Усилитель , электронный усилитель или (неофициально) усилитель — это электронное устройство, которое может увеличивать величину сигнала ( изменяющегося во времени напряжения или тока ). Это двухпортовая электронная схема, которая использует электрическую энергию от источника питания для увеличения амплитуды (величины напряжения или тока) сигнала, подаваемого на ее входные клеммы, создавая на выходе сигнал пропорционально большей амплитуды. Величина усиления, обеспечиваемая усилителем, измеряется его коэффициентом усиления : отношением выходного напряжения, тока или мощности к входной. Усилитель определяется как схема, коэффициент усиления которой превышает единицу. [2] [3] [4]
Усилитель может представлять собой либо отдельное оборудование, либо электрическую цепь, содержащуюся в другом устройстве. Усиление имеет основополагающее значение для современной электроники, и усилители широко используются практически во всем электронном оборудовании. Усилители можно классифицировать по-разному. Один из них — частота усиливаемого электронного сигнала. Например, усилители звука усиливают сигналы в звуковом (звуковом) диапазоне менее 20 кГц, радиочастотные усилители усиливают частоты в диапазоне радиочастот от 20 кГц до 300 ГГц, а сервоусилители и инструментальные усилители могут работать с очень низкими частотами, вплоть до постоянный ток. Усилители также можно разделить на категории по их физическому расположению в сигнальной цепи ; предусилитель может предшествовать другим этапам обработки сигнала, например [5] , в то время как усилитель мощности обычно используется после других этапов усилителя, чтобы обеспечить достаточную выходную мощность для окончательного использования сигнала. Первым практическим электрическим устройством, которое могло усиливать, была вакуумная лампа- триод , изобретенная в 1906 году Ли Де Форестом , которая привела к созданию первых усилителей примерно в 1912 году. Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы .
Первым известным практическим устройством, которое могло усиливать, была вакуумная лампа-триод , изобретенная в 1906 году Ли Де Форестом , которая привела к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Электронные лампы использовались почти во всех усилителях до 1960–1970-х годов, когда их заменили транзисторы . Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы, но в некоторых приложениях продолжают использоваться электронные лампы.
Развитие технологии аудиосвязи в виде телефона , впервые запатентованного в 1876 году, создало необходимость увеличения амплитуды электрических сигналов для расширения передачи сигналов на все более большие расстояния. В телеграфии эта проблема была решена с помощью промежуточных устройств на станциях, которые восполняли рассеиваемую энергию путем последовательной работы записывающего сигнала и передатчика, образуя реле , так что локальный источник энергии на каждой промежуточной станции питал следующий участок пути. передача инфекции. Для дуплексной передачи, т. е. отправки и получения в обоих направлениях, были разработаны двунаправленные ретрансляторы, начиная с работы К. Ф. Варли для телеграфной передачи. Дуплексная передача была необходима для телефонии, и проблема не была решена удовлетворительно до 1904 года, когда Х. Э. Шрив из Американской телефонной и телеграфной компании усовершенствовал существующие попытки создания телефонного ретранслятора , состоящего из пар передатчика из углеродных гранул и электродинамического приемника. [6] Ретранслятор Шрив был впервые протестирован на линии между Бостоном и Эймсбери, штат Массачусетс, и более совершенные устройства оставались в эксплуатации в течение некоторого времени. На рубеже веков было обнаружено, что ртутные лампы с отрицательным сопротивлением могут усиливать мощность, и их также опробовали в репитерах, но без особого успеха. [7]
Разработка термоэмиссионных клапанов , начавшаяся примерно в 1902 году, обеспечила полностью электронный метод усиления сигналов. Первой практической версией таких устройств был триод Audion , изобретенный в 1906 году Ли Де Форестом , [8] [9] [10] который привел к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. [11] Поскольку единственное предыдущее устройство, которое широко использовалось, Для усиления сигнала в телеграфных системах применялось реле , усилительную лампу сначала называли электронным реле . [12] [13] [14] [15] Термины «усилитель» и «усиление» , происходящие от латинского amplificare ( увеличивать или расширять ), [16] впервые были использованы для обозначения этой новой возможности примерно в 1915 году, когда триоды получили широкое распространение. [16]
Усилительная вакуумная лампа произвела революцию в электротехнике. [11] Это сделало возможными междугородные телефонные линии, системы громкой связи , радиовещание , говорящее кино , практическую аудиозапись , радар , телевидение и первые компьютеры . В течение 50 лет практически во всех бытовых электронных устройствах использовались электронные лампы. Ранние ламповые усилители часто имели положительную обратную связь ( регенерацию ), которая могла увеличить усиление, но также сделать усилитель нестабильным и склонным к колебаниям. Большая часть математической теории усилителей была разработана в Bell Telephone Laboratories в период с 1920 по 1940 годы. Уровни искажений в ранних усилителях были высокими, обычно около 5%, до 1934 года, когда у Гарольда Блэка появилась отрицательная обратная 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]
