Înțelegerea circuitelor amplificatorului

În general, un amplificator poate fi definit ca un circuit conceput pentru a crește un semnal de intrare de putere redusă aplicat într-un semnal de ieșire de mare putere, conform clasificării specificate a componentelor.

Deși, funcția de bază rămâne aceeași, amplificatoarele ar putea fi clasificate în categorii diferite, în funcție de design și configurații.

Circuite pentru amplificarea intrărilor logice

Este posibil să fi întâlnit amplificatoare cu tranzistor unic, care sunt configurate să funcționeze și să amplifice o logică de semnal scăzută de la dispozitive de detectare a intrării, cum ar fi LDR-uri, fotodiode Dispozitive IR. Ieșirea de la aceste amplificatoare este apoi utilizată pentru comutarea unui șlap sau un releu PORNIT / OPRIT ca răspuns la semnalele de la dispozitivele senzor.

Este posibil să fi văzut și amplificatoare minuscule care sunt utilizate pentru pre-amplificarea unei intrări muzicale sau audio sau pentru acționarea unei lămpi cu LED-uri.
Toate acestea amplificatoare mici sunt clasificate ca amplificatoare de semnal mici.

Tipuri de amplificatoare

În primul rând, circuitele de amplificare sunt încorporate pentru amplificarea unei frecvențe de muzică, astfel încât intrarea de muzică mică alimentată este amplificată în multe pliuri, în mod normal de 100 de ori până la 1000 de ori și reprodusă printr-un difuzor.

În funcție de puterea sau puterea lor, aceste circuite pot avea modele de la amplificatoare de semnal mici bazate pe opamp la amplificatoare de semnal mari, care sunt, de asemenea, numite amplificatoare de putere. Aceste amplificatoare sunt clasificate tehnic pe baza principiilor lor de lucru, a etapelor circuitului și a modului în care pot fi configurate pentru a procesa funcția de amplificare.

Următorul tabel ne oferă detaliile de clasificare a amplificatoarelor pe baza specificațiilor lor tehnice și a principiului de funcționare:

Într-un design amplificator de bază, constatăm că acesta include în principal câteva etape având rețele de tranzistoare bipolare sau BJT, tranzistoare cu efect de câmp (FET) sau amplificatoare operaționale.

Astfel de blocuri sau module amplificatoare ar putea fi văzute având câteva terminale pentru alimentarea semnalului de intrare și o altă pereche de terminale la ieșire pentru a obține semnalul amplificat printr-un difuzor conectat.

Unul dintre terminalele din aceste două este terminalele de masă și ar putea fi văzut ca o linie comună între etapele de intrare și ieșire.

Trei proprietăți ale unui amplificator

Cele trei proprietăți importante pe care ar trebui să le aibă un amplificator ideal sunt:

• Rezistența de intrare (Rin)
• Rezistență la ieșire (Rout)
• Gain (A), care este gama de amplificare a amplificatorului.

Înțelegerea funcționării unui amplificator ideal

Diferența de semnal amplificat între ieșire și intrare este denumită câștigul amplificatorului. Este magnitudinea sau cantitatea cu care amplificatorul este capabil să amplifice semnalul de intrare pe terminalele sale de ieșire.

Luați de exemplu, dacă un amplificator este evaluat să proceseze un semnal de intrare de 1 volt într-un semnal amplificat de 50 de volți, atunci am spune că amplificatorul are un câștig de 50, este la fel de simplu ca acesta.
Această îmbunătățire a unui semnal de intrare scăzut la un semnal de ieșire mai mare se numește câştig a unui amplificator. Alternativ, aceasta poate fi înțeleasă ca o creștere a semnalului de intrare cu un factor de 50.

Raportul de câștig Astfel, câștigul unui amplificator este în esență raportul dintre valorile de ieșire și de intrare ale nivelurilor semnalului, sau pur și simplu puterea de ieșire împărțită la puterea de intrare și este atribuită de litera „A” care semnifică și puterea de amplificare a amplificatorului.

