Razumevanje ojačevalnih vezij

Na splošno je ojačevalnik mogoče opredeliti kot vezje, zasnovano za povečanje uporabljenega vhodnega signala z nizko močjo v izhodni signal z visoko močjo, kot je določeno v oceni komponent.

Čeprav osnovna funkcija ostaja enaka, bi lahko ojačevalnike razvrstili v različne kategorije, odvisno od njihove zasnove in konfiguracije.

Vezja za ojačanje logičnih vhodov

Morda ste naleteli na enojne tranzistorske ojačevalnike, ki so konfigurirani za delovanje in ojačevanje logike nizkega signala iz vhodnih zaznavalnih naprav, kot je npr. LDR, fotodiode , IR naprave. Izhod iz teh ojačevalnikov se nato uporablja za preklapljanje a Japonke ali vklop / izklop releja kot odziv na signale senzorskih naprav.

Morda ste že videli tudi majhne ojačevalnike, ki se uporabljajo za predhodno ojačanje glasbenega ali zvočnega vhoda ali za upravljanje LED-žarnice.
Vsi ti majhni ojačevalniki so kategorizirani kot majhni ojačevalniki signala.

Vrste ojačevalnikov

V glavnem so vgrajena ojačevalna vezja za ojačanje glasbene frekvence, tako da se napajani majhen glasbeni vhod ojača v več gub, običajno 100- do 1000-krat in reproducira prek zvočnika.

Takšna vezja so lahko zasnovana od majhnih ojačevalnikov na osnovi opampa do velikih ojačevalnikov signala, odvisno od njihove moči ali nazivne moči. Ti ojačevalniki so tehnično razvrščeni glede na njihova delovna načela, stopnje vezja in način ki so lahko konfigurirani za obdelavo ojačevalne funkcije.

Naslednja tabela nam daje podrobnosti o klasifikaciji ojačevalnikov na podlagi njihovih tehničnih specifikacij in principa delovanja:

V osnovni zasnovi ojačevalnika ugotovimo, da večinoma vključuje nekaj stopenj z omrežji bipolarnih tranzistorjev ali BJT-jev, tranzistorjev s poljskim učinkom (FET) ali operacijskih ojačevalnikov.

Takšne ojačevalne bloke ali module je mogoče videti z nekaj terminali za napajanje vhodnega signala in še enim terminalom na izhodu za pridobivanje ojačenega signala prek priključenega zvočnika.

Eden od teh dveh terminalov je ozemljitveni terminal in bi ga lahko videli kot skupni vod čez vhodno in izhodno stopnjo.

Tri lastnosti ojačevalnika

Tri pomembne lastnosti, ki bi jih moral imeti idealen ojačevalnik, so:

• Vhodna upornost (Rin)
• Izhodna upornost (usmerjenost)
• Gain (A), ki je ojačevalno območje ojačevalnika.

Razumevanje delovanja idealnega ojačevalnika

Razlika v ojačenem signalu med izhodom in vhodom se imenuje kot ojačanje ojačevalnika. To je velikost ali količina, s katero ojačevalnik lahko ojača vhodni signal na svojih izhodnih terminalih.

Vzemimo na primer, če je ojačevalnik ocenjen tako, da vhodni signal 1 volta obdela v ojačeni signal 50 voltov, potem bi rekli, da ima ojačevalnik ojačanje 50, je tako preprosto.
Ta izboljšava nizkega vhodnega signala na višji izhodni signal se imenuje dobiček ojačevalnika. Lahko pa to razumemo kot povečanje vhodnega signala za faktor 50.

Razmerje dobička Tako je ojačanje ojačevalnika v bistvu razmerje med izhodnimi in vhodnimi vrednostmi nivojev signala ali preprosto izhodna moč, deljena z vhodno močjo, pripisuje pa se črki 'A', ki pomeni tudi ojačevalno moč ojačevalnika.

