Suprasti stiprintuvo grandines

Apskritai, stiprintuvas gali būti apibrėžiamas kaip grandinė, skirta pritaikyti mažos galios įvesties signalą į didelės galios išėjimo signalą pagal nurodytą komponentų reitingą.

Nors pagrindinė funkcija išlieka ta pati, stiprintuvus galima būtų suskirstyti į skirtingas kategorijas, atsižvelgiant į jų konstrukciją ir konfigūraciją.

Loginių įėjimų stiprinimo grandinės

Galbūt teko susidurti su pavieniais tranzistoriniais stiprintuvais, kurie sukonfigūruoti veikti ir sustiprinti žemo signalo logiką iš įvesties jutiklių, tokių kaip: LDR, fotodiodai , IR prietaisai. Tada šių stiprintuvų išvestis naudojama perjungiant a šlepetė arba relė ĮJUNGTA / IŠJUNGTA reaguojant į jutiklių įtaisų signalus.

Jūs taip pat matėte mažus stiprintuvus, kurie naudojami iš anksto sustiprinti muzikos ar garso įvestį arba valdyti LED lempą.
Visi sitie maži stiprintuvai yra priskiriami mažiems signalo stiprintuvams.

Stiprintuvų tipai

Visų pirma, stiprintuvo grandinės yra įtrauktos muzikos dažniui stiprinti, kad tiekiama maža muzikos įvestis būtų sustiprinta į daugybę kartų, paprastai nuo 100 iki 1000 kartų, ir atkuriama per garsiakalbį.

Priklausomai nuo jų galios ar galios, tokios grandinės gali būti tokios konstrukcijos, nuo mažų opampo pagrindu sukurtų mažų signalo stiprintuvų iki didelių signalo stiprintuvų, kurie taip pat vadinami galios stiprintuvais. Šie stiprintuvai yra techniškai klasifikuojami atsižvelgiant į jų darbo principus, grandinės etapus ir būdą kurią jie gali būti sukonfigūruoti apdoroti stiprinimo funkciją.

Šioje lentelėje pateikiama stiprintuvų klasifikavimo informacija, atsižvelgiant į jų technines specifikacijas ir veikimo principą:

Pagrindiniame stiprintuvo projekte mes pastebime, kad jis dažniausiai apima kelis etapus, turinčius bipolinių tranzistorių ar BJT tinklus, lauko tranzistorius (FET) arba operacinius stiprintuvus.

Galima pastebėti, kad tokie stiprintuvo blokai ar moduliai turi porą gnybtų, skirtų įvesties signalui tiekti, ir dar vieną gnybtų porą prie išėjimo, kad gautų sustiprintą signalą per prijungtą garsiakalbį.

Vienas iš šių dviejų gnybtų yra įžeminimo gnybtai ir gali būti vertinamas kaip bendra linija įėjimo ir išvesties pakopose.

Trys stiprintuvo savybės

Trys svarbios savybės, kurias turėtų turėti idealus stiprintuvas, yra šios:

• Įvesties varža (Rin)
• Išėjimo varža (maršrutas)
• Gainas (A), kuris yra stiprintuvo stiprinimo diapazonas.

Suprasti, kaip veikia idealus stiprintuvas

Sustiprinto signalo skirtumas tarp išėjimo ir įvesties vadinamas stiprintuvo stiprinimu. Tai yra dydis arba suma, kuria stiprintuvas sugeba sustiprinti įvesties signalą per savo išvesties gnybtus.

Paimkime, pavyzdžiui, jei stiprintuvas yra skirtas apdoroti 1 voltų įvesties signalą į 50 voltų sustiprintą signalą, tada sakytume, kad stiprintuvo stiprinimas yra 50, tai yra taip paprasta.
Šis mažo įėjimo signalo patobulinimas iki didesnio išėjimo signalo vadinamas įgyti stiprintuvo. Kitu atveju tai gali būti suprasta kaip įvesties signalo padidėjimas 50 kartų.

Pelno santykis Taigi stiprintuvo stiprinimas iš esmės yra signalo lygių išvesties ir įvesties verčių santykis arba tiesiog išėjimo galia, padalyta iš įėjimo galios, ir priskiriama raide „A“, kuri taip pat reiškia stiprintuvo stiprinimo galią.