Tipuri de câștiguri ale amplificatorului Diferitele tipuri de câștiguri ale amplificatorului pot fi clasificate ca:

1. Câștig de tensiune (oprit)
2. Câștig curent (Ai)
3. Câștig de putere (Ap)

Exemple de formule pentru calcularea câștigurilor amplificatorului În funcție de cele 3 tipuri de câștiguri de mai sus, formulele pentru calcularea acestora ar putea fi învățate din următoarele exemple:

1. Câștig de tensiune (Av) = Tensiune de ieșire / Tensiune de intrare = Vout / Vin
2. Câștig curent (Ai) = curent de ieșire / curent de intrare = Iout / Iin
3. Câștig de putere (Ap) = Av.x.A eu

Pentru calcularea câștigului de putere, puteți utiliza și formula:
Câștig de putere (Ap) = Putere de ieșire / Putere de intrare = Out / Ain

Ar fi important să rețineți că indicele p, v, i utilizate pentru calcularea puterii sunt atribuite pentru identificarea tipului specific de câștig de semnal la care se lucrează.

Exprimând decibeli

Veți găsi o altă metodă de exprimare a câștigului de putere al unui amplificator, care este în decibeli sau (dB).
Măsura sau cantitatea Bel (B) este o unitate logaritmică (baza 10) care nu are o unitate de măsură.
Cu toate acestea, un Decibel ar putea fi o unitate prea mare pentru utilizare practică, de aceea folosim versiunea redusă decibel (dB) pentru calculele amplificatorului.
Iată câteva formule care pot fi utilizate pentru măsurarea câștigului amplificatorului în decibeli:

1. Câștig de tensiune în dB: off = 20 * jurnal (Off)
2. Câștig curent în dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Câștig de putere în dB: ap = 10 * log (Ap)

Câteva fapte despre măsurarea dB
Ar fi important să rețineți că câștigul de putere DC al unui amplificator este de 10 ori mai mare decât jurnalul comun al raportului său de ieșire / intrare, în timp ce câștigurile de curent și tensiune sunt de 20 de ori jurnalul comun al raporturilor lor.

Acest lucru implică faptul că, deoarece este implicată o scară de jurnal, un câștig de 20 dB nu poate fi considerat ca fiind de două ori mai mare de 10 dB, datorită caracteristicii de măsurare neliniare a scărilor de jurnal.

Când câștigul este măsurat în dB, valorile pozitive semnifică câștigul amplificatorului, în timp ce o valoare negativă a dB indică o pierdere a câștigului amplificatorului.

De exemplu, dacă se identifică un câștig + 3dB, acesta indică un câștig de 2 ori sau x2 al ieșirii amplificatorului.

În schimb, dacă rezultatul este de -3dB, indică faptul că amplificatorul are o pierdere de 50% sau o măsură de x0,5 a pierderii în câștig. Acesta este, de asemenea, denumit punct de jumătate de putere, adică -3dB mai mic decât puterea maximă realizabilă, în raport cu 0dB, care este ieșirea maximă posibilă de la amplificator

Amplificatoare de calcul

Calculați câștigul de tensiune, curent și putere al unui amplificator cu următoarele specificații: Semnal de intrare = 10mV @ 1mA Semnal de ieșire = 1V @ 10mA. Aflați în plus câștigul amplificatorului folosind valorile decibelului (dB).

Soluţie:

Aplicând formulele învățate mai sus, putem evalua diferitele tipuri de câștiguri asociate amplificatorului, conform specificațiilor de ieșire de intrare:

Câștig de tensiune (Av) = Tensiune de ieșire / Tensiune de intrare = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Câștig curent (Ai) = curent de ieșire / curent de intrare = Iout / Iin = 10/1 = 10
Câștig de putere (Ap) = Av. x A eu = 100 x 10 = 1000

Pentru a obține rezultatele în decibeli, aplicăm formulele corespunzătoare, așa cum sunt prezentate mai jos:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Subdiviziuni amplificatoare

Amplificatoare mici de semnal: În ceea ce privește specificațiile de câștig de putere și tensiune ale unui amplificator, devine posibil să le împărțim sub două categorii diverse.

Primul tip este denumit amplificator de semnal mic. Acești mici amplificatori de semnal sunt utilizați în general în trepte de preamplificator, amplificatoare de instrumente etc.

Aceste tipuri de amplificatoare sunt create pentru gestionarea nivelurilor minime de semnal la intrările lor, în intervalul unor micro volți, cum ar fi de la dispozitive senzor sau de la intrări de semnale audio mici.

