Как работает усилитель класса «АВ», или Практичность правит миром

Разбор схемы

Это моно-усилитель мощности звуковой частоты.

Транзистор VT1 является главным элементом в схеме усилителя. Поэтому схема называется транзисторный УНЧ (усилитель низкой частоты).

В данном случае используется n-p-n транзистор. Он включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема позволяет выжить максимум из транзистора. Она усиливает и напряжение, и ток одновременно. Итого максимальная мощность.

Как именно определяется схема включения? Входящий сигнал подается на базу и эмиттер, а выходящий снимается с коллектора и эмиттера. То есть, по сути, общий контакт эмиттер. Поэтому схема называется с общим эмиттером. Эмиттер – это силовая часть транзистора, которая позволяет усилить сигнал по максимуму.

Данная схема имеет один каскад усиления.

Что такое каскад

Каскад – это по сути этап усиления, который не зависит от другого. Бывают и двухкаскадные усилители. То есть, например, в схеме есть два транзистора. Один работает как предусилитель, и передает усиленный сигнал на вход второго. Поэтому схема называется двухкаскадной. Они не зависят друг от друга, но первый каскад передает сигнал на второй, что позволяет увеличить мощность сигнала.

Простая схема усилителя звука

Любой низкочастотный каскад, предназначенный для воспроизведения музыки, состоит из предварительного блока, регуляторов тембра или эквалайзера и оконечного каскада. Если устройство предназначено для работы с несколькими источниками звука, следует предусмотреть селектор входов. Так как уровень сигнала с различных устройств отличатеся друг от друга, то в селекторе учитывается возможность выравнивания входных напряжений за счёт усиления или ограничения. Самым чувствительным является микрофонный вход, а самым «грубым» является вход, предназначенный для подключения линейного выхода магнитолы или тюнера. Принципиальная схема предварительного каскада может быть собрана на транзисторах или операционных усилителях.

Простая схема усилителя звука с регулировками звука и регуляторами тембра реализована на одном транзисторе обратной проводимости. В схеме рекомендуется использовать КТ315 или КТ3102 с любым буквенным индексом. Резистором R8, на коллекторе транзистора, устанавливается напряжение 6 вольт, а резистор R1 можно заменить на постоянный. Его величина подбирается в зависимости от уровня входного сигнала.

Своими руками схему аудио усилителя легко собрать на операционном усилителе, который обладает высоким входным сопротивлением, широкой полосой обработки и малым уровнем собственных шумов.

В этой схеме используется микросхема К1401УД2, которая содержит 4 отдельных узла с общим питанием. На этой микросхеме собирается предварительный канал для стереофонического тракта. 2 ОУ работают в правом канале и 2 в левом. В монофоническом варианте можно использовать только два элемента. Устройство состоит из канала предварительного увеличения уровня с коррекцией входного напряжения и активного трёхполосного регулятора тембра, который работает по низким, средним и высоким частотам. Существенным недостатком предварительных каскадов на операционных схемах сводится к тому, что им требуется двухполярный источник питания, что заметно усложняет конструкцию.

Усилитель мощности звука так же может быть выполнен на различной элементной базе. Чаще всего для этой цели используются комплементарные пары транзисторов разной проводимости или специализированные интегральные микросхемы. Простой каскад собран на маломощных кремниевых транзисторах. Вместо пары КТ315-КТ361 можно использовать пару КТ3102-КТ3107.

Перед подачей питания динамик следует отключить, а вместо резистора R1 поставить цепочку из, соединённых последовательно, постоянного резистора на 33 кОм и потенциометра на 270 кОм. Включить питание и вращая движок потенциометра выставить в контрольной точке указанный ток коллектора. Затем замерить полученное сопротивление цепочки и заменить её на, ближайший по номиналу, постоянный резистор. Далее подбором резистора R3 нужно установить в той же точке половину питающего напряжения. Далее подключается динамик и на вход подаётся низкочастотный сигнал с источника звука. Схема не имеет регулятора громкости и тембра, поэтому к нему можно подключить любой предварительный каскад, имеющий эти функции.