Stiprintuvo padidėjimo tipai Skirtingi stiprintuvo stiprinimo tipai gali būti klasifikuojami kaip:

1. Įtampos padidėjimas (išjungtas)
2. Dabartinis pelnas (Ai)
3. Galios padidėjimas (Ap)

Stiprintuvo prieaugio skaičiavimo formulių pavyzdžiai Atsižvelgiant į aukščiau nurodytus 3 pelno tipus, jų apskaičiavimo formules galima sužinoti iš šių pavyzdžių:

1. Įtampos padidėjimas (Av) = Išėjimo įtampa / Įėjimo įtampa = Vout / Vin
2. Srovės stiprinimas (Ai) = Išėjimo srovė / Įvesties srovė = Iout / Iin
3. Galios padidėjimas (Ap) = Vid i

Norėdami apskaičiuoti galios padidėjimą, taip pat galite naudoti formulę:
Galios padidėjimas (Ap) = Išėjimo galia / Įvesties galia = Aout / Ain

Būtų svarbu pažymėti, kad indeksas p, v, t naudojami apskaičiuojant galią, priskiriami tam tikram signalo stiprinimo tipui, su kuriuo dirbama.

Išreikšti decibelais

Rasite kitą būdą išreikšti stiprintuvo galios padidėjimą, kuris yra decibelais arba (dB).
Matavimas arba dydis Bel (B) yra logaritminis vienetas (10 pagrindas), neturintis matavimo vieneto.
Tačiau „Decibel“ gali būti per didelis vienetas praktiniam naudojimui, todėl stiprintuvo skaičiavimams naudojame pažemintą decibelų (dB) versiją.
Štai keletas formulių, kurios gali būti naudojamos stiprintuvo padidėjimui decibelais matuoti:

1. Įtampos padidėjimas dB: išjungta = 20 * log (išjungta)
2. Srovės padidėjimas dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Galios padidėjimas dB: ap = 10 * log (Ap)

Kai kurie faktai apie dB matavimą
Svarbu pažymėti, kad stiprintuvo nuolatinės galios padidėjimas yra 10 kartų didesnis nei įprastas jo išėjimo / įvesties santykio žurnalas, o srovės ir įtampos padidėjimas yra 20 kartų didesnis už bendrą jų santykių žurnalą.

Tai reiškia, kad dėl loginės skalės netiesinės matavimo charakteristikos 20dB padidėjimas negali būti laikomas dvigubu iš 10dB.

Kai padidėjimas matuojamas dB, teigiamos vertės reiškia stiprintuvo stiprinimą, o neigiama dB vertė rodo stiprintuvo stiprumo praradimą.

Pvz., Jei nustatomas + 3dB stiprinimas, tai reiškia dvigubą arba x2 konkretaus stiprintuvo išėjimo stiprinimą.

Ir atvirkščiai, jei rezultatas yra -3dB, rodo, kad stiprintuvo nuostolis yra 50% arba x0,5 nuostolio matas. Tai taip pat vadinama pusės galios tašku, reiškiančiu -3dB mažesnę nei didžiausia pasiekiama galia, atsižvelgiant į 0dB, kuris yra didžiausia įmanoma stiprintuvo išvestis

Skaičiuojami stiprintuvai

Apskaičiuokite stiprintuvo įtampą, srovę ir galios padidėjimą pagal šias specifikacijas: Įvesties signalas = 10mV @ 1mA Išėjimo signalas = 1V @ 10mA. Be to, sužinokite stiprintuvo stiprinimą naudodami decibelų (dB) reikšmes.

Sprendimas:

Taikydami aukščiau išmoktas formules, galime įvertinti įvairių rūšių stiprintuvus, susijusius su stiprintuvu, atsižvelgiant į įvesties išvesties specifikacijas:

Įtampos padidėjimas (Av) = Išėjimo įtampa / Įėjimo įtampa = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Srovės stiprinimas (Ai) = Išėjimo srovė / Įvesties srovė = Iout / Iin = 10/1 = 10
Galios padidėjimas (Ap) = Vid. x A i = 100 x 10 = 1000

Norėdami gauti rezultatus decibelais, naudojame atitinkamas toliau pateiktas formules:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Stiprintuvo poskyriai

Maži signalo stiprintuvai: Atsižvelgiant į stiprintuvo galios ir įtampos padidėjimo specifikacijas, galime jas suskirstyti į keletą skirtingų kategorijų.

Pirmasis tipas vadinamas mažu signalo stiprintuvu. Šie maži signalo stiprintuvai paprastai naudojami išankstinio stiprintuvo pakopose, instrumentų stiprintuvuose ir kt.