Amplificatoare mari de semnal: Al doilea tip de amplificatoare sunt denumite amplificatoare de semnal de mari dimensiuni și, după cum sugerează și numele, acestea sunt utilizate în aplicații de amplificare a puterii pentru atingerea unor game de amplificare imense. La aceste amplificatoare semnalul de intrare este relativ mai mare ca mărime, astfel încât acestea să poată fi amplificate substanțial pentru a le reproduce și a le conduce în difuzoare puternice.

Cum funcționează amplificatoarele de putere

Deoarece amplificatoarele de semnal mici sunt proiectate pentru a procesa tensiuni de intrare mici, acestea sunt denumite amplificatoare de semnal mici. Cu toate acestea, atunci când un amplificator este necesar să funcționeze cu aplicații cu curent de comutare mare la ieșirile lor, cum ar fi acționarea unui motor sau acționarea sub-wooferelor, un amplificator de putere devine inevitabil.

Cel mai popular, amplificatoarele de putere sunt utilizate ca amplificatoare audio pentru conducerea difuzoarelor mari și pentru obținerea unor amplificări uriașe la nivel de muzică și ieșiri de volum.

Amplificatorul de putere necesită alimentare DC externă pentru funcționarea lor, iar această putere DC este utilizată pentru obținerea amplificării de putere ridicată prevăzută la ieșirea lor. Puterea continuă este de obicei derivată prin surse de curent înalt de înaltă tensiune prin transformatoare sau unități bazate pe SMPS.

Deși, amplificatoarele de putere sunt capabile să stimuleze semnalul de intrare mai mic în semnale de ieșire ridicate, procedura nu este de fapt foarte eficientă. Acest lucru se datorează faptului că în acest proces o cantitate substanțială de energie continuă este irosită sub formă de disipare a căldurii.

Știm că un amplificator ideal ar produce o ieșire aproape egală cu puterea consumată, rezultând o eficiență de 100%. Cu toate acestea, practic acest lucru pare destul de îndepărtat și poate să nu fie fezabil, din cauza pierderilor inerente de curent continuu de la dispozitivele de alimentare sub formă de căldură.

Eficiența unui amplificator Din considerațiile de mai sus, putem exprima eficiența unui amplificator ca:

Eficiență = Putere amplificator / Consum DC amplificator = Pout / Pin

Amplificator ideal

Cu referire la discuția de mai sus, poate fi posibil pentru noi să evidențiem caracteristicile principale ale unui amplificator ideal. Acestea sunt în mod specific așa cum se explică mai jos:

Câștigul (A) al unui amplificator ideal ar trebui să fie constant, indiferent de un semnal de intrare variabil.

1. Câștigul rămâne constant indiferent de frecvența semnalului de intrare, permițând amplificarea ieșirii să rămână neafectată.
2. Ieșirea amplificatorului este liberă de orice fel de zgomot în timpul procesului de amplificare, dimpotrivă, încorporează o caracteristică de reducere a zgomotului care anulează orice zgomot posibil introdus prin sursa de intrare.
3. Rămâne neafectat de modificările temperaturii ambiante sau ale temperaturii atmosferice.
4. Utilizarea pe termen lung are un efect minim sau deloc asupra performanței amplificatorului și rămâne consecventă.

Clasificarea amplificatorului electronic

Fie că este vorba de un amplificator de tensiune sau de un amplificator de putere, acestea sunt clasificate în funcție de caracteristicile semnalului de intrare și ieșire. Acest lucru se face analizând fluxul de curent în raport cu semnalul de semnal de intrare și timpul necesar pentru ca acesta să ajungă la ieșire.

Pe baza configurației circuitului lor, amplificatoarele de putere pot fi clasificate în ordine alfabetică. Acestea sunt alocate cu diferite clase operaționale, cum ar fi:

Clasa a'
Clasa 'B'
Clasa 'C'
Clasa „AB” și așa mai departe.

Acestea pot avea proprietăți de la un răspuns de ieșire aproape liniar, dar o eficiență destul de scăzută la un răspuns de ieșire neliniar cu o eficiență ridicată.