Как питаемся схема

От качества питания зависит и качество усиления. С какими бы выдающимися характеристиками не был транзистор, если питание плохо отфильтровано или недостаточное, то усиление будет советующего качества.

На клеммы Х3 и Х4 подключается питание 6 В.

Эта схема может питаться и от аккумулятора. Однако, несмотря на то, что аккумулятор – это источник с минимальным шумом, у аккумулятора тоже есть свое сопротивление.

И чтобы оно не мешало и не влияло на работу усилителя, нужен сглаживающий и накопительный конденсатор.

Электролитический конденсатор С3 накапливает энергию источника питания, что позволяет улучшить качество усиления. Чем выше емкость – тем лучше. Естественно, у такого правила есть ограничения. Если поставить слишком большую емкость, то будет большая нагрузка на источник питания.

К тому же, электролитические конденсаторы должны разряжаться после выключения. Тем более, есть предел для увеличения емкости для схемы. Если в эту схему подключить конденсатор емкостью 1 фарад (1 000 000 мкФ), то уровень шума на выходе усилителя будет такой же, как и при 1000 мкФ. Это связано с тем, что у транзистора так же есть и свои «шумы», отсутствие экранировки на входе, динамические искажения и другие параметры.

Во время проектирования схемы все эти параметры рассчитываются. Здесь в схеме у конденсатора С3 емкость 47 микрофарад – этого достаточно для нашего транзистора, поскольку у него не большая мощность, которую он может выдать. Можно поставить и большую емкость, например, 1000 микрофарад. Главное не нежно ставить конденсатор с меньшим пределом по напряжению. Если поставить конденсатор менее 6 В (питание схемы), то конденсатор начнет нагреваться и даже может взорваться.

Основы электроакустики

Усилители электрических сигналов – это электронные устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока или мощности входных электрических сигналов за счет энергии источника питания. На рис. 10.1 показана передача сигнала с помощью усилителя в нагрузку, при этом мощность в нагрузке Р2

больше мощности входного сигнала
Р1
и изменяется во времени по закону, сходному с законом изменения
Р1
. Заметим, что любое преобразование энергии сопровождается потерями, которые приводят к нагреву элементов усилителя и учитываются в виде мощности рассеяния
Р
р.

Рис.10.1. Передача сигнала с помощью усилителя

Суть процесса усиления сигнала состоит в преобразовании энергии источника питания усилителя в энергию выходного сигнала по закону, определяемому входным управляющим воздействием, т.е. любой усилитель модулирует энергию источника питания входным управляющим воздействием. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого элемента. Эти элементы в современных усилителях выполняются, как правило, с использованием биполярных или полевых транзисторов.

Классификация усилителей. Все усилители можно классифицировать по следующим признакам.

По роду усиливаемого сигнала усилители делятся на

• усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше
• усилители переменного тока, усиливающие переменные сигналы с частотой, отличной от нуля.

По частоте усиливаемого сигнала могут быть выделены следующие группы:

• усилители низкой частоты (УНЧ) – устройства с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц до сотен килогерц;
• усилители высоких частот (УВЧ) – устройства с диапазоном усиливаемых частот от сотен килогерц до сотен мегагерц и выше;
• широкополосные усилители (ШПУ)– устройства с диапазоном усиливаемых частот от десятков – сотен герц до сотен мегагерц;
• избирательные (резонансные) усилители (ИУ), обеспечивающие усиление в узком диапазоне частот.

Рис.10.2. АЧХ: а) УПТ, б) УНЧ, в) УВЧ, г) ШПУ, д) ИУ

По виду усиливаемого сигнала они делятся на

усилители

• гармонических сигналов.
• импульсных сигналов.

Усилители гармонических сигналов предназначены для усиления сигналов, изменение которых происходит много медленнее длительностей переходных процессов в самих усилителях.