Vrste ojačevalnikov Različne vrste ojačevalnih ojačevalcev lahko razvrstimo kot:

1. Povečanje napetosti (izklopljeno)
2. Trenutni dobiček (Ai)
3. Povečanje moči (ap)

Primeri formul za izračun ojačevalnih ojačevalnikov Odvisno od zgornjih 3 vrst dobičkov se lahko formule za njihovo izračun naučijo iz naslednjih primerov:

1. Povečanje napetosti (Av) = izhodna napetost / vhodna napetost = Vout / Vin
2. Povečanje toka (Ai) = izhodni tok / vhodni tok = Iout / Iin
3. Povečanje moči (Ap) = povprečno x jaz

Za izračun dobička moči lahko uporabite tudi formulo:
Povečanje moči (Ap) = izhodna moč / vhodna moč = Aout / Ain

Pomembno bi bilo opozoriti, da podpis p, v, i ki se uporabljajo za izračun moči, se dodelijo za prepoznavanje določene vrste ojačanja signala, na kateri se dela.

Izražanje decibelov

Našli boste še en način za izražanje moči ojačevalnika, ki je v Decibel ali (dB).
Mera ali količina Bel (B) je logaritemska enota (osnova 10), ki nima merske enote.
Vendar je Decibel lahko prevelika enota za praktično uporabo, zato za izračune ojačevalnika uporabljamo znižano različico decibelov (dB).
Tu je nekaj formul, ki jih lahko uporabimo za merjenje ojačenja ojačevalnika v decibelih:

1. Povečanje napetosti v dB: izklop = 20 * log (izklop)
2. Tokovni dobiček v dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Povečanje moči v dB: ap = 10 * log (Ap)

Nekaj ​​dejstev o merjenju dB
Pomembno je omeniti, da je ojačanje enosmerne moči ojačevalnika 10-krat večje od skupnega dnevnika njegovega razmerja med izhodom in vhodom, medtem ko so dobički toka in napetosti 20-krat večji od skupnega dnevnika njihovih razmerij.

To pomeni, da zaradi nelinearne merilne značilnosti lestvičnih lestvic, ker gre za lestvico dnevnika, ojačanja 20dB ni mogoče šteti za dvakratno 10dB.

Ko merimo ojačanje v dB, pozitivne vrednosti pomenijo ojačanje ojačevalnika, negativna vrednost dB pa kaže na izgubo ojačitve ojačevalnika.

Na primer, če je ugotovljen dobiček + 3dB, to pomeni 2-kratno ali x2 ojačanje določenega izhoda ojačevalnika.

Nasprotno, če je rezultat -3dB, pomeni, da ima ojačevalnik izgubo 50% ojačenja ali x0,5 merila izgube svojega ojačanja. To se imenuje tudi točka polovične moči, kar pomeni -3dB nižjo od največje dosegljive moči glede na 0dB, kar je največja možna izhodna moč ojačevalnika

Izračun ojačevalnikov

Izračunajte napetost, tok in moč ojačevalnika z naslednjimi specifikacijami: Vhodni signal = 10mV @ 1mA Izhodni signal = 1V @ 10mA. Poleg tega ugotovite ojačanje ojačevalnika z uporabo vrednosti decibelov (dB).

Rešitev:

Z uporabo zgoraj naučenih formul lahko ocenimo različne vrste dobičkov, povezanih z ojačevalnikom, glede na vhodne izhodne specifikacije v roki:

Povečanje napetosti (Av) = izhodna napetost / vhodna napetost = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Povečanje toka (Ai) = izhodni tok / vhodni tok = Iout / Iin = 10/1 = 10
Povečanje moči (Ap) = Av. x A jaz = 100 x 10 = 1000

Da bi dobili rezultate v Decibellih, uporabimo ustrezne formule, kot je navedeno spodaj:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Odelilniki

Ojačevalniki majhnega signala: Glede na specifikacije ojačevalnika moči in napetosti lahko omogočimo, da jih razdelimo v nekaj različnih kategorij.

Prvi tip se imenuje majhen ojačevalnik signala. Ti majhni ojačevalniki signala se običajno uporabljajo v stopnjah predojačevalnika, ojačevalnih ojačevalcih itd.

