Elektroniske forstærkere i industriel elektronik

Disse er enheder designet til at forstærke spændingen, strømmen og effekten af ​​et elektrisk signal.

Den enkleste forstærker er et transistorkredsløb. Brugen af ​​forstærkere skyldes det faktum, at elektriske signaler (spændinger og strømme), der kommer ind i elektroniske enheder, normalt er af lille amplitude, og det er nødvendigt at øge dem til den nødvendige værdi, der er tilstrækkelig til videre brug (konvertering, transmission, strømforsyning til belastningen ).

Figur 1 viser de nødvendige enheder til at betjene forstærkeren.

Figur 1 — Forstærkermiljø

Den strøm, der frigives, når forstærkeren er belastet, er den konverterede effekt fra dens strømforsyning, og indgangssignalet driver den kun. Forstærkerne drives af jævnstrømskilder.

Normalt består forstærkeren af ​​flere forstærkningstrin (fig. 2). De første stadier af forstærkning, designet hovedsageligt til at forstærke signalspændingen, kaldes forforstærkere. Deres kredsløb bestemmes af typen af ​​inputsignalkilde.

Det trin, der tjener til at forstærke signalets effekt, kaldes terminalen eller udgangen.Deres skema bestemmes af typen af ​​belastning. Forstærkeren kan også omfatte mellemtrin designet til at opnå den nødvendige forstærkning og (eller) til at danne de nødvendige karakteristika af det forstærkede signal.

Figur 2 — Forstærkerstruktur

Forstærker klassifikation:

1) afhængigt af den forstærkede parameter, spænding, strøm, effektforstærkere

2) af arten af ​​de forstærkede signaler:

• forstærkere af harmoniske (kontinuerlige) signaler;

• pulssignalforstærkere (digitale forstærkere).

3) i området af forstærkede frekvenser:

• DC forstærkere;

• AC forstærkere

• lav frekvens, høj, ultra høj osv.

4) efter arten af ​​frekvensresponsen:

• resonans (forstærke signaler i et smalt frekvensbånd);

• båndpas (forstærker et bestemt frekvensbånd);

• bredbånd (forstærker hele frekvensområdet).

5) efter type af forstærkende elementer:

• af elektriske vakuumlamper;

• på halvlederenheder;

• på integrerede kredsløb.

Når du vælger en forstærker, skal du afslutte forstærkerparametrene:

• udgangseffekt målt i watt. Udgangseffekten varierer meget afhængigt af formålet med forstærkeren, for eksempel i lydforstærkere - fra milliwatt i hovedtelefoner til titusinder og hundredvis af watt i lydsystemer.

• Frekvensområde, målt i hertz. For eksempel skal den samme lydforstærker normalt give forstærkning i frekvensområdet 20-20.000 Hz, og en tv-signalforstærker (billede + lyd) - 20 Hz - 10 MHz og højere.

• Ikke-lineær forvrængning, målt i procent%. Det karakteriserer formforvrængningen af ​​det forstærkede signal. Generelt gælder det, at jo lavere en given parameter er, jo bedre.

• Effektivitet (effektivitetsforhold) måles i procent%.Viser, hvor meget strøm fra strømforsyningen, der bruges til at sprede strøm til belastningen. Faktum er, at en del af kildens kraft er spildt, i højere grad er disse varmetab - strømmen af ​​strøm forårsager altid opvarmning af materialet. Denne parameter er især vigtig for selvdrevne enheder (fra akkumulatorer og batterier).

Figur 3 viser et typisk bipolært transistor-forforstærkerkredsløb. Indgangssignalet kommer fra en spændingskilde Uin.Blokeringskondensatorerne Cp1 og Cp2 passerer variablen dvs. forstærket signal og ikke passerer jævnstrøm, hvilket gør det muligt at skabe uafhængige driftsformer for jævnstrøm i serieforbundne forstærkertrin.

Figur 3 — Diagram over forstærkertrinnet for en bipolær transistor

Modstande Rb1 og Rb2 er hoveddeleren, der giver startstrømmen til bunden af ​​transistoren Ib0, modstanden Rk giver startstrømmen til kollektoren Ik0. Disse strømme kaldes laminære strømme. I mangel af et indgangssignal er de konstante. Figur 4 viser timingdiagrammerne for forstærkeren. Et tidsplot er en ændring i en parameter over tid.