Усилители импульсных сигналов предназначены для импульсных периодических и непериодических сигналов. При этом длительность собственных переходных процессов в усилителе не должна вызывать искажений исходной формы усиливаемых сигналов.

По функциональному назначению они делятся на

• усилители напряжения,
• усилители тока
• усилители мощности

в зависимости от того, какой из параметров требуется усиливать.

По виду соединительных цепей усилительных каскадов. Так как усилители строятся, как правило, на основе последовательного включения нескольких типовых каскадов, то различают усилители с

• гальванической (непосредственной) связью, предусматривающие передачу между каскадами сигнала как переменного, так и постоянного токов; усилители с RC
  – связями, в которых между выходом предыдущего и входом последующего каскадов включают резистивно – емкостную связь, исключающую передачу сигналов постоянного тока;
• усилители с индуктивной (трансформаторной) связью, в которых между каскадами включается трансформатор.

Вход усилителя

Вход усилителя – это клеммы Х1 и Х2.

Х2 это минус входа, а Х1 – плюс. Так как схема на один канал, то УНЧ называется моно.

Можно подключить как левый канал, так и правый и оба сразу.

Фильтрация входного сигнала

Электролитический конденсатор С1 позволяет отделить постоянную составляющую входящего сигнала от переменной.

По-простому, он пропускает только переменный сигналю. Если сигнала нет, или вход усилителя замкнут, то без этого конденсатора транзистор может перейти в режим насыщения (максимальное усиление), и на выходе появится неприятный хрип.

Не путайте этот эффект со свистом. Свист – это влияние положительной обратной связи, а в данном случае будет режим насыщения из-за короткого замыкания на входе. И на выходе усилителя будет слышен именно хрип, а не свит или звук.

Емкость конденсатора подобрана под частоту звукового сигнала. Звук начинается от 20 Гц и до 16 кГц.

Усилитель мощности на биполярных транзисторах

Усилители с биполярными транзисторами формируют с использованием трёх схем подключения:

• ОБ – общая база (характерно: усиление напряжения, неизменность силы тока, малое сопротивление на входе и большое на выходе);
• ОЭ – общий эмиттер (характерно: усиление напряженя, тока и мощности, средние в сравнении с ОБ и ОК показания по входному и выходному сопротивлению);
• ОК – общий коллектор(характерно: увеличение силы тока, неизменность напряжения, большое сопротивление на входе и малое на выходе).

ОЭ – наиболее распространённый вариант подключения.

Характеристики транзисторов сильно изменяются при нахождении в различных температурных условиях. Это же касается и простых усилителей c ОЭ. Поэтому обычно работа схемы корректируется при помощи эмиттерной и коллекторной стабилизации.

Однако коллекторная стабилизация чревата снижением коэффициента усиления сигнала, а значит и КПД устройства. Спасти от этого может разделительный конденсатор, ликвидирующий отрицательную обратную связь по переменному току.

Но всё же гораздо чаще применяется эмиттерная стабилизация.

В одной из статей журнала «Радио» В. Гречишкин предложил чертёж печатной платы усилителя на биполярных транзисторах. По его словам эта схема обеспечивает уровень номинальной мощности до 70 Ватт при сопротивлении в 4 Ом. Если увеличить мощность до 8 Ом, то мощность снится до 40 Ватт. Изменения амплитудно-частотной характеристики в диапазоне от 20 до 20 000 Герц составляют ±0,5 дБ. При замкнутом фоне напряжение по фону и шуму не превышает 1мВ.

Это неполная характеристика, но и она является достаточно привлекательной для знающего радиолюбителя. Поэтому есть смысл изучить данную статью с прилагаемой к ней схемой.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.

Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Ток, который протекает через R1 и R2 поступает на базу транзистора VT1, который потом уходит через эмиттер, тем самым его открывая. Это называется базовое смещение транзистора, то есть его открытие. Напряжение смещения определяет рабочую точку. В данном случае усилитель А класса.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.

