Endüstriyel elektronikte elektronik amplifikatörler

Bunlar, bir elektrik sinyalinin voltajını, akımını ve gücünü yükseltmek için tasarlanmış cihazlardır.

En basit amplifikatör bir transistör devresidir. Amplifikatörlerin kullanılması, genellikle elektronik cihazlara giren elektrik sinyallerinin (gerilimler ve akımlar) küçük genlikli olması ve daha fazla kullanım (dönüşüm, iletim, yüke güç kaynağı) için yeterli olan gerekli değere yükseltilmesi gerektiğinden kaynaklanmaktadır. ).

Şekil 1, amplifikatörü çalıştırmak için gerekli cihazları göstermektedir.

Şekil 1 — Amplifikatör ortamı

Amplifikatör yüklendiğinde salınan güç, güç kaynağının dönüştürülen gücüdür ve giriş sinyali onu yalnızca çalıştırır. Amplifikatörler doğru akım kaynakları tarafından desteklenmektedir.

Genellikle amplifikatör birkaç amplifikasyon aşamasından oluşur (Şekil 2). Temel olarak sinyal voltajını yükseltmek için tasarlanan amplifikasyonun ilk aşamalarına ön yükselticiler denir. Devreleri, giriş sinyali kaynağının türüne göre belirlenir.

Sinyalin gücünü yükseltmeye hizmet eden aşama, terminal veya çıkış olarak adlandırılır.Şemaları yük tipine göre belirlenir. Ayrıca amplifikatör, gerekli yükseltmeyi elde etmek ve (veya) yükseltilmiş sinyalin gerekli özelliklerini oluşturmak için tasarlanmış ara aşamalar içerebilir.

Şekil 2 - Amplifikatör yapısı

Amplifikatör Sınıflandırması:

1) güçlendirilmiş parametreye bağlı olarak, voltaj, akım, güç amplifikatörleri

2) güçlendirilmiş sinyallerin doğası gereği:

• harmonik (sürekli) sinyallerin yükselticileri;

• darbe sinyali yükselticileri (dijital yükselticiler).

3) güçlendirilmiş frekans aralığında:

• DC amplifikatörleri;

• AC amplifikatörleri

• düşük frekans, yüksek, ultra yüksek vb.

4) frekans yanıtının doğası gereği:

• rezonans (dar bir frekans bandında sinyalleri yükseltin);

• bant geçişi (belirli bir frekans bandını yükseltir);

• geniş bant (tüm frekans aralığını yükseltir).

5) takviye elemanlarının türüne göre:

• elektrikli vakum lambaları;

• yarı iletken cihazlarda;

• entegre devreler üzerinde

Bir amplifikatör seçerken, amplifikatör parametrelerinden çıkın:

• çıkış gücü watt olarak ölçülür. Çıkış gücü, amplifikatörün amacına bağlı olarak, örneğin ses amplifikatörlerinde büyük ölçüde değişir - kulaklıklardaki milivattan ses sistemlerindeki onlarca ve yüzlerce vata kadar.

• Hertz cinsinden ölçülen frekans aralığı. Örneğin, aynı ses amplifikatörü genellikle 20–20.000 Hz frekans aralığında kazanç sağlamalı ve bir televizyon sinyal amplifikatörü (görüntü + ses) - 20 Hz - 10 MHz ve üstü sağlamalıdır.

• Doğrusal olmayan distorsiyon, % olarak ölçülür. Güçlendirilmiş sinyalin şekil bozulmasını karakterize eder. Genel olarak, belirli bir parametre ne kadar düşükse o kadar iyidir.

• Verimlilik (verimlilik oranı) yüzde olarak ölçülür.Gücü yüke dağıtmak için güç kaynağından ne kadar güç kullanıldığını gösterir. Gerçek şu ki, kaynağın gücünün bir kısmı boşa harcanır, büyük ölçüde bunlar ısı kayıplarıdır - akım akışı her zaman malzemenin ısınmasına neden olur. Bu parametre, kendi kendine çalışan cihazlar için özellikle önemlidir (akümülatörlerden ve pillerden).

