Усилитель , электронный усилитель или (неофициально) усилок — это электронное устройство , которое может увеличивать величину сигнала ( изменяющегося во времени напряжения или тока ). Это двухпортовая электронная схема, которая использует электроэнергию от источника питания для увеличения амплитуды (величины напряжения или тока) сигнала, подаваемого на ее входные клеммы, создавая пропорционально больший амплитудный сигнал на ее выходе. Величина усиления, обеспечиваемая усилителем, измеряется его коэффициентом усиления : отношением выходного напряжения, тока или мощности к входному. Усилитель определяется как схема, которая имеет коэффициент усиления мощности больше единицы. [2] [3] [4]
Усилитель может быть как отдельным элементом оборудования, так и электрической цепью , содержащейся в другом устройстве. Усиление является основополагающим для современной электроники, и усилители широко используются практически во всем электронном оборудовании. Усилители можно классифицировать по-разному. Один из них — по частоте усиливаемого электронного сигнала. Например, аудиоусилители усиливают сигналы в аудиодиапазоне (звуковом) менее 20 кГц, радиочастотные усилители усиливают частоты в радиочастотном диапазоне от 20 кГц до 300 ГГц, а сервоусилители и инструментальные усилители могут работать с очень низкими частотами вплоть до постоянного тока. Усилители также можно классифицировать по их физическому размещению в цепи сигнала ; предварительный усилитель может предшествовать другим этапам обработки сигнала, например, [5], в то время как усилитель мощности обычно используется после других каскадов усилителя, чтобы обеспечить достаточную выходную мощность для конечного использования сигнала. Первым практическим электрическим устройством, способным усиливать сигнал, был триодный электронный прибор , изобретенный в 1906 году Ли Де Форестом , который привел к появлению первых усилителей около 1912 года. Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы .
Первым практическим выдающимся устройством, способным усиливать, был триодный вакуумный прибор , изобретенный в 1906 году Ли Де Форестом , который привел к появлению первых усилителей около 1912 года. Вакуумные приборы использовались почти во всех усилителях до 1960–1970-х годов, когда их заменили транзисторы . Сегодня большинство усилителей используют транзисторы, но вакуумные приборы продолжают использоваться в некоторых приложениях.
Развитие технологии аудиосвязи в форме телефона , впервые запатентованного в 1876 году, создало необходимость увеличения амплитуды электрических сигналов для расширения передачи сигналов на все большие расстояния. В телеграфии эта проблема была решена с помощью промежуточных устройств на станциях, которые восполняли рассеиваемую энергию, работая с регистратором сигнала и передатчиком вплотную друг к другу, образуя реле , так что локальный источник энергии на каждой промежуточной станции питал следующий участок передачи. Для дуплексной передачи, т. е. отправки и приема в обоих направлениях, были разработаны двунаправленные ретрансляторы, начиная с работы CF Varley для телеграфной передачи. Дуплексная передача была необходима для телефонии, и проблема не была удовлетворительно решена до 1904 года, когда HE Shreeve из American Telephone and Telegraph Company улучшил существующие попытки построить телефонный ретранслятор , состоящий из пар передатчика с гранулами углерода и электродинамического приемника вплотную друг к другу . [6] Ретранслятор Шрива был впервые испытан на линии между Бостоном и Эймсбери, штат Массачусетс, и более совершенные устройства оставались в эксплуатации в течение некоторого времени. После рубежа веков было обнаружено, что ртутные лампы с отрицательным сопротивлением могут усиливать, и их также пробовали в ретрансляторах, но с небольшим успехом. [7]