В течение 40 лет вакуумная лампа была практически единственным усилительным устройством, не считая специализированных силовых устройств, таких как магнитный усилитель и амплидин . В схемах управления мощностью использовались магнитные усилители до второй половины двадцатого века, когда силовые полупроводниковые устройства стали более экономичными и имели более высокую рабочую скорость. Старые электроакустические углеродные повторители Шрива использовались в регулируемых усилителях в телефонных абонентских аппаратах для людей с нарушениями слуха, пока в 1950-х годах транзисторы не предоставили усилители меньшего размера и более высокого качества. [18]
Первым работающим транзистором был транзистор с точечным контактом , изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Брэттеном в 1947 году в Bell Labs , где Уильям Шокли позже изобрел биполярный переходной транзистор (BJT) в 1948 году. За ними последовало изобретение металлооксидного транзистора . полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET), разработанный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Благодаря масштабированию MOSFET , способности уменьшаться 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 транзисторные радиоприемники , разработанные в 1954 году. Сегодня использование электронных ламп ограничено некоторыми устройствами большой мощности. приложения, такие как радиопередатчики , а также некоторые музыкальные инструменты и усилители для аудиофилов высокого класса .
Начиная с 1970-х годов все больше и больше транзисторов соединялись в одном кристалле, тем самым создавая более высокие масштабы интеграции (такие как малая, средняя и крупномасштабная интеграция ) в интегральных схемах . Многие коммерчески доступные сегодня усилители основаны на интегральных схемах.
Для специальных целей использовались и другие активные элементы. Например , на заре спутниковой связи использовались параметрические усилители . Основная схема представляла собой диод, емкость которого менялась радиочастотным сигналом, создаваемым 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 20-го века предоставили новые альтернативы традиционным усилителям с линейным коэффициентом усиления за счет использования цифрового переключения для изменения формы импульса сигналов с фиксированной амплитудой, в результате чего появились такие устройства, как усилитель класса D.
По сути, усилитель представляет собой электрическую двухпортовую сеть , которая генерирует на выходном порте сигнал, который является точной копией сигнала, подаваемого на входной порт, но увеличенной по величине.
Входной порт можно идеализировать как вход напряжения, не потребляющий ток, с выходным сигналом, пропорциональным напряжению на порту; или токовый вход без напряжения на нем, выходной сигнал которого пропорционален току через порт. Выходной порт можно идеализировать как зависимый источник напряжения с нулевым сопротивлением источника и выходным напряжением, зависящим от входного; или зависимый источник тока с бесконечным сопротивлением источника и выходным током, зависящим от входа. Комбинация этих вариантов приводит к четырем типам идеальных усилителей. [5] В идеализированном виде они представлены каждым из четырех типов зависимых источников, используемых в линейном анализе, как показано на рисунке, а именно:
Каждый тип усилителя в его идеальной форме имеет идеальное входное и выходное сопротивление, такое же, как у соответствующего зависимого источника: [20]
В реальных усилителях идеальных импедансов 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 слабого сигнала, чтобы найти фактическое сопротивление. Испытательный переменный ток малого сигнала 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. х /я х . [21]
Усилители, предназначенные для подключения к линии передачи на входе и выходе, особенно радиочастотные усилители , не подпадают под этот подход к классификации. Вместо того, чтобы иметь дело с напряжением или током по отдельности, они в идеале сочетаются с входным или выходным сопротивлением, согласованным с импедансом линии передачи, то есть согласовывают соотношение напряжения и тока. Многие реальные радиочастотные усилители близки к этому идеалу. Хотя для заданного импеданса источника и нагрузки ВЧ-усилители можно охарактеризовать как усиливающие напряжение или ток, по сути они усиливают мощность. [22]
Свойства усилителя задаются параметрами, которые включают в себя:
Усилители описываются в соответствии со свойствами их входов, выходов и их взаимосвязью. [23] Все усилители имеют коэффициент усиления — коэффициент умножения, который связывает величину некоторого свойства выходного сигнала со свойством входного сигнала. Коэффициент усиления может быть определен как отношение выходного напряжения к входному напряжению ( коэффициент усиления напряжения ), выходной мощности к входной мощности ( коэффициент усиления мощности ) или некоторой комбинации тока, напряжения и мощности. Во многих случаях изменяющееся свойство выходного сигнала зависит от того же свойства входного сигнала, что делает усиление безразмерным (хотя часто выражается в децибелах (дБ)).
