря специфическим свойствам, присущим диодам Шоттки.

LC-фильтры с тороидальными сердечниками, хорошо концентрирующими магнитное поле, также способствуют уменьшению электромагнитного излучения. Излучение от более дешевых, цилиндрических сердечников может быть снижено при помощи экранирования — разумного компромисса между ценой и ЭМ-помехами. В этом случае должны быть приняты меры для того, чтобы экранирование не ухудшило линейность индуктивности и таким образом снизило качество звука до неприемлемого уровня.

Конструкция LC-фильтра

Для уменьшения габаритов и стоимости системы большинство LC-фильтров для усилителей класса D представляют собой фильтры низких частот второго порядка. На рис. 3 представлена мостовая версия LC-фильтра второго порядка. Громкоговоритель позволяет предотвратить внутренний резонанс выходной цепи. Хотя импеданс громкоговорителя часто аппроксимируется простым резистором, его структура более сложна и содержит существенную реактивную составляющую. Чтобы грамотно спроектировать фильтр, необходимо использовать точную модель громкоговорителя.

При конструировании фильтра основной проблемой является наиболее узкая полоса пропускания с минимальным спадом в области верхних звуковых частот. Типичный фильтр имеет характеристику Баттерворта в 40 кГц для достижения максимальной равномерности характеристики в полосе пропускания). Данные таблицы 1 дают возможность построения фильтров с характеристикой Баттерворта для громкоговорителей с типичными импедансами и стандартных значений L и C.

Рис. Мощность рассеяния выходных каскадов классов A, B и D

Рис. Выход по мощности усилителей классов A, B и D

Усилители класса G и H

Сначала поговорим о питании усилителей. Для получения большой мощности, необходимо иметь большое напряжение питания.

Но сигнал входной и соответственно выходной не всегда обладают большой амплитудой и на маленькой мощности большое напряжение питания не является необходимым, более того КПД данного усилителя на маленькой мощности падает.

Отсюда и вытекают классы усилителей G и H.

Отличие данных усилителей заключается в питании, напряжение которого меняется при необходимости, а в зависимости какой класс G или H оно меняется либо ступенчато, либо плавно.

В усилителе класса H напряжение питания меняется плавно то есть транзисторы находятся в усилительном режиме, а в классе G оно меняется ступенчато, транзисторы в данном классе находятся в ключевом режиме (полностью открыты или полностью заперты).

Усилитель класса H

Усилитель класса G

Вывод: Усилители для комфортного прослушивания звукового тракта в домашних условиях должны работать в классе А, АB или D.

Анализ усилительных каскадов при различных схемах включения

1. Схема с общей базой (ОБ)

2. схема с общим эмиттером

.3. схема с общим колектором

Схему с ОК называют эмиттерным повторителем. В схеме такого каскада возникает 100% последовательно- параллельная отрицательная обратная связь. Благодаря этому эмитерный повторитель имеет следующие параметры:

1)Rвх - высокое 4)KJ>1

2)Rвых -малое 5)Kp=KUKJ>1

3)Ku≤1

Статью про усилители электрических сигналов я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое усилители электрических сигналов, режимы работы усилителей, усилитель и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база