Şekil 3, tipik bir iki kutuplu transistör preamp devresini göstermektedir. Giriş sinyali bir Uin voltaj kaynağından gelir.Cp1 ve Cp2 blokaj kapasitörleri ie değişkenini geçer. güçlendirilmiş sinyal ve doğru akımı geçmez, bu da seri bağlı amplifikatör aşamalarında doğru akım için bağımsız çalışma modları oluşturmayı mümkün kılar.

Şekil 3 - Bipolar bir transistörün amplifikatör aşamasının şeması

Dirençler Rb1 ve Rb2, transistör Ib0'ın tabanına başlangıç ​​akımı sağlayan ana bölücüdür, direnç Rk, kollektör Ik0'a başlangıç ​​akımı sağlar. Bu akımlara laminer akımlar denir. Bir giriş sinyalinin yokluğunda sabittirler. Şekil 4, amplifikatörün zamanlama diyagramlarını göstermektedir. Zaman grafiği, zaman içinde bir parametredeki değişikliktir.

Direnç Re, negatif akım geri beslemesi (NF) sağlar. Geri besleme (OC), çıkış sinyalinin bir kısmının amplifikatörün giriş devresine aktarılmasıdır. Giriş sinyali ve geri besleme sinyali aynı fazda ise, geri beslemenin negatif olduğu söylenir. OOS kazancı azaltır, ancak aynı zamanda harmonik bozulmayı azaltır ve amplifikatör kararlılığını artırır. Hemen hemen tüm amplifikatörlerde kullanılır.

Direnç Rf ve kapasitör Cf filtre elemanlarıdır.Kondansatör Cf, yükseltici tarafından Up kaynağından tüketilen akımın değişken bileşeni için düşük dirençli bir devre oluşturur. Kaynaktan birkaç amplifikatör kaynağı besleniyorsa filtreleme elemanları gereklidir.

Bir giriş sinyali Uin uygulandığında, akım Ib~ giriş devresinde ve çıkışta Ik~ görünür. Ik~ akımının Rn yükü boyunca yarattığı voltaj düşüşü, yükseltilmiş çıkış sinyali olacaktır.

Gerilimlerin ve akımların geçici diyagramlarından (Şekil 3), kaskatın Ub ~ girişindeki ve Uc ~ = U çıkışındaki gerilimlerin değişken bileşenlerinin antifaz olduğu görülebilir, yani. OE transistörünün kazanç aşaması, giriş sinyalinin fazını ters yönde değiştirir (ters çevirir).

Şekil 4 - Bir iki kutuplu transistörün amplifikatör aşamasındaki akımların ve gerilimlerin zamanlama diyagramları

İşlemsel yükselteç (OU), yüksek kazançlı ve derin negatif geri beslemeli bir DC/AC yükselticidir.

Çok sayıda elektronik cihazın uygulanmasına izin verir, ancak geleneksel olarak amplifikatör olarak adlandırılır.

İşlemsel yükselteçler tüm analog elektroniklerin belkemiğidir diyebiliriz. İşlemsel amplifikatörlerin geniş kullanımı, esneklikleri (hem analog hem de darbeli olarak çeşitli elektronik cihazlar oluşturma yeteneği), geniş bir frekans aralığı (DC ve AC sinyallerinin amplifikasyonu), ana parametrelerin harici istikrarsızlıktan bağımsızlığı ile ilişkilidir. faktörler (sıcaklık değişimi, besleme gerilimi vb.). Entegre amplifikatörler (IOU'lar) esas olarak kullanılır.

Adında "işlemsel" kelimesinin varlığı, bu amplifikatörlerin bir dizi matematiksel işlemi - toplama, çıkarma, türev, entegrasyon vb. - gerçekleştirme olasılığı ile açıklanır.