Tokio tipo stiprintuvai yra sukurti norint valdyti minutės signalo lygį jų įėjimuose, kai kurių mikro voltų diapazone, pavyzdžiui, iš jutiklių prietaisų ar mažų garso signalų įėjimų.

Dideli signalo stiprintuvai: Antrojo tipo stiprintuvai vadinami dideliais signalo stiprintuvais, ir, kaip rodo pavadinimas, jie naudojami galios stiprintuvuose, norint pasiekti didžiulius amplifikacijos diapazonus. Šiuose stiprintuvuose įvesties signalas yra santykinai didesnis, kad juos būtų galima iš esmės sustiprinti, norint juos atkurti ir nukreipti į galingus garsiakalbius.

Kaip veikia galios stiprintuvai

Kadangi maži signalo stiprintuvai skirti mažoms įėjimo įtampoms apdoroti, jie vadinami mažais signalo stiprintuvais. Tačiau kai stiprintuvas turi dirbti su didelės perjungimo srovės programomis jų išėjimuose, pvz., Valdyti variklį ar valdyti žemųjų dažnių garsiakalbius, galios stiprintuvas tampa neišvengiamas.

Populiariausia, kad galios stiprintuvai naudojami kaip garso stiprintuvai, skirti vairuoti didelius garsiakalbius ir pasiekti didžiulius muzikos lygio stiprinimus ir garsumo išvestis.

Kad galios stiprintuvas veiktų, reikia išorinės nuolatinės srovės, ir ši nuolatinė galia naudojama norint pasiekti numatytą didelės galios stiprinimą jų išėjime. Nuolatinė galia paprastai gaunama per aukštos srovės aukštos įtampos maitinimo šaltinius per transformatorius ar SMPS įrenginius.

Nors galios stiprintuvai gali padidinti apatinį įvesties signalą į didelio išėjimo signalus, procedūra iš tikrųjų nėra labai efektyvi. Taip yra todėl, kad proceso metu eikvojamas didelis kiekis nuolatinės srovės šilumos išsklaidymo pavidalu.

Mes žinome, kad idealus stiprintuvas išeitų beveik lygus suvartotai galiai, o tai padėtų pasiekti 100% efektyvumą. Tačiau praktiškai tai atrodo gana nutolusi ir gali būti neįmanoma dėl būdingų nuolatinės srovės energijos nuostolių iš maitinimo įtaisų šilumos pavidalu.

Stiprintuvo efektyvumas Iš pirmiau pateiktų svarstymų galime išreikšti stiprintuvo efektyvumą:

Efektyvumas = stiprintuvo galia / stiprintuvo nuolatinės srovės suvartojimas = įdėklas / kaištis

Idealus stiprintuvas

Atsižvelgdami į pirmiau pateiktą diskusiją, mums gali būti įmanoma apibūdinti pagrindines idealiojo stiprintuvo charakteristikas. Jie yra specialiai tokie, kaip paaiškinta toliau:

Idealaus stiprintuvo stiprinimas (A) turėtų būti pastovus, neatsižvelgiant į kintantį įėjimo signalą.

1. Pajutimas išlieka pastovus, nepriklausomai nuo įvesties signalo dažnio, leidžiantis išvesties stiprinimui nepakisti.
2. Stiprintuvo išvesties stiprinimo procese nėra jokio triukšmo, priešingai, jame yra triukšmo mažinimo funkcija, panaikinanti bet kokį galimą triukšmą, įvestą per įvesties šaltinį.
3. Aplinkos temperatūros ar atmosferos temperatūros pokyčiai jo neveikia.
4. Ilgalaikis naudojimas daro minimalų arba neturi jokio poveikio stiprintuvo veikimui, ir jis išlieka nuoseklus.

Elektroninio stiprintuvo klasifikacija

Nesvarbu, ar tai įtampos stiprintuvas, ar galios stiprintuvas, jie klasifikuojami pagal jų įėjimo ir išėjimo signalo charakteristikas. Tai daroma analizuojant srovės srautą atsižvelgiant į įvesties signalo signalą ir laiką, kurio reikia, kad jis pasiektų išėjimą.

Pagal jų grandinės konfigūraciją galios stiprintuvus galima suskirstyti abėcėlės tvarka. Jie priskiriami skirtingoms veiklos klasėms, tokioms kaip:

„A“ klasė
„B“ klasė
„C“ klasė
„AB“ klasė ir pan.