Te vrste ojačevalnikov so ustvarjene za obdelavo minutnih nivojev signala na njihovih vhodih v območju nekaterih mikro voltov, na primer iz senzorskih naprav ali vhodov majhnih zvočnih signalov.

Veliki ojačevalniki signala: Druga vrsta ojačevalnikov je poimenovana kot veliki ojačevalniki signalov in, kot že ime pove, se uporabljajo v aplikacijah ojačevalnikov za doseganje velikih obsegov ojačevanja. V teh ojačevalnikih je vhodni signal razmeroma večji, tako da jih je mogoče znatno ojačati za njihovo reprodukcijo in pogon v močne zvočnike.

Kako delujejo ojačevalniki

Ker so majhni ojačevalniki signala zasnovani za obdelavo majhnih vhodnih napetosti, jih imenujemo majhni ojačevalniki signala. Kadar pa je ojačevalnik potreben za delo z aplikacijami z visokim preklopnim tokom na njihovih izhodih, kot je upravljanje motorja ali obratovanje nizkotoncev, ojačevalnik moči postane neizogiben.

Najbolj priljubljeni so ojačevalniki moči, ki se uporabljajo kot ojačevalniki zvoka za pogon velikih zvočnikov in za doseganje velikih ojačanj glasbe in izhodnih jakosti.

Ojačevalniki za svoje delo potrebujejo zunanjo enosmerno napetost, ta enosmerna moč pa se uporablja za doseganje predvidenega ojačanja moči na njihovem izhodu. Enosmerna energija se običajno pridobiva iz visokonapetostnih visokonapetostnih napajalnikov prek transformatorjev ali enot, ki temeljijo na SMPS.

Čeprav so ojačevalniki moči spodbuditi spodnji vhodni signal v visoko izhodne signale, postopek dejansko ni zelo učinkovit. To je zato, ker v procesu zapravimo znatno količino enosmerne energije v obliki odvajanja toplote.

Vemo, da bi idealen ojačevalnik ustvaril izhod, skoraj enak porabljeni moči, kar bi povzročilo 100-odstotni izkoristek. Vendar je to praktično videti precej oddaljeno in morda ne bo izvedljivo zaradi lastnih enosmernih izgub električne energije iz naprav v obliki toplote.

Učinkovitost ojačevalnika Iz zgornjih premislekov lahko učinkovitost ojačevalnika izrazimo kot:

Učinkovitost = Ojačevalnik Izhodna moč / Poraba enosmernega ojačevalnika = Pout / Pin

Idealen ojačevalnik

Glede na zgornjo razpravo bomo morda lahko predstavili glavne značilnosti idealnega ojačevalnika. Natančneje so opisani spodaj:

Dobiček (A) idealnega ojačevalnika mora biti stalen ne glede na spremenljiv vhodni signal.

1. Dobiček ostane stalen ne glede na frekvenco vhodnega signala, kar omogoča, da izhodno ojačanje ostane nespremenjeno.
2. Izhod ojačevalnika med postopkom ojačanja ne vsebuje nobenega hrupa, nasprotno, vključuje funkcijo za zmanjšanje hrupa, ki prekine morebitni šum, ki ga vnese vhodni vir.
3. Na to ne vplivajo spremembe temperature okolice ali temperature zraka.
4. Dolgotrajna uporaba ima na delovanje ojačevalnika minimalen učinek ali pa ostane nespremenjena.

Klasifikacija elektronskih ojačevalnikov

Ne glede na to, ali gre za ojačevalnik napetosti ali ojačevalnik moči, so ti razvrščeni glede na značilnosti vhodnega in izhodnega signala. To se naredi z analizo pretoka toka glede na signal vhodnega signala in čas, potreben, da doseže izhod.

Ojačevalnike moči lahko glede na njihovo konfiguracijo vezja razvrstimo po abecedi. Dodeljeni so z različnimi operativnimi razredi, kot so:

Razred 'A'
Razred 'B'
Razred 'C'
Razred 'AB' in tako naprej.

Ti imajo lahko lastnosti, ki segajo od skoraj linearnega izhodnega odziva, vendar precej nizke učinkovitosti do nelinearnega izhodnega odziva z visokim izkoristkom.