А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Также от рабочей точки зависит и чувствительность усилителя.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Усилители мощности: определение, схемы, мощные выходные усилители

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки RH. Усилитель мощности является примером устройств силовой электроники. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.
В противоположность устройствам силовой электроники при проектировании устройств информативной (информационной) электроники основная цель состоит в том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и получить выходные сигналы, содержащие ту или иную информацию о входных.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

В качестве примера можно назвать устройства, определяющие, в какой момент времени входной сигнал принимает максимальное значение. В устройствах информативной электроники, как правило, стремятся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще приемлема. В устройствах силовой электроники такую задачу в соответствии с изложенным нельзя ставить в принципе.

Реальное устройство может содержать черты как силовой, так и информативной электроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отметить, что функции устройств информативной электроники все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микропроцессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.

На усилитель мощности, как правило, приходится подавляющая часть мощности, потребляемая тем устройством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия усилителя мощности.

Другой важной проблемой является уменьшение габаритных размеров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, потому что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габаритные размеры и вес усилителя.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают нелинейные искажения входного сигнала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса «А», а максимально возможный КПД — в режиме классов «В» или «АВ».

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса «А», а вторые — в режиме классов «В» или «АВ». Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Рн при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения питания усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

Тогда максимально возможная мощность нагрузки Рн max определится выражением Рн max = ( Um / √2 )2 · 1 / R н = Um2 / ( 2 · R н ) = E2 / ( 8 · R н )

Откуда Um = E / 2 E = 2 · √ ( Рн max · R н · 2 )

Если по каким-либо причинам выбрать полученное значение Е не представляется возможным, для согласования усилителя и нагрузки можно использовать трансформатор. Однако трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя мощности, так как это сравнительно дорогое и сложное в изготовлении устройство.

Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с помощью трансформатора (рис. 2.39).

Через W1 и W2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через uвых и Rвых — соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.40.

В ней через R′н обозначено приведенное сопротивление нагрузки R′н = Rн / n 2 где n — коэффициент трансформации (n = W2 / W1 ).

Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при Rвых = R′н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

n опт = √ ( Rн / Rвых )

Стабилизация работы схемы

Когда полупроводник нагревается, его сопротивление уменьшается. Транзистор сделан из полупроводника, и соответственно его p-n переходы тоже.

При работе схемы УНЧ ток течет через транзистор, и он нагревается. Обычно вся мощность рассеивается на коллекторе. И тем не менее, характеристики транзистора резко меняются, поскольку сопротивление его p-n переходом резко снижается по мере повышения температуры.

Чтобы стабилизировать работу транзистора, нужно сбалансировать его сопротивление другим источником. Это можно сделать при помощи дополнительного сопротивления.

Когда сопротивление транзистора VT1 уменьшается, резистор R3 забирает часть напряжения на себя и не позволяет увеличить ток в цепи.

Благодаря этому транзистор:

• не закрывается;
• не переходит в режим насыщения;
• не искажает сигнал;
• и не перегревается.

Это называется термостабилизация работы усилителя.

А чтобы в нормальном режиме работы, когда VT1 не нагревается, резистор R3 не уменьшал мощность схемы, в цепь включен шунтирующий электролитический конденсатор C2. Через него переменная составляющая входного сигнала проходит без потерь.

Принцип работы

Из самого обозначения класса АВ нетрудно сделать вывод, что данный режим является гибридом класса А и класса В. Как работают усилители класса А, мы уже разобрались, а с классом В ознакомиться не успели, поэтому начнем с него. И для начала вспомним логику, которой руководствовался создатель усилителя класса А. Для того, чтобы получить возможность воспроизводить и положительную, и отрицательную полуволну с помощью одного активного элемента, он применил смещение средней точки (тока покоя) в середину рабочей зоны лампы.

