Меню

Линейный усилитель мощности сигнала

Усилитель

Содержание

  1. Что такое усилитель?
  2. Что такое черный ящик в электронике
  3. Что такое четырехполюсник
  4. Пассивный четырехполюсник
  5. Активный четырехполюсник
  6. Обобщенная схема усилителя
  7. Типы усилителей
  8. Усилитель напряжения
  9. Усилитель тока
  10. Усилитель мощности
  11. Выходная мощность усилителя
  12. Виды усилителей по полосе пропускания
  13. Усилители низкой частоты
  14. Усилители высокой частоты
  15. Широкополосные усилители
  16. Узкополосные усилители
  17. Усилители постоянного тока

Электронный усилитель – это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона

слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик.

Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо “сенсоры” для восприятия информации извне, некий “вход”, а также некий “выход” для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала – значит кошка. Если побежал – значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Что такое четырехполюсник

В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник – это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего “электрического черного ящика”.

Пассивный четырехполюсник

Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).

В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.

Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.

Активный четырехполюсник

А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +U пит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал U вх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение U вых . Питается наш четырехполюсник через +U пит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.

Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.

Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.

В активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке – это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

Читайте также:  Какая должна быть мощность фильтра для аквариума

В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал U вх , а к выходу цепляется нагрузка R н .

Обобщенная схема усилителя

Она выглядит примерно вот так:

Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС E И и внутренним сопротивлением R И . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением R вх . Сила тока I вх в цепи E И —>R И—>R вх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада R вх .

Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС E вых и выходным сопротивлением R вых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку R н , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи E вых —> R вых —> R н будет зависеть от сопротивления нагрузки R н .

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

K U – это коэффициент усиления по напряжению

Источник



Линейные усилители мощности

Предельное значение КПД линейных усилителей

Под линейными обычно понимают усилители, в которых управляемые (активные, усилительные) элементы (УЭ) работают в непрерывном режиме. Обобщенные структурные схемы линейных усилителей с последовательным и параллельным включением нагрузки (Н) изображены соответственно на рис 5.46 а, б.

Поскольку в случае параллельного включения нагрузки необходимо наличие дополнительного элемента — внутренней нагрузки (ВН), на которой теряется часть энергии источника питания (ИП), то такая схема при построении усилителей мощности практически не применяется, а используется в маломощных каскадах из-за удобства “заземления” управляющего элемента, источника питания и нагрузки.

а) б) Рис. 5.46. Схемы усилителей мощности: а) с последовательным и б) параллельным включением нагрузки
Рис. 5.47. Диаграмма выходного тока для однотактного усилителя мощности
а) б) Рис. 5.48. Схема двухтактного каскада (а) и диаграмма токов (б)

В схеме усилителя по рис. 5.46 а напряжение на нагрузке может иметь только одну полярность (за счет однополярного источника питания). В результате получение двуполярного (например, гармонического) сигнала в нагрузке возможно лишь с постоянным “пьедесталом” (рис. 5.47). Наличие “пьедестала” — потребление тока i 0 от источника питания при отсутствии сигнала (в режиме “покоя”) — свидетельствует о низком КПД такого усилителя, называемого однотактным. Экономичный режим воспроизведения знакопеременного сигнала при отсутствии или незначительном потреблении энергии от источника питания в режиме “покоя” возможен в двухтактных схемах усилителей, одна из разновидностей которых приведена на рис. 5.48а. Эпюры токов в такой схеме изображены на рис. 5.48 б.

Определим факторы, обеспечивающие максимально возможное значение КПД двухтактного усилителя (рис. 5.48). По определению КПД (h) — это отношение мощности сигнала в нагрузке (Рн) к мощности, потребляемой при этом от источника питания (Рип):

.

В общем случае значение КПД зависит от формы сигнала — Uн(t), iн(t). Поэтому принято определять предельное значение КПД линейных усилителей при гармоническом сигнале в нагрузке

Тогда, полагая, что Еип=const и учитывая наличие в схеме двух источников, получим:

,

где — период сигнала, iип 0 — постоянная составляющая источника питания.

Минимальное значение КПД (h=0) имеет место при чисто реактивной (емкостной или индуктивной) нагрузке, когда фазовый сдвиг между током и напряжением достигает 90° (j=p/2). В этом случае активная мощность в нагрузке не развивается и вся мощность, отбираемая от источника питания, рассеивается на управляемых элементах. При чисто активной нагрузке (j=0) имеем

.

Отсюда следует, что значение КПД зависит от коэффициента использования напряжения источника питания gи = Umип и коэффициента использования тока источника питания gi = im/iип 0 .

Из рис. 5.48а следует, что приращение напряжения в нагрузке одной полярности не может превышать напряжения источника питания одного плеча двухтактного каскада

Очевидно, что наиболее благоприятным в энергетическом смысле режимом работы линейных транзисторных усилителей является режим достижения заданной мощности в нагрузке при высоких значениях амплитуды напряжения и низких значениях амплитуды тока. При этом, с одной стороны, увеличивается отношение Um/U, а с другой — уменьшается абсолютное значение U. Если при заданных нагрузке и мощности значения Um и im оказываются неблагоприятными в указанном выше смысле, то можно, если это допустимо с других точек зрения, применить согласующийся трансформатор. Выбором коэффициента трансформации можно на выходе усилителя (на первичной обмотке) получить требуемое высокое значение напряжения при заданном низком его значении в нагрузке. С учетом сделанных замечаний предельное значение gи®1.