Jų savybės gali svyruoti nuo beveik tiesinio išėjimo atsako, tačiau gana mažo efektyvumo iki nelinijinio išėjimo atsako su dideliu efektyvumu.

Nė vienos iš šių stiprintuvų klasių negalima išskirti kaip prastesnių ar geresnių vienas už kitą, nes kiekvienas turi savo specifinę taikymo sritį, priklausomai nuo reikalavimo.

Kiekvienam iš jų galite rasti optimalų konversijos efektyvumą, o jų populiarumą galima nustatyti tokia tvarka:

„A“ klasės stiprintuvai. Efektyvumas yra mažesnis, paprastai mažesnis nei 40%, tačiau gali būti rodoma pagerėjusi linijinė signalo išvestis.

„B“ klasės stiprintuvai: Efektyvumas gali būti dvigubai didesnis nei A klasės, praktiškai apie 70%, dėl to, kad energiją vartoja tik aktyvieji stiprintuvo įtaisai, todėl energija naudojama tik 50%.

„AB“ klasės stiprintuvai: Šios kategorijos stiprintuvų efektyvumo lygis yra tarp A ir B klasės, tačiau signalo atkūrimas yra prastesnis, palyginti su A klase.

„C“ klasės stiprintuvai: Manoma, kad jie yra ypač efektyvūs energijos suvartojimo prasme, tačiau signalo atkūrimas yra blogiausias, kai iškraipoma daug, todėl įvesties signalo charakteristikos labai nekartoja.

Kaip veikia A klasės stiprintuvai:

A klasės stiprintuvuose yra idealiai įtempti tranzistoriai aktyvioje srityje, o tai leidžia tiksliai sustiprinti įvesties signalą išvestyje.

Dėl šios tobulos šališkumo savybės tranzistoriui niekada neleidžiama nukrypti link jų nukirptų ar per prisotintų sričių, todėl signalo stiprinimas bus teisingai optimizuotas ir sutelktas tarp nurodytų viršutinių ir apatinių signalo apribojimų, kaip parodyta toliau vaizdas:

A klasės konfigūracijoje identiški tranzistorių rinkiniai taikomi dviem išėjimo bangos formos pusėms. Išvesties galios tranzistoriai, priklausomai nuo to, kokį šališkumą jis taiko, visada pateikiami įjungtoje padėtyje, neatsižvelgiant į tai, ar įvesties signalas įvestas, ar ne.

Dėl šios priežasties A klasės stiprintuvų energijos suvartojimas yra ypač prastas, nes faktinis energijos tiekimas į išvestį apsunkinamas dėl per didelio eikvojimo dėl įrenginio išsisklaidymo.

Esant aukščiau paaiškintai situacijai, klasės stiprintuvai gali būti matomi visada turintys per įkaitusius išėjimo galios tranzistorius, net jei nėra įėjimo signalo.

Net jei nėra įvesties signalo, DC (Ic) iš maitinimo šaltinio leidžiama tekėti per maitinimo tranzistorius, tai gali būti lygi srovei, tekančiai per garsiakalbį, kai buvo įvesties signalas. Tai sukelia nuolatinius „karštus“ tranzistorius ir eikvoja energiją.

B klasės stiprintuvo veikimas

Skirtingai nuo A klasės stiprintuvo konfigūracijos, kuri priklauso nuo vieno galios tranzistoriaus, B klasė naudoja porą papildomų BJT kiekvienoje grandinės dalyje. Tai gali būti NPN / PNP arba N kanalo MOSFET / P kanalo MOSFET forma).

Čia vienam iš tranzistorių leidžiama veikti atsakant į įvesties signalo pusės bangos formos ciklą, o kitas tranzistorius valdo kitos pusės bangos formos ciklą.

Tai užtikrina, kad kiekvienas poros tranzistorius pusę laiko praleis aktyviajame regione ir pusę laiko atjungimo srityje, taip leisdamas tik 50% dalyvauti signalo stiprinime.

Skirtingai nuo A klasės stiprintuvų, B klasės stiprintuvuose galios tranzistoriai nėra įtempti tiesiogine nuolatine nuolatine srove, o konfigūracija užtikrina, kad jie veiks tik tuo metu, kai įvesties signalas eina aukščiau nei bazinė emiterio įtampa, kuri silicio BJT gali būti apie 0,6 V.