Создатели усилителей класса В рассуждали по-другому: «Если одна лампа или один транзистор с нулевым смещением способен воспроизвести только одну полуволну сигнала, почему бы не добавить в схему еще один активный элемент, разместив его зеркально, чтобы воспроизводить другую полуволну?».

Это вполне логично, ведь при таком раскладе оба транзистора работают с нулевым смещением. Пока на входе усилителя присутствует положительная полуволна — работает один транзистор, а когда приходит время воспроизводить отрицательную полуволну, первый транзистор полностью закрывается и вместо него в работу включается второй. В английском варианте этот принцип действия получил название push-pull или, говоря по-русски, «тяни-толкай», что в общем-то очень хорошо описывает происходящее.

Если сравнивать класс В с классом А, наиболее очевидным преимуществом является то, что в классе В на каждую волну приходится полный рабочий диапазон транзистора (или лампы), в то время как в классе А обе полуволны воспроизводятся одним активным элементом. Это значит, что усилитель класса В будет вдвое мощнее усилителя класса А, собранного на таких же транзисторах.

Второй, чуть менее очевидный, но очень важный плюс класса В — нулевые токи смещения. Когда сигнал на входе равен нулю, ток, протекающий через транзисторы, тоже равен нулю, а это значит, что напрасного расхода энергии не происходит, и энергоэффективность схемы получается в разы выше, чем в классе А.

Однако из этого же факта вытекает и главный недостаток усилителя класса В. Момент включения транзистора в работу после полностью закрытого состояния сопровождается небольшой задержкой, поэтому при прохождении звуковым сигналом нулевой точки, когда один транзистор уже закрылся, второй транзистор не успевает мгновенно подхватить эстафету, и в этой самой переходной точке возникают небольшие временные задержки.

На практике это выражается в особенной нелюбви усилителя к тихой музыке, а также в плохой передаче микродинамики. И хотя история знает успешные реализации класса В, например — легендарный Quad 405, проблемы данного режима работы никуда не делись. Тот же 405-й не только радовал энергичным и мускулистым звучанием, но также имел явную склонность рисовать звуковую картину крупными мазками, масштабно, не размениваясь на мелочи.

Для того, чтобы сохранить все плюсы класса В и решить проблему переходных процессов, инженеры пошли на хитрость. Они включили оба транзистора со смещением, как это делается в классе А, но величина смещения при этом была выбрана существенно меньшая: так, чтобы покрыть лишь те моменты, когда транзистор близок к закрытию, выводя тем самым переходные процессы из рабочей зоны.

Это позволило усилителю класса АВ незаметно преодолевать нулевую точку, а также дало еще один крайне полезный эффект. При малой амплитуде сигнала, укладывающейся в пределы смещения тока покоя, подобный усилитель работает в классе А и, только когда амплитуда выходит за пределы выбранной производителем величины смещения, он переходит в режим АВ.

Выход усилителя

На выход к усилителю можно подключить как другой усилитель, который усилит сигнал еще больше, так и динамическую головку. Динамическая головка — это обычный динамик. Он воспроизведёт звук с выхода транзистора VT1.

Однако и тут есть много нюансов.

Самое важное касается согласование сопротивления нагрузки и сопротивления усилителя.

Если сопротивление выхода транзистора намного больше, чем у динамической головки, то он не сможет передать всю мощность. Как минимум большая часть напряжения останется на его контактах.

Для данной схемы нужен динамик с сопротивлением около 1 кОм.

Если поставить меньше, например, на 4 Ома, то и половина мощности не воспроизведется, а коллектор VT1 начнет еще сильнее нагреваться.

Согласование сопротивлений входа, выхода и нагрузки усилителя рассчитывается на этапе проектирования схемы. Поэтому не следует их нарушать.

Как протекает ток по схеме

В начальный момент времени, при подключении питания, электролитический конденсатор С3 заряжается, и начинят питать коллектор и эмиттер транзистора VT1. А также ток проходит через делитель напряжения.