Для определения максимального значения коэффициента gi рассмотрим эпюру тока в цепи источника питания двухтактной схемы при заданном токе покоя i 0 (рис. 5.50). Постоянная составляющая тока может быть подсчитана по соотношению

Читайте также:  Как увеличить мощность наждака

или, обозначив i 0 =e im,

.

Рис. 5.50. Диаграмма выходного
тока одного плеча двухтактного
усилителя

Очевидно, что значение iип 0 , соответствующее максимуму gi, достигается при e=0, когда gi=p.

Полагая, что предельные значения gи=1 и gi=p, получаем максимальное значение КПД двухтактного каскада при гармоническом выходном сигнале

.

Мощность, рассеиваемая на каждом управляемом элементе, равна половине общей мощности потерь

0.41Рн.

Рис. 5.51. Мостовая схема усилителя мощности

В случае, если требуемая мощность в нагрузке достигается при большой амплитуде напряжения, когда возникают затруднения с выбором транзистора с требуемым высоким значением Uкэ доп, используется мостовая схема (рис. 5.51). В этой схеме транзисторы работают попарно: при одной полярности сигнала открываются транзисторы V1 и V4, при другой — V2 и V3. Максимальная амплитуда сигнала в нагрузке равна

или (для случая Um>>U) Um » Еип. Это означает, что требуемое напряжение источника питания при одной и той же амплитуде сигнала в нагрузке в мостовой схеме почти в 2 раза ниже, чем в ранее рассмотренных схемах. В результате и требуемое значение Uкэ доп для транзисторов мостовой схемы также уменьшается в два раза. С другой стороны, при одинаковом напряжении источника питания в мостовой схеме можно получить в два раза большую амплитуду сигнала в нагрузке, что при одинаковой заданной мощности позволит снизить импульс тока через транзисторы в два раза по сравнению с не мостовыми схемами. Недостатками мостовой схемы являются существенное усложнение (два дополнительных мощных транзистора со схемами управления) и проблематичность введения обратной связи для стабилизации режима покоя.

Особенности использования современных мощных транзисторов

Рис. 5.52. Область безопасных режимов работы мощных транзисторов

Электронной промышленностью к настоящему времени освоено производство мощных транзисторов достаточно широкой номенклатуры. Однако при их использовании необходимо учитывать приводимые в справочных данных зависимости допустимой мощности рассеивания и напряжения коллекторного перехода от температуры корпуса, которая зависит от площади теплоотвода (радиатора) или от интенсивности обдува при использовании принудительного вентилирования. Кроме того, необходимо учитывать зависимость допустимой мощности рассеивания от значения коллекторного напряжения, которая дается в справочнике в виде зависимости допустимого тока коллектора от напряжения на коллекторе Iк=f(Uк), даваемой как для постоянных, так и импульсных значений Pk , Ik , Uk. На рис. 5.52 изображен примерный вид зависимости Iк=f(Uк). Максимально допустимой мощности рассеивания, указываемой в справочниках, соответствует лишь плоский участок зависимости, а при приближении напряжения к предельному произведение напряжения на допустимое значение тока становится намного меньше предельной мощности.

Рис. 5.53. Параллель- ное соединение мощ- ных транзисторов
Рис. 5.54. Схема Дарлингтона

Если не удается подобрать транзистор с соответствующими предельными характеристиками, то применяют параллельное соединение однотипных элементов (рис. 5.53). Поскольку зависимость предельных значений Ik=f(Uk) нелинейна, уменьшение тока через каждый транзистор в два раза (при соединении 2-х транзисторов), то допустимое напряжение Uk возрастает значительно резче. Для выравнивания токов через транзисторы в эмиттерные цепи включаются выравнивающие резисторы, сопротивление которых должно быть в несколько раз больше дифференциального сопротивления эмиттерного перехода (gэ) при максимальном токе коллектора.

Резисторы Rэ являются элементами обратной связи и их включение приводит к снижению усилительных свойств транзисторов. Особенностью мощных транзисторов являются сравнительно низкие значения коэффициентов передачи по току, что обусловливает потребление значительной мощности от источника управляющего сигнала (или от каскада предварительного усиления).

Для снижения мощности управления применяется схема составного транзистора (схема Дарлингтона) (рис. 5.54), в котором ток управления уменьшен пропорционально усилению по току базы дополнительного транзистора VT1, который может быть значительно менее мощным, чем основной.

В настоящее время основное применение в усилителях мощности находят МДП-транзисторы, обладающие меньшими потерями и большей температурной устойчивостью.

Источник

Классы усилителей. Устройство и принципы работы

Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.

Усилители класса А

Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.

Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.

Усилители класса B

Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.

Усилители класса AB

Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.

Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.

Читайте также:  Как характеризуется мощность электрического поля

Усилители класса С, H, G

Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.

В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.

Усилители класса D

В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.

Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.

На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.

Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.

Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.

Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.

Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.

В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.

Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.

В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:

В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).

Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.

Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.

Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.

Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.

А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:

Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.

Заключение

Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.

Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.

Источник