Tai reiškia, kad kai nėra įvesties signalo, BJT lieka išjungti ir išėjimo srovė yra lygi nuliui. Dėl šios priežasties tik 50% įvesties signalo bet kuriuo atveju leidžiama patekti į išvestį, o tai leidžia daug geresnį šių stiprintuvų efektyvumą. Rezultatą galima pamatyti šioje diagramoje:

Kadangi B klasės stiprintuvuose nėra tiesioginio įtampos įtampos įjungiant galios tranzistorius, norint inicijuoti laidumą atsakant į kiekvieno pusės +/- bangos formos ciklus, jų bazei / spinduoliui tampa būtina Vbe įgyti didesnį potencialą nei 0,6 V (BJT standartinė bazinė poslinkio vertė)

Dėl pirmiau minėto fakto tai reiškia, kad nors išėjimo bangos forma yra žemiau 0,6 V žymos, jos negalima sustiprinti ir atkurti.

Tai sukelia iškraipytą išėjimo bangos formos sritį tik tuo laikotarpiu, kai vienas iš BJT išjungiamas ir laukia, kol kitas vėl įsijungs.

Tai lemia tai, kad nedidelė bangos formos dalis yra šiek tiek iškraipyta per kryžminimą per laikotarpį arba perėjimo laikotarpiu netoli nulio sankryžos, būtent tada, kai perėjimas iš vieno tranzistoriaus į kitą vyksta per papildomas poras.

AB klasės stiprintuvo veikimas

AB klasės stiprintuvas yra pastatytas naudojant mišinio f charakteristikas iš A ir B klasės grandinių konstrukcijų, taigi ir AB klasės pavadinimas.

Nors AB klasės dizainas taip pat veikia su papildomų BJT poromis, išvesties pakopa užtikrina, kad galios BJT šališkumas būtų valdomas arti ribinės ribos, jei nėra įvesties signalo.

Esant tokiai situacijai, kai tik pajuntamas įvesties signalas, tranzistoriai neginas, veikiantys normaliai savo aktyviame regione, tokiu būdu slopindami bet kokią kryžminio iškraipymo galimybę, kuri paprastai vyrauja B klasės konfigūracijose. Tačiau kolektoriaus srovė gali būti nedidelė, vedanti per BJT, suma gali būti laikoma nereikšminga, palyginti su A klasės projektais.

AB klasės stiprintuvo efektyvumo rodiklis ir linijinis atsakas, palyginti su A klasės analogu, yra žymiai pagerintas.

AB klasės stiprintuvo išėjimo bangos forma

Stiprintuvo klasė yra svarbus parametras, kuris priklauso nuo to, kaip tranzistoriai yra nukreipiami per įvesties signalo amplitudę, siekiant įgyvendinti stiprinimo procesą.

Tai priklauso nuo to, kiek įėjimo signalo bangos formos sunaudojama tranzistoriams praleisti, taip pat efektyvumo koeficientą, kuris nustatomas pagal iš tikrųjų sunaudojamos galios kiekį ir (arba) išeikvojant per išsisklaidymą.

Atsižvelgdami į šiuos veiksnius, mes galiausiai galime sukurti palyginimo ataskaitą, parodydami skirtingus stiprintuvų klases, kaip nurodyta šioje lentelėje.

Tada šioje lentelėje galime palyginti dažniausiai pasitaikančius stiprintuvų klasifikavimo tipus.

Galios stiprintuvo klasės

Paskutinės mintys

Jei stiprintuvas nėra tinkamai suprojektuotas, pvz., Jei tai yra A klasės stiprintuvo konstrukcija, operacijoms gali tekti reikalauti, kad maitinimo įtaisai ir aušinimo ventiliatoriai būtų gerai nuleisti. Tokiems projektams taip pat reikės didesnių maitinimo šaltinių, kad būtų galima kompensuoti didžiulį šilumoje iššvaistytą energijos kiekį. Dėl visų tokių trūkumų tokie stiprintuvai gali būti labai neefektyvūs, o tai savo ruožtu gali laipsniškai bloginti prietaisus ir galiausiai sugesti.

Todėl gali būti patartina rinktis B klasės stiprintuvą, suprojektuotą didesniu efektyvumu - maždaug 70%, palyginti su 40% A klasės stiprintuvu. Sakė, kad A klasės stiprintuvas gali žadėti linijinį atsaką su savo stiprinimu ir platesniu dažnio atsaku, nors tai kainuoja didelę energijos švaistymą.