Nobenega od teh razredov ojačevalnikov ni mogoče ločiti kot slabšega ali boljšega drug od drugega, saj ima vsak svoje specifično področje uporabe, odvisno od zahteve.

Za vsako od njih lahko najdete optimalno učinkovitost pretvorbe, njihovo priljubljenost pa lahko določite v naslednjem vrstnem redu:

Ojačevalniki razreda A: Učinkovitost je običajno nižja od manj kot 40%, vendar lahko kaže izboljšan linearni izhodni signal.

Ojačevalniki razreda B: Stopnja učinkovitosti je lahko dvakrat večja od stopnje razreda A, kar je približno 70%, ker samo aktivne naprave ojačevalnika porabijo moč, kar povzroči le 50-odstotno porabo energije.

Ojačevalci razreda AB: Ojačevalniki v tej kategoriji imajo stopnjo učinkovitosti nekje med stopnjo razreda A in razreda B, vendar je reprodukcija signala slabša v primerjavi z razredom A.

Ojačevalniki razreda 'C': Zanje velja, da so izjemno učinkoviti v smislu porabe energije, vendar je reprodukcija signala najslabša z veliko popačenja, kar povzroča zelo slabo replikacijo značilnosti vhodnega signala.

Kako delujejo ojačevalniki razreda A:

Ojačevalniki razreda A imajo v aktivnem območju idealno pristranske tranzistorje, ki omogočajo natančen ojačitev vhodnega signala na izhodu.

Zaradi te popolne lastnosti pristranskosti tranzistorju nikoli ni dovoljeno, da se zanese proti svojim odrezanim ali prenasičenim območjem, zaradi česar je ojačanje signala pravilno optimizirano in centrirano med določenimi zgornjimi in spodnjimi omejitvami signala, kot je prikazano v nadaljevanju slika:

V konfiguraciji razreda A se na dveh polovicah izhodne valovne oblike uporabljajo enaki nizi tranzistorjev. In glede na vrsto pristranskosti, ki jo uporablja, so tranzistorji izhodne moči vedno upodobljeni v vklopljenem položaju, ne glede na to, ali je vhodni signal uporabljen ali ne.

Zaradi tega imajo ojačevalniki razreda A izjemno slabo učinkovitost v smislu porabe energije, saj dejansko dovajanje moči na izhod ovira zaradi odvečne izgube zaradi razpada naprave.

Z zgoraj razloženo situacijo lahko vidimo, da imajo ojačevalniki razreda vedno pregret tranzistor izhodne moči, tudi če ni vhodnega signala.

Čeprav vhodnega signala ni, lahko enosmerni tok (Ic) iz napajalnika teče skozi močnostne tranzistorje, kar je lahko enako toku, ki teče skozi zvočnik, ko je bil prisoten vhodni signal. To povzroči neprekinjene 'vroče' tranzistorje in izgubo moči.

Delovanje ojačevalnika razreda B.

V nasprotju s konfiguracijo ojačevalnika razreda A, ki je odvisna od enojnih močnostnih tranzistorjev, razred B uporablja par komplementarnih BJT-jev v vsakem pol odseku vezja. Ti so lahko v obliki NPN / PNP ali N-kanalni MOSFET / P-kanalni MOSFET).

Tu lahko eden od tranzistorjev vodi kot odziv na polovico valovnega cikla vhodnega signala, medtem ko drugi tranzistor obravnava drugi polovični cikel valovne oblike.

To zagotavlja, da vsak tranzistor v paru vodi polovico časa znotraj aktivne regije in polovico časa v ločeni regiji, kar omogoča le 50-odstotno udeležbo pri ojačitvi signala.

Za razliko od ojačevalnikov razreda A v ojačevalnikih razreda B močni tranzistorji niso pristranski z enosmernim enosmernim tokom, namesto tega konfiguracija zagotavlja, da delujejo le, medtem ko je vhodni signal višji od osnovne napetosti oddajnika, ki bi lahko bila za silicijeve BJT približno 0,6 V.