Развитие термоэлектронных ламп , начавшееся около 1902 года, обеспечило полностью электронный метод усиления сигналов. Первой практической версией таких устройств был триод Аудиона , изобретенный в 1906 году Ли Де Форестом , [8] [9] [10], который привел к появлению первых усилителей около 1912 года. [11] Поскольку единственным предыдущим устройством, которое широко использовалось для усиления сигнала, было реле, используемое в телеграфных системах, усилительная вакуумная лампа сначала была названа электронным реле . [12] [13] [14] [15] Термины усилитель и усиление , происходящие от латинского amplificare ( увеличивать или расширять ), [16] были впервые использованы для этой новой возможности около 1915 года, когда триоды получили широкое распространение. [16]
Усилительная вакуумная лампа произвела революцию в электротехнике. [11] Она сделала возможными междугородние телефонные линии, системы оповещения , радиовещание , говорящие фильмы , практическую аудиозапись , радары , телевидение и первые компьютеры . В течение 50 лет практически все бытовые электронные устройства использовали вакуумные лампы. Ранние ламповые усилители часто имели положительную обратную связь ( регенерацию ), которая могла увеличить усиление, но также делала усилитель нестабильным и склонным к колебаниям. Большая часть математической теории усилителей была разработана в Bell Telephone Laboratories в 1920-х — 1940-х годах. Уровни искажений в ранних усилителях были высокими, обычно около 5%, до 1934 года, когда Гарольд Блэк разработал отрицательную обратную связь ; это позволило значительно снизить уровни искажений за счет более низкого усиления. Другие достижения в теории усиления были сделаны Гарри Найквистом и Хендриком Уэйдом Боде . [17]
Электронная лампа была фактически единственным усилительным устройством, за исключением специализированных силовых устройств, таких как магнитный усилитель и амплидин , в течение 40 лет. Схемы управления мощностью использовали магнитные усилители до второй половины двадцатого века, когда силовые полупроводниковые приборы стали более экономичными, с более высокими скоростями работы. Старые электроакустические угольные повторители Шрива использовались в регулируемых усилителях в телефонных абонентских аппаратах для людей с нарушениями слуха, пока транзистор не обеспечил меньшие и более качественные усилители в 1950-х годах. [18]
Первым рабочим транзистором был точечный транзистор, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1947 году в Bell Labs , где Уильям Шокли позже изобрел биполярный транзистор (BJT) в 1948 году. За ними последовало изобретение полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET) Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Благодаря масштабированию MOSFET , возможности уменьшать масштаб до все более малых размеров, MOSFET с тех пор стал наиболее широко используемым усилителем. [19]
Замена громоздких электронных ламп транзисторами в 1960-х и 1970-х годах произвела революцию в электронике, сделав возможным появление большого класса портативных электронных устройств, таких как транзисторный радиоприемник, разработанный в 1954 году. Сегодня использование электронных ламп ограничено некоторыми высокомощными устройствами, такими как радиопередатчики , а также некоторыми музыкальными инструментами и высококачественными аудиофильскими усилителями.
Начиная с 1970-х годов все больше транзисторов были соединены на одном кристалле, тем самым создавая более высокие масштабы интеграции (такие как малая, средняя и большая интеграция ) в интегральных схемах . Многие усилители, доступные сегодня на рынке, основаны на интегральных схемах.
Для специальных целей использовались другие активные элементы. Например, в ранние дни спутниковой связи использовались параметрические усилители . Основной схемой был диод, емкость которого изменялась с помощью радиочастотного сигнала, созданного локально. При определенных условиях этот радиочастотный сигнал обеспечивал энергию, которая модулировалась чрезвычайно слабым спутниковым сигналом, принимаемым наземной станцией.
Достижения в области цифровой электроники с конца XX века предоставили новые альтернативы традиционным усилителям с линейным усилением, используя цифровую коммутацию для изменения формы импульса сигналов фиксированной амплитуды, что привело к появлению таких устройств, как усилитель класса D.
По сути, усилитель представляет собой электрическую двухполюсную схему , которая вырабатывает на выходном порте сигнал, являющийся копией сигнала, подаваемого на входной порт, но увеличенного по величине.