Большинство усилителей спроектированы как линейные. То есть они обеспечивают постоянное усиление при любом нормальном уровне входного и выходного сигнала. Если коэффициент усиления усилителя не является линейным, выходной сигнал может искажаться . Однако есть случаи, когда переменное усиление полезно. В некоторых приложениях обработки сигналов используются усилители с экспоненциальным усилением. [5]
Усилители обычно проектируются так, чтобы хорошо работать в конкретном приложении, например: радио- и телевизионные передатчики и приемники , высококачественное стереооборудование («hi-fi»), микрокомпьютеры и другое цифровое оборудование, а также усилители для гитар и других инструментов . Каждый усилитель включает в себя по крайней мере одно активное устройство , такое как электронная лампа 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 ко входу в противоположной фазе, вычитаясь из входного сигнала. Основной эффект заключается в уменьшении общего усиления системы. Однако любые нежелательные сигналы, вносимые усилителем, например искажения, также возвращаются. Поскольку они не являются частью исходного входного сигнала, они добавляются к входному сигналу в противоположной фазе, вычитая его из входного сигнала. Таким образом, отрицательная обратная связь также снижает нелинейность, искажения и другие ошибки, вносимые усилителем. Большое количество отрицательной обратной связи может уменьшить ошибки до такой степени, что отклик самого усилителя становится почти незначимым, пока он имеет большой коэффициент усиления, а выходные характеристики системы («характеристики замкнутого контура ») полностью определяются компоненты в контуре обратной связи. Этот метод используется, в частности, с операционными усилителями (ОУ).
Усилители без обратной связи могут обеспечить искажение звуковых сигналов лишь примерно на 1%. При отрицательной обратной связи искажения обычно можно уменьшить до 0,001%. Шум, даже искажения кроссовера, можно практически устранить. Отрицательная обратная связь также компенсирует изменение температуры, а также ухудшение или нелинейность компонентов в каскаде усиления, но любое изменение или нелинейность компонентов в контуре обратной связи повлияет на выходной сигнал. Действительно, способность контура обратной связи определять выходной сигнал используется для создания активных схем фильтров .
Еще одним преимуществом отрицательной обратной связи является то, что она расширяет полосу пропускания усилителя. Концепция обратной связи используется в операционных усилителях для точного определения коэффициента усиления, полосы пропускания и других параметров, полностью основываясь на компонентах контура 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 — она создается, например, паразитными элементами , такими как собственная емкость между входом и выходом таких устройств, как транзисторы, и емкостная связь внешней проводки. Чрезмерная частотно-зависимая положительная обратная связь может вызвать паразитные колебания и превратить усилитель в генератор .
Все усилители включают в себя какое-либо активное устройство: это устройство, которое осуществляет фактическое усиление. Активным устройством может быть вакуумная лампа , дискретный полупроводниковый компонент, например одиночный транзистор , или часть интегральной схемы , как в операционном усилителе ).
Транзисторные усилители (или полупроводниковые усилители) являются наиболее распространенным типом усилителей, используемых сегодня. В качестве активного элемента используется транзистор. Коэффициент усиления усилителя определяется свойствами самого транзистора, а также схемы, внутри которой он находится.
Обычные активные устройства в транзисторных усилителях включают транзисторы с биполярным переходом (BJT) и металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).
Применения многочисленны, некоторые распространенные примеры - усилители звука в домашней стереосистеме или системе громкой связи , генерация высокой мощности RF для полупроводникового оборудования, а также радиочастотные и микроволновые приложения, такие как радиопередатчики.
Усиление на основе транзистора может быть реализовано с использованием различных конфигураций: например, биполярный транзистор может реализовывать 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 разные характеристики.