Modstand Re giver negativ strømfeedback (NF). Feedback (OC) er overførslen af ​​en del af udgangssignalet til forstærkerens indgangskredsløb. Hvis inputsignalet og feedbacksignalet er modsat i fase, siges feedbacken at være negativ. OOS reducerer gain, men reducerer samtidig harmonisk forvrængning og øger forstærkerens stabilitet. Det bruges i næsten alle forstærkere.

Modstand Rf og kondensator Cf er filterelementer.Kondensatoren Cf danner et lavmodstandskredsløb for den variable komponent af strømmen, der forbruges af forstærkeren fra kilden Up. Filtreringselementer er nødvendige, hvis flere forstærkerkilder fødes fra kilden.

Når et indgangssignal Uin tilføres, vises strømmen Ib ~ i indgangskredsløbet og i udgangen Ik ~. Spændingsfaldet skabt af strømmen Ik ~ gennem belastningen Rn vil være det forstærkede udgangssignal.

Fra de midlertidige diagrammer over spændinger og strømme (fig. 3) kan det ses, at de variable komponenter af spændingerne ved indgangen Ub ~ og udgangen Uc ~ = Uud af kaskaden er modfase, dvs. OE-transistorens forstærkningstrin ændrer (inverterer) fasen af ​​indgangssignalet i den modsatte retning.

Figur 4 — Timingdiagrammer af strømme og spændinger i forstærkertrinnet af en bipolær transistor

En operationsforstærker (OU) er en DC/AC-forstærker med høj forstærkning og dyb negativ feedback.

Det tillader implementering af et stort antal elektroniske enheder, men kaldes traditionelt en forstærker.

Vi kan sige, at operationsforstærkere er rygraden i al analog elektronik. Den brede brug af operationsforstærkere er forbundet med deres fleksibilitet (evnen til at bygge forskellige elektroniske enheder på deres basis, både analoge og pulserede), et bredt frekvensområde (forstærkning af DC- og AC-signaler), uafhængighed af hovedparametrene fra ekstern destabilisering faktorer (temperaturændring, forsyningsspænding osv.). Integrerede forstærkere (IOU'er) bruges hovedsageligt.

Tilstedeværelsen af ​​ordet "operativ" i navnet forklares med muligheden for, at disse forstærkere kan udføre en række matematiske operationer - addition, subtraktion, differentiering, integration osv.

Figur 5 viser UGO IEE.Forstærkeren har to indgange - frem og tilbage og en udgang. Når indgangssignalet tilføres til en ikke-inverterende (direkte) indgang, har udgangssignalet den samme polaritet (fase) — figur 5, a.

Figur 5 — Konventionelle grafiske betegnelser for operationsforstærkere

Når du bruger den inverterende indgang, vil fasen af ​​udgangssignalet blive forskudt med 180 ° i forhold til fasen af ​​indgangssignalet (omvendt polaritet) — Figur 6, b. Omvendte ind- og udgange er cirklet.

Figur 6 — Tidsdiagrammer for op-amp: a) — ikke-inverterende, b) — inverterende

Når en spænding påføres tapetet, er udgangsspændingen proportional med forskellen mellem indgangsspændingerne. Disse. det inverterende indgangssignal accepteres med et «-«-tegn. Uout = K (Uneinv — Uinv), hvor K er forstærkningen.

Figur 7 — Amplitude karakteristisk for op-amp

Op-ampen drives af en bipolær kilde, normalt +15 V og -15 V. En unipolær strømforsyning er også tilladt. Resten af ​​IOU-konklusionerne er angivet, efterhånden som de bruges.

Driften af ​​op-ampen forklares med amplitudekarakteristikken - figur 8. På karakteristikken kan der skelnes mellem et lineært snit, hvor udgangsspændingen stiger proportionalt med en stigning i indgangsspændingen, og to sektioner af mætning U + sad og U- sad. Ved en vis værdi af indgangsspændingen Uin.max går forstærkeren i mætningstilstand, hvor udgangsspændingen antager en maksimal værdi (ved en værdi på Up = 15 V, ca. Uns = 13 V) og forbliver uændret med en yderligere stigning i indgangssignalet. Mætningstilstanden bruges i pulsenheder baseret på operationsforstærkere.

Effektforstærkere bruges i de sidste faser af forstærkningen og er designet til at skabe den nødvendige effekt i belastningen.