Входной порт можно идеализировать как вход напряжения, который не принимает ток, с выходом, пропорциональным напряжению на порту; или токовый вход, без напряжения на нем, в котором выход пропорционален току через порт. Выходной порт можно идеализировать как зависимый источник напряжения , с нулевым сопротивлением источника и его выходным напряжением, зависящим от входа; или зависимый источник тока , с бесконечным сопротивлением источника и выходным током, зависящим от входа. Комбинации этих выборов приводят к четырем типам идеальных усилителей. [5] В идеализированной форме они представлены каждым из четырех типов зависимых источников, используемых в линейном анализе, как показано на рисунке, а именно:
Каждый тип усилителя в идеальной форме имеет идеальное входное и выходное сопротивление, которое такое же, как и у соответствующего зависимого источника: [20]
В реальных усилителях идеальные импедансы достичь невозможно, но эти идеальные элементы можно использовать для построения эквивалентных схем реальных усилителей путем добавления импедансов (сопротивления, емкости и индуктивности) к входу и выходу. Для любой конкретной схемы часто используется анализ малых сигналов для нахождения фактического импеданса. Малосигнальный переменный испытательный ток I x подается на входной или выходной узел, все внешние источники устанавливаются на ноль переменного тока, а соответствующее переменное напряжение V x на источнике испытательного тока определяет импеданс, видимый в этом узле, как R = V x / I x . [21]
Усилители, предназначенные для присоединения к линии передачи на входе и выходе, особенно усилители RF , не вписываются в этот подход к классификации. Вместо того, чтобы иметь дело с напряжением или током по отдельности, они идеально сочетаются с входным или выходным импедансом, согласованным с импедансом линии передачи, то есть, согласуют отношения напряжения к току. Многие реальные усилители RF близки к этому идеалу. Хотя для заданного соответствующего источника и импеданса нагрузки усилители RF можно охарактеризовать как усиливающие напряжение или ток, они по сути усиливают мощность. [22]
Свойства усилителя определяются параметрами, включающими:
Усилители описываются в соответствии со свойствами их входов, выходов и тем, как они соотносятся. [23] Все усилители имеют коэффициент усиления, коэффициент умножения, который связывает величину некоторого свойства выходного сигнала со свойством входного сигнала. Коэффициент усиления может быть указан как отношение выходного напряжения к входному напряжению ( коэффициент усиления по напряжению ), выходной мощности к входной мощности ( коэффициент усиления по мощности ) или как некоторая комбинация тока, напряжения и мощности. Во многих случаях свойство выхода, которое изменяется, зависит от того же свойства входа, что делает коэффициент усиления безразмерным (хотя часто выражается в децибелах (дБ)).
Большинство усилителей спроектированы как линейные. То есть они обеспечивают постоянное усиление для любого нормального входного уровня и выходного сигнала. Если усиление усилителя нелинейно, выходной сигнал может стать искаженным . Однако существуют случаи, когда переменное усиление полезно. Некоторые приложения обработки сигналов используют усилители с экспоненциальным усилением. [5]
Усилители обычно проектируются для эффективной работы в определенном приложении, например: радио- и телевизионные передатчики и приемники , высококачественное («hi-fi») стереооборудование, микрокомпьютеры и другое цифровое оборудование, а также усилители для гитар и других инструментов . Каждый усилитель включает в себя по крайней мере одно активное устройство , например, вакуумную лампу или транзистор .
Отрицательная обратная связь — это метод, используемый в большинстве современных усилителей для увеличения полосы пропускания, уменьшения искажений и управления усилением. В усилителе с отрицательной обратной связью часть выходного сигнала возвращается обратно и добавляется к входному сигналу в противофазе, вычитаясь из входного сигнала. Основной эффект заключается в снижении общего усиления системы. Однако любые нежелательные сигналы, вносимые усилителем, такие как искажения, также возвращаются обратно. Поскольку они не являются частью исходного входного сигнала, они добавляются к входному сигналу в противофазе, вычитаясь из входного сигнала. Таким образом, отрицательная обратная связь также уменьшает нелинейность, искажения и другие ошибки, вносимые усилителем. Большое количество отрицательной обратной связи может уменьшить ошибки до такой степени, что отклик самого усилителя становится практически несущественным, пока он имеет большое усиление, а выходные характеристики системы (« характеристики замкнутого контура ») полностью определяются компонентами в контуре обратной связи. Этот метод используется, в частности, с операционными усилителями (ОУ).
Усилители без обратной связи могут достичь искажения только около 1% для сигналов звуковой частоты. С отрицательной обратной связью искажение обычно можно уменьшить до 0,001%. Шум, даже искажение кроссовера, можно практически устранить. Отрицательная обратная связь также компенсирует изменение температуры и ухудшение или нелинейные компоненты в каскаде усиления, но любое изменение или нелинейность в компонентах в контуре обратной связи повлияет на выход. Действительно, способность контура обратной связи определять выход используется для создания активных схем фильтров .