Делитель напряжения R1, R2 смещает базу VT1. Начинает течь ток смещения база-эмиттер (Б-Э), тем самым устанавливается рабочая точка УНЧ.

Когда входной сигнал поступает на клемму Х1, он проходит С1 и через делитель поступает на базу VT1 и частично уходит через эмиттер.

Входной сигнал притягивается коллектором VT1 и тем самым усиливается.

Та часть переменного сигнала, которая перешла на эмиттер транзистора, усиливается эмиттерными током. Он свободно проходит через С2, который в паре с R3 стабилизирует режим работы усилителя от перегрева и искажений. В итоге входной сигнал усиленный коллекторно-эмиттерным (К-Э) током VT1 поступает на выход, то есть на динамическую головку BF1.

Усилители электрических сигналов. Разновидности, параметры. Характеристики.

Усилители электрических сигналов – это электронные устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока или мощности входных электрических сигналов за счет энергии источника питания.

Передача сигнала с помощью усилителя.

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам.

По роду усиливаемого сигнала усилители делятся на усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше и усилители переменного тока, усиливающие переменные сигналы с частотой, отличной от нуля.

По частоте усиливаемого сигнала могут быть выделены следующие группы: усилители низкой частоты (УНЧ) – устройства с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц до сотен килогерц;

усилители высоких частот (УВЧ) – устройства с диапазоном усиливаемых частот от сотен килогерц до сотен мегагерц и выше;

широкополосные усилители (ШПУ)– устройства с диапазоном усиливаемых частот от десятков – сотен герц до сотен мегагерц;

избирательные (резонансные) усилители (ИУ), обеспечивающие усиление в узком диапазоне частот.

АЧХ: а) УПТ, б) УНЧ, в) УВЧ, г) ШПУ, д) ИУ

По виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов. По функциональному назначению они делятся на усилители напряжения, тока и мощности.

Коэффициент усиления

является основным количественным параметром усилителя. В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления по напряжению
KU
, току
KI
или мощности
KP
:
KU = U
ВЫХ
/ U
ВХ
, KI = I
ВЫХ
/ I
ВХ
, KP = P
ВЫХ
/ P
ВХ.

Типовая АЧХ и ФЧХ УНЧ:

Спад коэффициента усиления на низких частотах определяется наличием разделительных емкостей в усилителях, спад на высоких частотах – паразитными емкостями в элементах схемы.

Динамический диапазон

усиления характеризует диапазон изменения входного сигнала:
D =
UВХ макс
/ U
ВХмин

Коэффициент полезного действия (КПД):η = РВЫХ / Р0,

Входное и выходное сопротивление

– важнейшие параметры усилительных устройств. Их значения должны учитываться при согласовании усилителя как с источником входного сигнала, так и с нагрузкой.

Компараторы напряжения.

Аналоговые компараторы напряжения предназначены для определения момента равенства двух напряжений и выработки цифровых выходных сигналов 0 или 1 в зависимости от знака разности сравниваемых сигналов. Компаратор представляет собой одноразрядный аналого-цифровой преобразователь.

Временные диаграммы работы компаратора без гистерезиса и с гистерезисом

Компараторы характеризуются следующими статическими параметрами.

1. Пороговая чувствительность – минимальный разностный сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как логический сигнал. 2. Напряжение смещения Е

СМ – определяет смещение передаточной характеристики компаратора относительно идеального положения (рис.14.1, а). Для коррекции этого смещения используют балансировку. 3. Входные токи
I+
ВХ и
I-
ВХ – токи, протекающие через входные выводы компараторов. 4. Разность входных токов
ΔI
ВХ
= I+
ВХ
– I-
ВХ – токи, протекающие через закороченные входы. 5. Напряжение гистерезиса
U
Г – разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения.