To pomeni, da kadar ni vhodnega signala, BJT ostanejo izklopljeni, izhodni tok pa nič. In zaradi tega lahko le 50% vhodnega signala vstopi v izhod v vsakem primeru, kar omogoča veliko boljšo stopnjo učinkovitosti teh ojačevalnikov. Rezultat je lahko prikazan na naslednjem diagramu:

Ker v ojačevalcih razreda B ni neposredne vpletenosti enosmernega toka za pristranskost močnostnih tranzistorjev, je za sprožitev prevodnosti odziv na vsake polovice +/- valovnih ciklov nujno za njihovo bazo / oddajnik Vbe pridobiti večji potencial kot 0,6 V (standardna osnovna vrednost pristranskosti za BJT)

Zaradi zgoraj navedenega pomeni, da medtem ko je izhodna valovna oblika pod oznako 0,6 V, je ni mogoče ojačati in reproducirati.

To povzroči izkrivljeno območje za izhodno valovno obliko, ravno v obdobju, ko se eden od BJT izklopi in počaka, da se drugi vklopi.

Posledica tega je, da je majhen del valovne oblike med obdobjem križanja ali prehodnim obdobjem blizu ničelnega prehoda izpostavljen manjšemu popačenju, natanko takrat, ko pride do prehoda z enega tranzistorja na drugega med komplementarnimi pari.

Delovanje ojačevalnika razreda AB

Ojačevalnik razreda AB je zgrajen z uporabo kombinacije f značilnosti iz modelov vezij razreda A in razreda B, od tod tudi ime razred AB.

Čeprav zasnova AB deluje tudi z dvema komplementarnima BJT-jema, izhodna stopnja zagotavlja, da se odkloni moči BJT-jev nadzorujejo blizu praga meje, če ni vhodnega signala.

V tej situaciji tranzistorji takoj, ko zaznajo vhodni signal, začnejo normalno delovati v svojem aktivnem območju, kar preprečuje kakršno koli možnost čezmernega popačenja, ki je običajno razširjena v konfiguracijah razreda B. Vendar lahko v BJT-jih prehaja kolektorski tok, ki bi lahko bil zanemarljiv v primerjavi z izvedbami razreda A.

Ojačevalniki razreda AB kažejo precej izboljšano stopnjo učinkovitosti in linearni odziv v nasprotju s primerkom razreda A.

Izhodna valovna oblika ojačevalnika razreda AB

Razred ojačevalnika je pomemben parameter, ki je odvisen od tega, kako so tranzistorji usmerjeni skozi amplitudo vhodnega signala, za izvajanje postopka ojačevanja.

Zanaša se na to, kolikšen obseg valovne oblike vhodnega signala se uporabi za izvajanje tranzistorjev, pa tudi na faktor učinkovitosti, ki je določen s količino moči, ki je bila dejansko porabljena za oddajanje izhoda in / ali zapravljena z disipacijo.

Glede teh dejavnikov lahko končno izdelamo primerjalno poročilo, ki prikazuje razlike med različnimi razredi ojačevalnikov, kot je navedeno v naslednji tabeli.

Nato lahko naredimo primerjavo med najpogostejšimi vrstami klasifikacij ojačevalnikov v naslednji tabeli.

Razredi ojačevalnikov

Končne misli

Če ojačevalnik ni pravilno zasnovan, kot je na primer ojačevalnik razreda A, bo morda treba za delovanje močno hladiti napajalne naprave, skupaj z ventilatorji za hlajenje. Takšni modeli bodo potrebovali tudi večji vhod za napajanje za kompenzacijo velike količine energije, zapravljene v toploti. Zaradi takšnih pomanjkljivosti so lahko taki ojačevalci zelo neučinkoviti, kar lahko povzroči postopno poslabšanje naprav in sčasoma okvare.

Zato je priporočljivo, da se odločite za ojačevalnik razreda B, zasnovan z večjo učinkovitostjo približno 70%, v primerjavi z 40% ojačevalnikom razreda A. Rečeno je, da lahko ojačevalnik razreda A s svojim ojačanjem in širšim frekvenčnim odzivom obljublja bolj linearni odziv, čeprav je to povezano s precejšnjo izgubo moči.