Другим преимуществом отрицательной обратной связи является то, что она расширяет полосу пропускания усилителя. Концепция обратной связи используется в операционных усилителях для точного определения усиления, полосы пропускания и других параметров, полностью основанных на компонентах в контуре обратной связи.
Отрицательная обратная связь может применяться на каждом каскаде усилителя для стабилизации рабочей точки активных устройств при незначительных изменениях напряжения питания или характеристик устройства.
Некоторая обратная связь, положительная или отрицательная, неизбежна и часто нежелательна — например, она вводится паразитными элементами , такими как внутренняя емкость между входом и выходом таких устройств, как транзисторы, и емкостная связь внешней проводки. Избыточная частотно-зависимая положительная обратная связь может вызвать паразитные колебания и превратить усилитель в генератор .
Все усилители включают в себя некоторую форму активного устройства: это устройство, которое выполняет фактическое усиление. Активное устройство может быть вакуумной лампой , дискретным твердотельным компонентом, таким как один транзистор , или частью интегральной схемы , как в операционном усилителе ).
Транзисторные усилители (или твердотельные усилители) являются наиболее распространенным типом усилителей, используемых сегодня. Транзистор используется в качестве активного элемента. Коэффициент усиления усилителя определяется свойствами самого транзистора, а также схемой, в которой он содержится.
К распространенным активным устройствам в транзисторных усилителях относятся биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы на основе металл-оксид-полупроводника (MOSFET).
Области применения многочисленны, некоторые распространенные примеры — аудиоусилители в домашних стереосистемах или системах оповещения , высокочастотные генераторы высокой мощности для полупроводникового оборудования, а также радиочастотные и микроволновые устройства, такие как радиопередатчики.
Усиление на основе транзистора может быть реализовано с использованием различных конфигураций: например, биполярный транзистор может реализовать усиление с общей базой , общим коллектором или общим эмиттером ; МОП-транзистор может реализовать усиление с общим затвором , общим истоком или общим стоком . Каждая конфигурация имеет различные характеристики.
Ламповые усилители (также известные как ламповые усилители или ламповые усилители) используют вакуумную лампу в качестве активного устройства. В то время как полупроводниковые усилители в значительной степени вытеснили ламповые усилители для маломощных приложений, ламповые усилители могут быть намного более экономически эффективными в мощных приложениях, таких как радары, оборудование противодействия и оборудование связи. Многие микроволновые усилители являются специально разработанными ламповыми усилителями, такими как клистрон , гиротрон , лампа бегущей волны и усилитель скрещенных полей , и эти микроволновые лампы обеспечивают гораздо большую выходную мощность одного устройства на микроволновых частотах, чем твердотельные устройства. [24] Вакуумные лампы по-прежнему используются в некотором высококачественном аудиооборудовании, а также в усилителях музыкальных инструментов из-за предпочтения « лампового звука ».
Магнитные усилители — это устройства, несколько похожие на трансформатор , в котором одна обмотка используется для управления насыщением магнитного сердечника и, следовательно, изменения сопротивления другой обмотки. [25]
Они в значительной степени вышли из употребления из-за развития полупроводниковых усилителей, но по-прежнему полезны в управлении постоянным током высокого напряжения (HVDC) и в схемах управления ядерной энергетикой, поскольку не подвержены воздействию радиоактивности.
Отрицательные сопротивления могут использоваться в качестве усилителей, например, в усилителе на туннельном диоде . [26] [27]
Усилитель мощности — это усилитель, предназначенный в первую очередь для увеличения мощности, доступной для нагрузки . На практике коэффициент усиления мощности усилителя зависит от импедансов источника и нагрузки , а также собственного усиления напряжения и тока. Конструкция радиочастотного (РЧ) усилителя обычно оптимизирует импедансы для передачи мощности, в то время как конструкции аудио- и инструментальных усилителей обычно оптимизируют входное и выходное сопротивление для наименьшей нагрузки и наивысшей целостности сигнала. Усилитель, который, как говорят, имеет коэффициент усиления 20 дБ, может иметь коэффициент усиления по напряжению 20 дБ и доступный коэффициент усиления мощности намного больше 20 дБ (коэффициент мощности 100) — но на самом деле обеспечивать гораздо более низкий коэффициент усиления мощности, если, например, вход поступает с микрофона 600 Ом, а выход подключается к входному разъему 47 кОм для усилителя мощности. В общем, усилитель мощности является последним «усилителем» или фактической схемой в цепочке сигнала (выходной каскад) и является каскадом усилителя, который требует внимания к энергоэффективности. Соображения эффективности приводят к разделению усилителей мощности на различные классы, основанные на смещении выходных транзисторов или ламп: см. классы усилителей мощности ниже.