Niciuna dintre aceste clase de amplificatoare nu poate fi distinsă ca fiind mai slabă sau mai bună una de cealaltă, deoarece fiecare are propria sa zonă de aplicare specifică, în funcție de cerință.

Este posibil să găsiți eficiențe de conversie optime pentru fiecare dintre acestea, iar popularitatea lor poate fi identificată în următoarea ordine:

Amplificatoare de clasa 'A': Eficiența este mai mică de obicei mai mică de 40%, dar poate prezenta un semnal liniar îmbunătățit.

Amplificatoare de clasa 'B': Rata de eficiență poate fi de două ori mai mare decât cea a clasei A, practic în jur de 70%, datorită faptului că numai dispozitivele active ale amplificatorului consumă energie, provocând doar 50% utilizare a energiei.

Amplificatoare din clasa „AB”: Amplificatoarele din această categorie au un nivel de eficiență undeva între cel din clasa A și clasa B, dar reproducerea semnalului este mai slabă în comparație cu clasa A.

Amplificatoare de clasa 'C': Acestea sunt considerate a fi extrem de eficiente în ceea ce privește consumul de energie, dar reproducerea semnalului este cea mai slabă, cu o distorsiune mare, provocând o replicare foarte slabă a caracteristicilor semnalului de intrare.

Cum funcționează amplificatoarele de clasă A:

Amplificatoarele de clasă A au tranzistoare în mod ideal polarizate în regiunea activă, ceea ce face posibilă amplificarea cu precizie a semnalului de intrare la ieșire.

Datorită acestei caracteristici de polarizare perfectă, tranzistorului nu i se permite niciodată să se deplaseze către regiunile de tăiere sau peste regiunile de saturație, rezultând amplificarea semnalului corect optimizată și centrată între limitele superioare și inferioare specificate ale semnalului, așa cum se arată în cele ce urmează imagine:

În configurația clasei A, seturi identice de tranzistoare sunt aplicate pe două jumătăți ale formei de undă de ieșire. Și în funcție de tipul de polarizare pe care îl folosește, tranzistoarele de putere de ieșire sunt întotdeauna redate în poziția pornită, indiferent dacă semnalul de intrare este aplicat sau nu.

Din această cauză, amplificatoarele de clasă A obțin o eficiență extrem de slabă în ceea ce privește consumul de energie, deoarece livrarea efectivă a energiei la ieșire este împiedicată din cauza irosirii excesive prin disiparea dispozitivului.

Cu situația explicată mai sus, amplificatoarele de clasă pot fi văzute având tranzistoare de putere de ieșire supraîncălzite chiar și în absența unui semnal de intrare.

Chiar dacă nu există semnal de intrare, DC (Ic) de la sursa de alimentare este permis să curgă prin tranzistoarele de putere, care pot fi egale cu curentul care curge prin difuzor atunci când semnalul de intrare era prezent. Acest lucru dă naștere la un tranzistor continuu „fierbinte” și la risipa de energie.

Funcționarea amplificatorului de clasă B

Spre deosebire de configurația amplificatorului de clasă A care depinde de tranzistoare de putere unice, clasa B folosește o pereche de BJT complementare pe fiecare jumătate de secțiune a circuitului. Acestea ar putea fi sub formă de NPN / PNP sau mosfet cu canal N / mosfet cu canal P).

Aici, unul dintre tranzistori este permis să conducă ca răspuns la o jumătate de ciclu de formă de undă a semnalului de intrare, în timp ce celălalt tranzistor gestionează celălalt jumătate de ciclu al formei de undă.

Acest lucru asigură că fiecare tranzistor din pereche conduce timp de jumătate din timp în regiunea activă și jumătate din timp în regiunea de întrerupere, permițând astfel doar 50% implicare în amplificarea semnalului.

Spre deosebire de amplificatoarele din clasa A, în amplificatoarele din clasa B, tranzistoarele de putere nu sunt influențate de un DC direct, în schimb configurația asigură faptul că acestea conduc doar în timp ce semnalul de intrare depășește tensiunea emițătorului de bază, care ar putea fi în jur de 0,6 V pentru BJT-urile din siliciu.