В ламповых усилителях (также известных как ламповые усилители или ламповые усилители) в качестве активного устройства используется электронная лампа . В то время как полупроводниковые усилители в значительной степени вытеснили ламповые усилители для приложений с низким энергопотреблением, ламповые усилители могут быть гораздо более экономичными в приложениях с высокой мощностью, таких как радары, оборудование противодействия и оборудование связи. Многие микроволновые усилители представляют собой специально разработанные ламповые усилители, такие как клистрон , гиротрон , лампа бегущей волны и усилитель со скрещенным полем , и эти микроволновые клапаны обеспечивают гораздо большую выходную мощность одного устройства на микроволновых частотах, чем полупроводниковые устройства. [24] Электронные лампы по-прежнему используются в некотором высококачественном аудиооборудовании, а также в усилителях музыкальных инструментов из-за предпочтения « лампового звука ».
Магнитные усилители — это устройства, чем-то похожие на трансформатор , в котором одна обмотка используется для управления насыщением магнитного сердечника и, следовательно, изменения импеданса другой обмотки. [25]
Они в значительной степени вышли из употребления из-за разработки полупроводниковых усилителей, но все еще полезны в управлении HVDC и в схемах управления ядерной энергией, поскольку на них не влияет радиоактивность.
Отрицательные сопротивления можно использовать в качестве усилителей, например, усилителя на туннельном диоде . [26] [27]
Усилитель мощности — это усилитель, предназначенный в первую очередь для увеличения мощности, доступной для нагрузки . На практике коэффициент усиления усилителя зависит от импеданса источника и нагрузки , а также от собственного коэффициента усиления по напряжению и току. Конструкция радиочастотного ( РЧ ) усилителя обычно оптимизирует импедансы для передачи мощности, тогда как конструкции усилителей звука и инструментальных усилителей обычно оптимизируют входное и выходное сопротивление для наименьшей нагрузки и максимальной целостности сигнала. Усилитель, о котором говорят, что коэффициент усиления равен 20 дБ, может иметь коэффициент усиления по напряжению 20 дБ и доступный коэффициент усиления по мощности намного более 20 дБ (коэффициент усиления 100), но на самом деле он обеспечивает гораздо меньший коэффициент усиления по мощности, если, например, , вход поступает от микрофона сопротивлением 600 Ом, а выход подключается к входному разъему 47 кОм для усилителя мощности. В общем, усилитель мощности — это последний «усилитель» или реальная схема в сигнальной цепи (выходной каскад), а также каскад усилителя, требующий внимания к энергоэффективности. Соображения эффективности приводят к созданию различных классов усилителей мощности, основанных на смещении выходных транзисторов или ламп: см. классы усилителей мощности ниже.
Усилители мощности звука обычно используются для управления громкоговорителями . Они часто имеют два выходных канала и подают на каждый одинаковую мощность. Усилитель мощности RF 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 в разомкнутом контуре и дифференциальные входы. Операционные усилители стали очень широко использоваться в качестве стандартизированных «блоков усиления» в схемах из-за их универсальности; их усилением, полосой пропускания и другими характеристиками можно управлять по обратной связи через внешнюю цепь. Хотя сегодня этот термин обычно применяется к интегральным схемам, в оригинальной конструкции операционного усилителя использовались лампы, а в более поздних конструкциях использовались схемы на дискретных транзисторах.
Полностью дифференциальный усилитель похож на операционный усилитель, но также имеет дифференциальные выходы. Обычно они создаются с использованием BJT или FET .
В них используются симметричные линии передачи для разделения отдельных однокаскадных усилителей, выходные сигналы которых суммируются по одной и той же линии передачи. Линия передачи представляет собой симметричный тип: вход находится на одном конце и только на одной стороне симметричной линии передачи, а выход на противоположном конце также является противоположной стороной симметричной линии передачи. Усиление каждого каскада линейно складывается с выходным сигналом, а не умножается одно на другое, как в каскадной конфигурации. Это позволяет достичь более широкой полосы пропускания, чем можно было бы реализовать в противном случае даже с теми же элементами каскада усиления.
Эти нелинейные усилители имеют гораздо более высокий КПД, чем линейные усилители, и используются там, где экономия энергии оправдывает дополнительную сложность. Усилители класса D являются основным примером усиления этого типа.