Аудиоусилители мощности обычно используются для управления громкоговорителями . Они часто имеют два выходных канала и подают одинаковую мощность на каждый из них. Усилитель мощности ВЧ находится в конечных каскадах радиопередатчика. Контроллер серводвигателя : усиливает управляющее напряжение для регулировки скорости двигателя или положения моторизованной системы.
Операционный усилитель — это схема усилителя, которая обычно имеет очень высокий коэффициент усиления без обратной связи и дифференциальные входы. Операционные усилители стали очень широко использоваться в качестве стандартизированных «блоков усиления» в схемах из-за их универсальности; их коэффициент усиления, полоса пропускания и другие характеристики могут контролироваться обратной связью через внешнюю цепь. Хотя этот термин сегодня обычно применяется к интегральным схемам, первоначальная конструкция операционного усилителя использовала лампы, а более поздние конструкции использовали дискретные транзисторные схемы.
Полностью дифференциальный усилитель похож на операционный усилитель, но также имеет дифференциальные выходы. Они обычно строятся с использованием биполярных транзисторов или полевых транзисторов .
Они используют сбалансированные линии передачи для разделения отдельных однокаскадных усилителей, выходы которых суммируются одной и той же линией передачи. Линия передачи является сбалансированным типом с входом на одном конце и только на одной стороне сбалансированной линии передачи, а выход на противоположном конце также является противоположной стороной сбалансированной линии передачи. Усиление каждого каскада линейно добавляется к выходу, а не умножается один на другой, как в каскадной конфигурации. Это позволяет достичь более высокой полосы пропускания, чем можно было бы реализовать в противном случае даже с теми же элементами каскада усиления.
Эти нелинейные усилители имеют гораздо более высокую эффективность, чем линейные усилители, и используются там, где экономия энергии оправдывает дополнительную сложность. Усилители класса D являются основным примером этого типа усиления.
Усилитель отрицательного сопротивления — это тип регенеративного усилителя, который может использовать обратную связь между истоком и затвором транзистора для преобразования емкостного сопротивления на истоке транзистора в отрицательное сопротивление на его затворе. По сравнению с другими типами усилителей, этот «усилитель отрицательного сопротивления» потребует лишь незначительного количества мощности для достижения очень высокого усиления, одновременно сохраняя хороший коэффициент шума.
Видеоусилители предназначены для обработки видеосигналов и имеют различную полосу пропускания в зависимости от того, является ли видеосигнал SDTV, EDTV, HDTV 720p или 1080i/p и т. д. Спецификация самой полосы пропускания зависит от того, какой тип фильтра используется, и в какой точке ( например, −1 дБ или −3 дБ ) измеряется полоса пропускания. Для приемлемого телевизионного изображения необходимы определенные требования к переходной характеристике и выбросу. [28]
Усилители на лампах бегущей волны (TWTA) используются для усиления высокой мощности на низких микроволновых частотах. Обычно они могут усиливать в широком спектре частот; однако они обычно не так настраиваемы, как клистроны. [29]
Клистроны — это специализированные линейные вакуумные приборы, предназначенные для обеспечения мощного, широко настраиваемого усиления миллиметровых и субмиллиметровых волн. Клистроны предназначены для крупномасштабных операций, и, несмотря на более узкую полосу пропускания, чем у TWTA, они обладают преимуществом когерентного усиления опорного сигнала, так что его выход может точно контролироваться по амплитуде, частоте и фазе.
