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, 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, широко применявшимся для усиления сигнала, было реле, используемое в телеграфных системах, усилительная вакуумная лампа сначала называлась электронным реле . [12] [13] [14] [15] Термины усилитель и усиление , происходящие от латинского amplificare ( увеличивать или расширять ), [16] впервые были 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 подключения 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 хорошей работы в определенном приложении, например: радио- и телевизионные передатчики и приемники , высококачественное («hi-fi») стереооборудование, микрокомпьютеры и другое цифровое оборудование, а также гитарные и другие инструментальные усилители . 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 HVDC и в схемах управления ядерной энергетикой, поскольку не подвержены воздействию радиоактивности.
Отрицательные сопротивления могут использоваться в качестве усилителей, например, в качестве усилителя 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 напряжения 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, сохраняя при этом 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 устройства, 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 являются двусторонними; 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 полной 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:
Depending on the frequency range and other properties amplifiers are designed according to different principles.
Frequency ranges down to DC are used only when this property is needed. Amplifiers for direct current signals are vulnerable to minor variations in the properties of components with time. Special methods, such as chopper stabilized amplifiers are used to prevent objectionable drift in the amplifier's properties for DC. "DC-blocking" capacitors can be added to remove DC and sub-sonic frequencies from audio amplifiers.
Depending on the frequency range specified different design principles must be used. Up to the MHz range only "discrete" properties need be considered; e.g., a terminal has an input impedance.
As soon as any connection within the circuit gets longer than perhaps 1% of the wavelength of the highest specified frequency (e.g., at 100 MHz the wavelength is 3 m, so the critical connection length is approx. 3 cm) design properties radically change. For example, a specified length and width of a PCB trace can be used as a selective or impedance-matching entity. Above a few hundred MHz, it gets difficult to use discrete elements, especially inductors. In most cases, PCB traces of very closely defined shapes are used instead (stripline techniques).
The frequency range handled by an amplifier might be specified in terms of bandwidth (normally implying a response that is 3 dB down when the frequency reaches the specified bandwidth), or by specifying a frequency response that is within a certain number of decibels between a lower and an upper frequency (e.g. "20 Hz to 20 kHz plus or minus 1 dB").
Power amplifier circuits (output stages) are classified as A, B, AB and C for analog designs—and class D and E for switching designs. The power amplifier classes are based on the proportion of each input cycle (conduction angle) during which an amplifying device passes current.[35] The image of the conduction angle derives from amplifying a sinusoidal signal. If the device is always on, the conducting angle is 360°. If it is on for only half of each cycle, the angle is 180°. The angle of flow is closely related to the amplifier power efficiency.
The practical amplifier circuit shown above could be the basis for a moderate-power audio amplifier. It features a typical (though substantially simplified) design as found in modern amplifiers, with a class-AB push–pull output stage, and uses some overall negative feedback. Bipolar transistors are shown, but this design would also be realizable with FETs or valves.
The input signal is coupled through capacitor C1 to the base of transistor Q1. The capacitor allows the AC signal to pass, but blocks the DC bias voltage established by resistors R1 and R2 so that any preceding circuit is not affected by it. Q1 and Q2 form a differential amplifier (an amplifier that multiplies the difference between two inputs by some constant), in an arrangement known as a long-tailed pair. This arrangement is used to conveniently allow the use of negative feedback, which is fed from the output to Q2 via R7 and R8.
The negative feedback into the difference amplifier allows the amplifier to compare the input to the actual output. The amplified signal from Q1 is directly fed to the second stage, Q3, which is a common emitter stage that provides further amplification of the signal and the DC bias for the output stages, Q4 and Q5. R6 provides the load for Q3 (a better design would probably use some form of active load here, such as a constant-current sink). So far, all of the amplifier is operating in class A. The output pair are arranged in class-AB push–pull, also called a complementary pair. They provide the majority of the current amplification (while consuming low quiescent current) and directly drive the load, connected via DC-blocking capacitor C2. The diodes D1 and D2 provide a small amount of constant voltage bias for the output pair, just biasing them into the conducting state so that crossover distortion is minimized. That is, the diodes push the output stage firmly into class-AB mode (assuming that the base-emitter drop of the output transistors is reduced by heat dissipation).
This design is simple, but a good basis for a practical design because it automatically stabilises its operating point, since feedback internally operates from DC up through the audio range and beyond. Further circuit elements would probably be found in a real design that would roll-off the frequency response above the needed range to prevent the possibility of unwanted oscillation. Also, the use of fixed diode bias as shown here can cause problems if the diodes are not both electrically and thermally matched to the output transistors – if the output transistors turn on too much, they can easily overheat and destroy themselves, as the full current from the power supply is not limited at this stage.
A common solution to help stabilise the output devices is to include some emitter resistors, typically one ohm or so. Calculating the values of the circuit's resistors and capacitors is done based on the components employed and the intended use of the amp.
Any real amplifier is an imperfect realization of an ideal amplifier. An important limitation of a real amplifier is that the output it generates is ultimately limited by the power available from the power supply. An amplifier saturates and clips the output if the input signal becomes too large for the amplifier to reproduce or exceeds operational limits for the device. The power supply may influence the output, so must be considered in the design. The power output from an amplifier cannot exceed its input power.
The amplifier circuit has an "open loop" performance. This is described by various parameters (gain, slew rate, output impedance, distortion, bandwidth, signal-to-noise ratio, etc.). Many modern amplifiers use negative feedback techniques to hold the gain at the desired value and reduce distortion. Negative loop feedback has the intended effect of lowering the output impedance and thereby increasing electrical damping of loudspeaker motion at and near the resonance frequency of the speaker.
When assessing rated amplifier power output, it is useful to consider the applied load, the signal type (e.g., speech or music), required power output duration (i.e., short-time or continuous), and required dynamic range (e.g., recorded or live audio). In high-powered audio applications that require long cables to the load (e.g., cinemas and shopping centres) it may be more efficient to connect to the load at line output voltage, with matching transformers at source and loads. This avoids long runs of heavy speaker cables.
To prevent instability or overheating requires care to ensure solid state amplifiers are adequately loaded. Most have a rated minimum load impedance.
All amplifiers generate heat through electrical losses. The amplifier must dissipate this heat via convection or forced air cooling. Heat can damage or reduce electronic component service life. Designers and installers must also consider heating effects on adjacent equipment.
Different power supply types result in many different methods of bias. Bias is a technique by which active devices are set to operate in a particular region, or by which the DC component of the output signal is set to the midpoint between the maximum voltages available from the power supply. Most amplifiers use several devices at each stage; they are typically matched in specifications except for polarity. Matched inverted polarity devices are called complementary pairs. Class-A amplifiers generally use only one device, unless the power supply is set to provide both positive and negative voltages, in which case a dual device symmetrical design may be used. Class-C amplifiers, by definition, use a single polarity supply.
Amplifiers often have multiple stages in cascade to increase gain. Each stage of these designs may be a different type of amp to suit the needs of that stage. For instance, the first stage might be a class-A stage, feeding a class-AB push–pull second stage, which then drives a class-G final output stage, taking advantage of the strengths of each type, while minimizing their weaknesses.