Deres hovedfunktion er drift ved høje inputsignalniveauer og høje udgangsstrømme, hvilket nødvendiggør brugen af ​​kraftige forstærkere.

Forstærkere kan fungere i A, AB, B, C og D modes.

I tilstand A er udgangsstrømmen fra forstærkerenheden (transistor eller elektronisk rør) åben i hele perioden for det forstærkede signal (dvs. konstant), og udgangsstrømmen løber gennem den. Klasse A effektforstærkere introducerer minimal forvrængning i det forstærkede signal, men har meget lav effektivitet.

I tilstand B er udgangsstrømmen opdelt i to dele, en forstærker forstærker den positive halvbølge af signalet, den anden negativ. Som et resultat, højere effektivitet end i modus A, men også store ikke-lineære forvrængninger, der opstår i det øjeblik, hvor transistorerne skiftes.

AB-tilstanden gentager B-tilstanden, men i overgangsøjeblikket fra den ene halvbølge til den anden er begge transistorer åbne, hvilket gør det muligt at reducere forvrængninger og samtidig opretholde høj effektivitet. AB-tilstand er den mest almindelige for analoge forstærkere.

Mode C bruges i tilfælde, hvor der ikke er nogen forvrængning af bølgeformen under forstærkning, fordi forstærkerens udgangsstrøm løber i mindre end en halv periode, hvilket naturligvis fører til store forvrængninger.

D-tilstand bruger at konvertere inputsignaler til impulser, forstærke disse impulser og derefter konvertere dem tilbage.I dette tilfælde arbejder udgangstransistorerne i nøgletilstand (transistoren er helt lukket eller helt åben), hvilket bringer forstærkerens effektivitet tættere på 100% (i AV-tilstand overstiger effektiviteten ikke 50%). Forstærkere, der fungerer i D-tilstand, kaldes digitale forstærkere.

I et push-pull-kredsløb sker forstærkning (tilstand B og AB) i to clock-cyklusser. I løbet af den første halvcyklus forstærkes indgangssignalet af en transistor, og den anden er lukket under denne halvcyklus eller en del af den. I den anden halvcyklus forstærkes signalet af den anden transistor, mens den første er slukket.

Transistorforstærkerens glidekredsløb er vist i figur 8. Transistortrinnet VT3 giver et tryk til udgangstransistorerne VT1 og VT2. Modstande R1 og R2 indstiller transistorernes konstante driftstilstand.

Med ankomsten af ​​en negativ halvbølge Uin stiger kollektorstrømmen VT3, hvilket fører til en stigning i spændingen ved baserne af transistorerne VT1 og VT2. I dette tilfælde lukker VT2 og gennem VT1 passerer kollektorstrømmen gennem kredsløbet: + Op, overgang K-E VT1, C2 (under opladning), Rn, kabinet.

Når en positiv halvbølge ankommer, lukker Uin VT3, hvilket fører til et fald i spændingen ved basen af ​​transistor VT1 og VT2 — VT1 lukker, og gennem VT2 strømmer kollektorstrømmen gennem kredsløbet: + C2, overgang EK VT2 , tilfælde, Rn, -C2. T

Dette sikrer, at strømmen af ​​begge halvbølger af indgangsspændingen løber gennem belastningen.

Figur 8 — Skematisk af en effektforstærker

I mode D arbejder forstærkerne med pulsbreddemodulation (PWM)… Indgangssignalet modulerer rektangulære impulserved at ændre deres varighed.I dette tilfælde konverteres signalet til rektangulære impulser af samme amplitude, hvis varighed er proportional med værdien af ​​signalet på ethvert tidspunkt.

Pulstoget føres til transistoren(e) for forstærkning. Fordi det forstærkede signal er pulseret, fungerer transistoren i nøgletilstand. Drift i nøgletilstand er forbundet med minimale tab, da transistoren enten er lukket eller helt åben (har minimal modstand). Efter forstærkning udvindes lavfrekvenskomponenten (forstærket originalsignal) fra signalet ved hjælp af et lavpasfilter ( LPF) og tilført til lasten.

Figur 9 — Blokdiagram af en klasse D-forstærker

Klasse D-forstærkere bruges i bærbare lydsystemer, mobilkommunikation, motorstyringsenheder og mere.

Moderne forstærkere er kendetegnet ved den udbredte brug af integrerede kredsløb.