Твердотельные устройства , такие как кремниевые короткоканальные МОП-транзисторы, такие как полевые транзисторы с двойным диффузным металл-оксид-полупроводник (DMOS), полевые транзисторы GaAs , гетеропереходные биполярные транзисторы SiGe и GaAs /HBT, HEMT , диоды IMPATT и другие, используются, в частности, на более низких частотах СВЧ и уровнях мощности порядка ватт, особенно в таких приложениях, как портативные радиочастотные терминалы / сотовые телефоны и точки доступа, где размер и эффективность являются драйверами. Новые материалы, такие как нитрид галлия ( GaN ) или GaN на кремнии или на карбиде кремния /SiC, появляются в транзисторах HEMT и приложениях, где требуется улучшенная эффективность, широкая полоса пропускания, работа примерно от нескольких десятков ГГц с выходной мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. [30] [31]
В зависимости от технических характеристик усилителя и требований к его размерам СВЧ-усилители могут быть реализованы как монолитно-интегрированные, интегрированные в виде модулей или на основе дискретных частей или любой их комбинации.
Мазер — это неэлектронный усилитель СВЧ-излучения.
Инструментальные усилители — это ряд усилителей мощности звука, используемых для повышения уровня звука музыкальных инструментов, например гитар, во время выступлений. Тон усилителей в основном зависит от порядка и количества, в котором они применяют эквалайзер и искажение [32]
Один набор классификаций для усилителей основан на том, какой вывод устройства является общим для входной и выходной цепи. В случае биполярных транзисторов три класса — это общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Для полевых транзисторов соответствующие конфигурации — общий исток, общий затвор и общий сток; для вакуумных ламп — общий катод, общая сетка и общая пластина.
Общий эмиттер (или общий исток, общий катод и т. д.) чаще всего настраивается на усиление напряжения, подаваемого между базой и эмиттером, а выходной сигнал, принимаемый между коллектором и эмиттером, инвертируется относительно входа. Схема с общим коллектором прикладывает входное напряжение между базой и коллектором и принимает выходное напряжение между эмиттером и коллектором. Это вызывает отрицательную обратную связь, и выходное напряжение имеет тенденцию следовать за входным напряжением. Эта схема также используется, поскольку вход представляет собой высокое сопротивление и не нагружает источник сигнала, хотя усиление напряжения меньше единицы. Поэтому схема с общим коллектором более известна как эмиттерный повторитель, истоковый повторитель или катодный повторитель.
Усилитель, выход которого не имеет обратной связи с его входной стороной, описывается как «односторонний». Входное сопротивление одностороннего усилителя не зависит от нагрузки, а выходное сопротивление не зависит от сопротивления источника сигнала. [33]
Усилитель, который использует обратную связь для соединения части выхода обратно со входом, является двусторонним усилителем. Входное сопротивление двустороннего усилителя зависит от нагрузки, а выходное сопротивление — от сопротивления источника сигнала. Все усилители в некоторой степени двусторонние; однако их часто можно моделировать как односторонние в рабочих условиях, где обратная связь достаточно мала, чтобы ею пренебречь для большинства целей, что упрощает анализ (см. статью Common Base для примера).
Другой способ классификации усилителей — по фазовому соотношению входного сигнала к выходному сигналу. «Инвертирующий» усилитель выдает выходной сигнал, сдвинутый на 180 градусов по фазе относительно входного сигнала (то есть инверсия полярности или зеркальное отображение входного сигнала, как видно на осциллографе ) . «Неинвертирующий» усилитель сохраняет фазу формы волн входного сигнала. Эмиттерный повторитель — это тип неинвертирующего усилителя, указывающий, что сигнал на эмиттере транзистора следует (то есть совпадает с единичным усилением, но, возможно, смещен) за входным сигналом. Повторитель напряжения — это также неинвертирующий тип усилителя с единичным усилением.
Это описание может применяться как к отдельному каскаду усилителя, так и к целой системе усилителя.
Другие усилители могут быть классифицированы по их функциям или выходным характеристикам. Эти функциональные описания обычно применяются к полным усилительным системам или подсистемам и редко к отдельным каскадам.
Усилители иногда классифицируются по методу соединения сигнала на входе, выходе или между каскадами. Различные типы включают:
В зависимости от диапазона частот и других свойств усилители проектируются по разным принципам.