Усилитель с отрицательным сопротивлением — это тип регенеративного усилителя, который может использовать обратную связь между истоком и затвором транзистора для преобразования емкостного сопротивления истока транзистора в отрицательное сопротивление его затвора. По сравнению с другими типами усилителей, этому «усилителю с отрицательным сопротивлением» потребуется лишь небольшая мощность 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, предназначен ли видеосигнал для SDTV, EDTV, HDTV 720p или 1080i/p и т. д. Характеристики самой полосы пропускания зависят от того, какой тип фильтра используется — и при в какой точке ( например, –1 дБ или –3 дБ ) измеряется полоса пропускания. Для получения приемлемого телевизионного изображения необходимы определенные требования к переходной характеристике и перерегулированию. [28]
Усилители на лампах бегущей волны (TWTA) используются для усиления высокой мощности на низких микроволновых частотах. Обычно они могут усиливать широкий спектр частот; однако они обычно не так настраиваемы, как клистроны. [29]
Клистроны — это специализированные вакуумные устройства с линейным лучом, предназначенные для обеспечения мощного, широко настраиваемого усиления миллиметровых и субмиллиметровых волн. Клистроны предназначены для крупномасштабных операций, и, несмотря на более узкую полосу пропускания, чем TWTA, они имеют то преимущество, что когерентно усиливают опорный сигнал, поэтому его выходной сигнал можно точно контролировать по амплитуде, частоте и фазе.
Твердотельные устройства , такие как кремниевые МОП-транзисторы с коротким каналом, такие как полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник с двойной диффузией (DMOS), полевые транзисторы GaAs , биполярные транзисторы с гетеропереходом SiGe и GaAs / HBT, HEMT , диоды IMPATT и другие, используются особенно в более низких микроволновых диапазонах. частоты и уровни мощности порядка ватт, особенно в таких приложениях, как портативные радиочастотные терминалы/ сотовые телефоны и точки доступа, где определяющими факторами являются размер и эффективность. Новые материалы, такие как нитрид галлия ( GaN ) или GaN на кремнии или на карбиде кремния /SiC, появляются в HEMT-транзисторах и приложениях, где повышается эффективность, широкая полоса пропускания, работа примерно от нескольких до нескольких десятков ГГц с выходной мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен. необходимо ватт. [30] [31]
В зависимости от технических характеристик усилителя и требований к размеру СВЧ-усилители могут быть реализованы как монолитно-интегральные, интегрированные в виде модулей или на основе дискретных частей или любой их комбинации.
Мазер представляет собой неэлектронный усилитель СВЧ .
Инструментальные усилители — это серия усилителей мощности звука, используемых для повышения уровня звука музыкальных инструментов, например гитар, во время выступлений. Тон усилителей в основном определяется порядком и количеством применения эквалайзера и искажений [32].
Один набор классификаций усилителей основан на том, какой вывод устройства является общим как для входной, так и для выходной цепи. В случае транзисторов с биполярным переходом три класса — это общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Для полевых транзисторов соответствующие конфигурации: общий исток, общий затвор и общий сток; для электронных ламп , общий катод, общая сетка и общая пластина.
Общий эмиттер (или общий источник, общий катод и т. д.) чаще всего конфигурируется для обеспечения усиления напряжения, приложенного между базой и эмиттером, а выходной сигнал, принимаемый между коллектором и эмиттером, инвертируется относительно входного. Схема с общим коллектором подает входное напряжение между базой и коллектором и снимает выходное напряжение между эмиттером и коллектором. Это вызывает отрицательную обратную связь, и выходное напряжение имеет тенденцию следовать за входным напряжением. Такая схема также используется, поскольку вход имеет высокий импеданс 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, выходной сигнал которого не имеет обратной связи с входной стороной, называется «односторонним». Входное сопротивление одностороннего усилителя не зависит от нагрузки, а выходное сопротивление не зависит от сопротивления источника сигнала. [33]
Усилитель, который использует обратную связь для подключения части выхода обратно к входу, является двусторонним усилителем. Входное сопротивление двустороннего усилителя зависит от нагрузки, а выходное сопротивление от сопротивления источника сигнала. Все усилители в той или иной степени являются двусторонними; однако их часто можно моделировать как односторонние в условиях эксплуатации, когда обратная связь достаточно мала, чтобы ею можно было пренебречь в большинстве целей, что упрощает анализ ( пример см. в статье о общей базе ).