6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К

ОСС – отношение синфазного сигнала
U
СФ к дифференциальному сигналу
ΔU
ВХ, вызывающему срабатывание компаратора
К
ОСС = 20lg(
U
СФ
/ ΔU
ВХ). 7. Входное сопротивление – полное входное сопротивление для малого разностного сигнала.

8. Выходные логические уровни – напряжения логического 0 и 1 на выходе. Основным динамическим параметром компаратора, определяющим его быстродействие, является время задержки распространения t

ЗД.Р. скачкообразного входного сигнала или время переключения компаратора (рис). Это время отсчитывают от момента подачи скачкообразного входного сигнала до момента установления на выходе логического 0 или 1.

Простейшие компараторы на операционных усилителях:

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения U

Г.

Инвертирующий триггер Шмита

При повышении входного напряжения U

ВХ, величина выходного напряжения
U
ВЫХ сначала не меняется. Но как только
U
ВХ достигает значения
U
Нмакс, выходное напряжение начинает падать, а вместе с ним снижается и потенциал на неинвертирующем входе
U
Н. Благодаря действию этой положительной обратной связи
U
ВЫХ скачком падает до величины
U
ВЫХмин, а потенциал
U
Н будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения
U
ВЫХмакс только тогда, когда входное напряжение
U
ВХ достигнет значения
U
Нмакс.

Применение ОУ.

Правила использования усилителя на ОУ: 1. В усилителе должна быть обязательно обратная связь. 2. В усилителе должна быть ООС по пост. Току. 3. Входы ОУ токов не потребляют. Rвх=10^6…10^17 Ом. 4. ООС делает разницу напряжения между входами равной.

1. Инвертирующий усилитель:

2. Неинвертирующий усилитель:

Повторитель (буфер):

Усилитель переменного тока на ОУ:

3. Интеграторы:

4. Дифференциатор на ОУ

От чего зависит мощность схемы

У этой схемы есть ограничения. Можно поменять VT1 КТ315 на более мощный, у которого коэффициент усиления будет выше, но этот лимит усиления не бесконечный.

В первую очередь, все зависит от используемого транзистора. Если поменять его на более мощный, то и усиление будет выше. Но следует помнить, что чем мощнее транзистор, тем мощнее нужен входной сигнал. К тому же, придется сделать перерасчет всех компонентов. И подключать предусилитель, собирать схему блока питания, а это уже будет совсем другая схема.

У транзисторов есть ряд параметров, которые влияют на схему. Это коэффициент усиления по току (h21э), напряжению, мощности. А также важный параметр — это рассеиваемая мощность на коллекторе. С повышением мощности потребуется радиатор для отвода тепла.

Классификация усилителей

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала:

• усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;
• широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
• избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

По роду усиливаемого сигнала

• усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;
• усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

По функциональному назначению

• усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления.

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению КU, току Кi или мощности КР:

КU = Uвх / Uвых

КI= Iвх/ Iвых

КP= Pвх / Pвых

где Uвх, Iвх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

Uвых , Iвых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

Рвх, Рвых— мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

КU (дБ) = 20LgKu

КI(дБ) = 20LgKi

КР (дБ) = 10LgKp

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К1 · К2 · … · Кn

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К (дБ) = К1 (дБ) + К2 (дБ) +… + Кn(дБ).

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

ЌU = КU · ejφ

КU = Uвых / Uвх

где КU— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами Uвх и Uвых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

η = Pвых / Pист

где Рист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усилителя:

Rвх = Uвх / Iвх

Rвых = |∆ Uвых | / |∆ Iвых |

где Uвх и Iвх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆Uвых и ∆Iвых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже:

Как собрать схему

Схему можно собрать на текстолите или на макетной плате. Перейдите по ссылке на эту статью, в ней подробнее описывается процесс сборки и проверки схемы.

Используйте качественные детали и хороший припой. Она рабочая. Это вообще классическая схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Также на сайте есть и другие схемы усилителей, которые не сложны в сборке и не дорогие по стоимости деталей.