Частотные диапазоны вплоть до постоянного тока используются только тогда, когда это свойство необходимо. Усилители для сигналов постоянного тока уязвимы к незначительным изменениям свойств компонентов со временем. Специальные методы, такие как усилители со стабилизацией прерывателем, используются для предотвращения нежелательного дрейфа свойств усилителя для постоянного тока. Конденсаторы «блокировки постоянного тока» могут быть добавлены для удаления постоянного тока и инфразвуковых частот из аудиоусилителей.
В зависимости от указанного диапазона частот должны использоваться различные принципы проектирования. До диапазона МГц необходимо учитывать только «дискретные» свойства; например, терминал имеет входное сопротивление.
Как только любое соединение в цепи становится длиннее, возможно, 1% длины волны самой высокой указанной частоты (например, при 100 МГц длина волны составляет 3 м, поэтому критическая длина соединения составляет приблизительно 3 см), свойства конструкции радикально меняются. Например, указанная длина и ширина дорожки печатной платы может использоваться как селективная или согласующая импеданс сущность. Выше нескольких сотен МГц становится трудно использовать дискретные элементы, особенно индукторы. В большинстве случаев вместо этого используются дорожки печатной платы очень точно определенных форм ( полосковые методы).
Диапазон частот, обрабатываемый усилителем, может быть указан в терминах полосы пропускания (обычно подразумевая реакцию на 3 дБ ниже, когда частота достигает указанной полосы пропускания) или путем указания частотной характеристики , которая находится в пределах определенного числа децибел между нижней и верхней частотой (например, «от 20 Гц до 20 кГц плюс или минус 1 дБ»).
Схемы усилителей мощности (выходные каскады) классифицируются как A, B, AB и C для аналоговых конструкций и классы D и E для коммутационных конструкций. Классы усилителей мощности основаны на пропорции каждого входного цикла (угол проводимости), в течение которого усиливающее устройство пропускает ток. [35] Изображение угла проводимости получается из усиления синусоидального сигнала. Если устройство всегда включено, угол проводимости составляет 360°. Если оно включено только половину каждого цикла, угол составляет 180°. Угол потока тесно связан с эффективностью мощности усилителя .
Практическая схема усилителя, показанная выше, может быть основой для аудиоусилителя средней мощности. Она имеет типичную (хотя и существенно упрощенную) конструкцию, как в современных усилителях, с двухтактным выходным каскадом класса AB и использует некоторую общую отрицательную обратную связь. Показаны биполярные транзисторы, но эта конструкция также может быть реализована с полевыми транзисторами или лампами.
Входной сигнал через конденсатор C1 подается на базу транзистора Q1. Конденсатор пропускает сигнал переменного тока , но блокирует постоянное напряжение смещения, установленное резисторами R1 и R2, так что оно не влияет ни на одну предыдущую схему. Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель (усилитель, который умножает разницу между двумя входами на некоторую константу) в схеме, известной как пара с длинным хвостом . Такая схема используется для удобного использования отрицательной обратной связи, которая подается с выхода на Q2 через R7 и R8.
Отрицательная обратная связь в дифференциальном усилителе позволяет усилителю сравнивать входной сигнал с фактическим выходным сигналом. Усиленный сигнал с Q1 напрямую подается на второй каскад Q3, который является каскадом с общим эмиттером , который обеспечивает дальнейшее усиление сигнала и смещение постоянного тока для выходных каскадов Q4 и Q5. R6 обеспечивает нагрузку для Q3 (лучшей конструкцией, вероятно, было бы использование здесь какой-либо формы активной нагрузки, например, стока постоянного тока). До сих пор весь усилитель работал в классе A. Выходная пара организована в двухтактную схему класса AB, также называемую комплементарной парой. Они обеспечивают большую часть усиления тока (при этом потребляя низкий ток покоя) и напрямую управляют нагрузкой, подключенной через конденсатор блокировки постоянного тока C2. Диоды D1 и D2 обеспечивают небольшое количество смещения постоянного напряжения для выходной пары, просто смещая их в проводящее состояние, чтобы минимизировать искажения кроссовера. То есть диоды надежно переводят выходной каскад в режим класса AB (при условии, что падение напряжения база-эмиттер выходных транзисторов уменьшается за счет рассеивания тепла).