Другой способ классификации усилителей — это соотношение фаз входного сигнала и выходного сигнала. «Инвертирующий» усилитель выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе на 180 градусов с входным сигналом (то есть инверсия полярности или зеркальное отображение входного сигнала, как это видно на осциллографе ) . «Неинвертирующий» усилитель поддерживает фазу входного сигнала. Эмиттерный повторитель — это тип неинвертирующего усилителя, указывающий на то, что сигнал на эмиттере транзистора следует (то есть согласуется с единичным коэффициентом усиления, но, возможно, со смещением) за входным сигналом. Повторитель напряжения также представляет собой усилитель неинвертирующего типа с единичным коэффициентом усиления.
Это описание может применяться к одному каскаду усилителя или ко всей усилительной системе.
Другие усилители можно классифицировать по их функциям или выходным характеристикам. Эти функциональные описания обычно применимы к полным системам усилителей или подсистемам и редко к отдельным каскадам.
Усилители иногда классифицируют по методу связи сигнала на входе, выходе или между каскадами. К их различным типам относятся:
В зависимости от диапазона частот и других свойств усилители устроены по разным принципам.
Диапазоны частот вплоть до постоянного тока используются только тогда, когда это свойство необходимо. Усилители сигналов постоянного тока уязвимы к незначительным изменениям свойств компонентов со временем. Специальные методы, такие как усилители с прерывательной стабилизацией, используются для предотвращения нежелательного дрейфа свойств усилителя по постоянному току. Конденсаторы «блокировки постоянного тока» могут быть добавлены для удаления постоянного тока и дозвуковых частот из аудиоусилителей.
В зависимости от указанного диапазона частот необходимо использовать разные принципы проектирования. Вплоть до диапазона МГц необходимо учитывать только «дискретные» свойства; например, терминал имеет входное сопротивление.
Как только любое соединение внутри схемы становится длиннее, чем, возможно, 1% длины волны самой высокой заданной частоты (например, при 100 МГц длина волны составляет 3 м, поэтому критическая длина соединения составляет около 3 см), свойства конструкции радикально меняются. Например, заданная длина и ширина дорожки печатной платы может использоваться в качестве объекта выборочного согласования или согласования импеданса. При частотах выше нескольких сотен МГц становится трудно использовать дискретные элементы, особенно катушки индуктивности. В большинстве случаев вместо этого используются дорожки печатной платы очень четко определенной формы ( методы полосковых линий ).
Частотный диапазон, обрабатываемый усилителем, может быть указан в терминах полосы пропускания (обычно подразумевается, что отклик снижается на 3 дБ , когда частота достигает указанной полосы пропускания), или путем указания частотной характеристики , находящейся в пределах определенного количества децибел между более низкими частотами. и верхнюю частоту (например, «от 20 Гц до 20 кГц плюс-минус 1 дБ»).
Схемы усилителей мощности (выходные каскады) классифицируются как A, B, AB и C для аналоговых конструкций, а также классы D и E для коммутационных конструкций. Классы усилителей мощности основаны на доле каждого входного цикла (угла проводимости), в течение которого усилительное устройство пропускает ток. [35] Изображение угла проводимости получается в результате усиления синусоидального сигнала. Если устройство всегда включено, угол проводимости составляет 360°. Если он включен только половину каждого цикла, угол равен 180°. Угол потока тесно связан с энергоэффективностью усилителя .
Показанная выше практическая схема усилителя может стать основой для аудиоусилителя средней мощности. Он имеет типичную (хотя и существенно упрощенную) конструкцию современных усилителей с двухтактным выходным каскадом класса AB и использует некоторую общую отрицательную обратную связь. Показаны биполярные транзисторы, но эту конструкцию также можно реализовать с помощью полевых транзисторов или ламп.