Aceasta implică faptul că, atunci când nu există semnal de intrare, BJT-urile rămân oprite și curentul de ieșire este zero. Și datorită acestui fapt, numai 50% din semnalul de intrare este permis să intre în ieșire în orice caz, permițând o rată de eficiență mult mai bună pentru aceste amplificatoare. Rezultatul poate fi observat în următoarea diagramă:

Deoarece nu există o implicare directă a DC pentru polarizarea tranzistoarelor de putere în amplificatoarele de clasă B, pentru a iniția conducerea ca răspuns la fiecare jumătate +/- cicluri de formă de undă, devine imperativ pentru baza / emițătorul lor Vbe pentru a dobândi un potențial mai mare de 0,6 V (valoarea standard de polarizare a bazei pentru BJT)

Datorită faptului de mai sus, implică faptul că, în timp ce forma de undă de ieșire este sub marca 0,6V, nu poate fi amplificată și reprodusă.

Acest lucru dă naștere unei regiuni distorsionate pentru forma de undă de ieșire, chiar în perioada în care unul dintre BJT-uri devine OPRIT și așteaptă ca celălalt să se repornească.

Acest lucru are ca rezultat o mică secțiune a formei de undă care este supusă unei distorsiuni minore în timpul perioadei de încrucișare sau a perioadei de tranziție în apropierea punctului de trecere zero, exact atunci când trecerea de la un tranzistor la celălalt are loc între perechi complementare.

Funcționarea amplificatorului de clasă AB

Amplificatorul de clasă AB este construit folosind un amestec de caracteristici f din circuitele de clasă A și clasa B, de unde și denumirea de clasă AB.

Deși designul clasei AB funcționează și cu o pereche de BJT complementare, etapa de ieșire asigură că polarizarea BJT-urilor de putere este controlată aproape de pragul de întrerupere, în absența unui semnal de intrare.

În această situație, de îndată ce este detectat un semnal de intrare, tranzistoarele negin care funcționează normal în regiunea lor activă inhibând astfel orice posibilitate de distorsiune încrucișată, care este în mod normal prevalentă în configurațiile clasei B. Cu toate acestea, ar putea exista o cantitate ușoară de curent al colectorului care conduce peste BJT-uri, cantitatea poate fi considerată neglijabilă în comparație cu proiectele din clasa A.

Amplificatorul de tip AB prezintă o rată de eficiență mult îmbunătățită și un răspuns liniar, spre deosebire de omologul de clasă A.

Clasa AB Amplificator Formă de undă de ieșire

Clasa amplificatorului este un parametru important care depinde de modul în care tranzistoarele sunt polarizate prin amplitudinea semnalului de intrare, pentru implementarea procesului de amplificare.

Se bazează pe cât de multă magnitudine a formei de undă a semnalului de intrare este utilizată pentru tranzistorii să o conducă, precum și pe factorul de eficiență, care este determinat de cantitatea de putere utilizată efectiv pentru livrarea ieșirii și / sau irosită prin disipare.

În ceea ce privește acești factori, putem crea în cele din urmă un raport de comparație care să arate diferențele dintre diferitele clase de amplificatoare, așa cum este prezentat în tabelul următor.

Apoi putem face o comparație între cele mai frecvente tipuri de clasificări ale amplificatoarelor din tabelul următor.

Clasele amplificatorului de putere

Gânduri finale

Dacă un amplificator nu este proiectat corect, cum ar fi, de exemplu, un amplificator de clasă A, poate necesita radiații substanțiale pe dispozitivele de alimentare, împreună cu ventilatoare de răcire pentru operațiuni. Astfel de proiecte vor avea nevoie, de asemenea, de o sursă de alimentare mai mare pentru a compensa cantitățile uriașe de energie irosite în căldură. Toate aceste dezavantaje pot face astfel de amplificatoare foarte ineficiente, care la rândul lor ar putea provoca o deteriorare treptată a dispozitivelor și, eventual, defecțiuni.

Prin urmare, poate fi recomandabil să alegeți un amplificator de clasă B proiectat cu o eficiență mai mare de aproximativ 70% spre deosebire de 40% dintr-un amplificator de clasă A. Am spus că, amplificatorul de clasă A poate promite un răspuns mai liniar cu amplificarea sa și un răspuns de frecvență mai larg, deși acest lucru vine cu un preț de pierdere substanțială de energie.