Эта конструкция проста, но является хорошей основой для практической конструкции, поскольку она автоматически стабилизирует свою рабочую точку, поскольку внутренняя обратная связь работает от постоянного тока до звукового диапазона и далее. Дальнейшие элементы схемы, вероятно, будут найдены в реальной конструкции, которая будет спадать частотную характеристику выше необходимого диапазона, чтобы предотвратить возможность нежелательных колебаний . Кроме того, использование фиксированного смещения диода, как показано здесь, может вызвать проблемы, если диоды не будут как электрически, так и термически согласованы с выходными транзисторами — если выходные транзисторы будут включаться слишком часто, они могут легко перегреться и разрушить себя, поскольку полный ток от источника питания не ограничен на этом этапе.
Распространенным решением для стабилизации выходных устройств является включение некоторых эмиттерных резисторов, обычно около одного Ома. Расчет значений резисторов и конденсаторов схемы выполняется на основе используемых компонентов и предполагаемого использования усилителя.
Любой реальный усилитель является несовершенной реализацией идеального усилителя. Важным ограничением реального усилителя является то, что выходной сигнал, который он генерирует, в конечном счете ограничен мощностью, доступной от источника питания. Усилитель насыщается и отсекает выходной сигнал, если входной сигнал становится слишком большим для воспроизведения усилителем или превышает эксплуатационные пределы для устройства. Источник питания может влиять на выходной сигнал, поэтому его необходимо учитывать при проектировании. Выходная мощность усилителя не может превышать его входную мощность.
Схема усилителя имеет производительность "разомкнутого контура". Это описывается различными параметрами (усиление, скорость нарастания , выходное сопротивление , искажение , полоса пропускания , отношение сигнал/шум и т. д.). Многие современные усилители используют методы отрицательной обратной связи для удержания усиления на желаемом значении и уменьшения искажений. Отрицательная обратная связь имеет предполагаемый эффект снижения выходного сопротивления и, таким образом, увеличения электрического затухания движения громкоговорителя на резонансной частоте динамика и вблизи нее.
При оценке номинальной выходной мощности усилителя полезно учитывать приложенную нагрузку, тип сигнала (например, речь или музыка), требуемую длительность выходной мощности (например, кратковременную или непрерывную) и требуемый динамический диапазон (например, записанный или живой звук). В мощных аудиоприложениях, требующих длинных кабелей к нагрузке (например, кинотеатры и торговые центры), может быть более эффективным подключение к нагрузке при линейном выходном напряжении с согласующими трансформаторами на источнике и нагрузке. Это позволяет избежать длинных прокладок тяжелых акустических кабелей.
Для предотвращения нестабильности или перегрева необходимо следить за тем, чтобы твердотельные усилители были достаточно загружены. Большинство из них имеют номинальный минимальный импеданс нагрузки.
Все усилители генерируют тепло за счет электрических потерь. Усилитель должен рассеивать это тепло посредством конвекции или принудительного воздушного охлаждения. Тепло может повредить или сократить срок службы электронных компонентов. Проектировщики и установщики также должны учитывать воздействие тепла на соседнее оборудование.
Различные типы источников питания приводят к множеству различных методов смещения . Смещение — это метод, с помощью которого активные устройства настраиваются на работу в определенной области или с помощью которого постоянная составляющая выходного сигнала устанавливается в средней точке между максимальными напряжениями, доступными от источника питания. Большинство усилителей используют несколько устройств на каждом этапе; они обычно согласованы по спецификациям, за исключением полярности. Согласованные устройства с инвертированной полярностью называются комплементарными парами. Усилители класса A обычно используют только одно устройство, если только источник питания не настроен на подачу как положительного, так и отрицательного напряжения, в этом случае может использоваться симметричная конструкция с двумя устройствами. Усилители класса C, по определению, используют питание с одной полярностью.
Усилители часто имеют несколько каскадов в каскаде для увеличения усиления. Каждый каскад этих конструкций может быть другим типом усилителя, чтобы соответствовать потребностям этого каскада. Например, первый каскад может быть каскадом класса A, питающим двухтактный второй каскад класса AB, который затем управляет конечным выходным каскадом класса G, используя преимущества каждого типа, при этом минимизируя их недостатки.