Входной сигнал через конденсатор C1 подается на базу транзистора Q1. Конденсатор пропускает сигнал переменного тока, но блокирует напряжение смещения постоянного тока , создаваемое резисторами R1 и R2, так что оно не влияет на любую предыдущую цепь. Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель (усилитель, который умножает разницу между двумя входами на некоторую константу) по схеме, известной как пара с длинным хвостом . Такое расположение 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 представляет собой каскад с общим эмиттером , обеспечивающий дальнейшее усиление сигнала и смещение постоянного тока для выходных каскадов Q4 и Q5. R6 обеспечивает нагрузку для Q3 (лучшей конструкцией, вероятно, было бы использовать здесь некоторую форму активной нагрузки, например, сток постоянного тока). На данный момент все усилители работают в классе А. Выходная пара организована в двухтактном режиме класса AB, также называемом комплементарной парой. Они обеспечивают усиление большей части тока (при низком токе покоя) и непосредственно управляют нагрузкой, подключенной через блокирующий постоянный ток конденсатор C2. Диоды D1 и D2 обеспечивают небольшое смещение постоянного напряжения для выходной пары, просто переводя их в проводящее состояние, чтобы минимизировать перекрестные искажения. То есть диоды 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 действует от постоянного тока до звукового диапазона и за его пределами. В реальной конструкции, вероятно, будут найдены дополнительные элементы схемы, которые будут снижать частотную характеристику выше необходимого диапазона, чтобы предотвратить возможность нежелательных колебаний . Кроме того, использование фиксированного смещения диодов, как показано здесь, может вызвать проблемы, если диоды не согласованы ни электрически, ни термически с выходными транзисторами – если выходные транзисторы включаются слишком часто, они могут легко перегреться и выйти из строя, так как полный ток на этом этапе питание от источника питания не ограничено.
Распространенным решением для стабилизации выходных устройств является включение нескольких эмиттерных резисторов, обычно один Ом или около того. Расчет номиналов резисторов и конденсаторов схемы производится на основе используемых компонентов и предполагаемого использования усилителя.
Любой реальный усилитель — это несовершенная реализация идеального усилителя. Важным ограничением реального усилителя является то, что генерируемая им выходная мощность в конечном итоге ограничена мощностью источника питания. Усилитель насыщает и ограничивает выходной сигнал, если входной сигнал становится слишком большим для воспроизведения усилителем или превышает эксплуатационные пределы устройства. Источник питания может влиять на выходную мощность, поэтому это следует учитывать при проектировании. Выходная мощность усилителя не может превышать его входную мощность.
Схема усилителя имеет принцип «разомкнутого контура». Это описывается различными параметрами (усиление, скорость нарастания , выходное сопротивление , искажения , полоса пропускания , отношение сигнал/шум и т. д.). Многие современные усилители используют методы отрицательной обратной связи для поддержания желаемого значения усиления и уменьшения искажений. Отрицательная петлевая обратная связь призвана снизить выходное сопротивление и тем самым увеличить электрическое демпфирование движения громкоговорителя на резонансной частоте громкоговорителя и вблизи нее.
При оценке номинальной выходной мощности усилителя полезно учитывать приложенную нагрузку, тип сигнала (например, речь или музыка), требуемую продолжительность выходной мощности (например, кратковременный или непрерывный) и требуемый динамический диапазон (например, записываемый или непрерывный). живой звук). В мощных аудиоприложениях, требующих длинных кабелей для подключения к нагрузке (например, в кинотеатрах и торговых центрах), может оказаться более эффективным подключение нагрузки к линейному выходному напряжению с согласующими трансформаторами на источнике и нагрузке. Это позволяет избежать использования длинных акустических кабелей.
Чтобы предотвратить нестабильность или перегрев, необходимо позаботиться о том, чтобы твердотельные усилители были адекватно нагружены. Большинство из них имеют номинальное минимальное сопротивление нагрузки.
Все усилители выделяют 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 монтажники также должны учитывать тепловое воздействие на соседнее оборудование.
Различные типы источников питания приводят к появлению множества различных методов смещения . Смещение — это метод, с помощью которого активные устройства настраиваются на работу в определенной области или с помощью которого составляющая постоянного тока выходного сигнала устанавливается в среднюю точку между максимальными напряжениями, доступными от источника питания. В большинстве усилителей на каждом этапе используется несколько устройств; они обычно совпадают по характеристикам, за исключением полярности. Устройства с согласованной обратной полярностью называются комплементарными парами. В усилителях класса A обычно используется только одно устройство, если источник питания не настроен на подачу как положительного, так и отрицательного напряжения, и 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 для увеличения усиления. Каждая ступень этих конструкций может представлять собой усилитель разного типа, соответствующий потребностям этой ступени. Например, первая ступень может быть ступенью класса A, питающей двухтактную вторую ступень класса AB, которая затем приводит в действие конечный выходной каскад класса G, используя преимущества каждого типа, минимизируя при этом их недостатки.