Şekil 5, UGO IEE'yi göstermektedir.Amplifikatörün iki girişi vardır — ileri ve geri ve bir çıkış. Giriş sinyali evirmeyen (doğrudan) bir girişe uygulandığında, çıkış sinyali aynı polariteye (faz) sahiptir — Şekil 5, a.

Şekil 5 - İşlemsel yükselteçlerin geleneksel grafik gösterimleri

Ters giriş kullanıldığında, çıkış sinyalinin fazı, giriş sinyalinin fazına göre 180 ° kaydırılacaktır (ters kutup) — Şekil 6, b. Ters girişler ve çıkışlar daire içine alınmıştır.

Şekil 6 — Op-amp'in zaman diyagramları: a) — evirmeyen, b) — ters çeviren

Duvar kağıdına bir voltaj uygulandığında, çıkış voltajı giriş voltajları arasındaki farkla orantılıdır. Bunlar. ters giriş sinyali bir «-« işareti ile kabul edilir. Uout = K (Uneinv — Uinv), burada K kazançtır.

Şekil 7 - Op-amp'in genlik özelliği

Op-amp, genellikle +15V ve -15V olan iki kutuplu bir kaynakla çalışır. Tek kutuplu bir güç kaynağına da izin verilir. IOU sonuçlarının geri kalanı kullanıldıkça belirtilir.

Op-amp'in çalışması, genlik özelliği ile açıklanır - Şekil 8. Karakteristikte, giriş voltajındaki artışla çıkış voltajının orantılı olarak arttığı doğrusal bir bölüm ve iki doyma U + bölümü ayırt edilebilir. oturdu ve U- oturdu. Uin.max giriş voltajının belirli bir değerinde, amplifikatör, çıkış voltajının maksimum bir değer aldığı (Yukarı = 15 V, yaklaşık Uns = 13 V değerinde) ve başka bir değerle değişmeden kaldığı doyma moduna girer. giriş sinyalindeki artış. Doygunluk modu, işlemsel yükselteçlere dayalı darbe cihazlarında kullanılır.

Güç amplifikatörleri, amplifikasyonun son aşamalarında kullanılır ve yükte gerekli gücü oluşturmak için tasarlanmıştır.

Başlıca özelliği, güçlü amplifikatörlerin kullanılmasını gerektiren yüksek giriş sinyali seviyelerinde ve yüksek çıkış akımlarında çalışmasıdır.

Amplifikatörler A, AB, B, C ve D modlarında çalışabilir.

A modunda, amplifikatör cihazının (transistör veya elektronik tüp) çıkış akımı, yükseltilmiş sinyalin tüm süresi boyunca (yani sürekli olarak) açıktır ve çıkış akımı içinden akar. A Sınıfı güç amplifikatörleri, yükseltilmiş sinyalde minimum bozulma sağlar, ancak çok düşük verimliliğe sahiptir.

B modunda, çıkış akımı iki kısma ayrılır, bir amplifikatör sinyalin pozitif yarım dalgasını, ikinci negatifi yükseltir. Sonuç olarak, A moduna göre daha yüksek verimlilik, aynı zamanda transistörlerin anahtarlanması anında meydana gelen büyük doğrusal olmayan bozulmalar.

AB modu, B modunu tekrarlar, ancak bir yarım dalgadan diğerine geçiş anında her iki transistör de açıktır, bu da yüksek verimliliği korurken bozulmaları azaltmayı mümkün kılar. AB modu, analog amplifikatörler için en yaygın olanıdır.

Mod C, amplifikasyon sırasında dalga biçiminde bozulma olmadığı durumlarda kullanılır, çünkü amplifikatörün çıkış akımı yarım periyottan daha az akar, bu da elbette büyük bozulmalara yol açar.

D modu, giriş sinyallerini darbelere dönüştürmeyi, bu darbeleri yükseltmeyi ve sonra onları geri dönüştürmeyi kullanır.Bu durumda, çıkış transistörleri anahtar modunda çalışır (transistör tamamen kapalı veya tamamen açık), bu da amplifikatörün verimini %100'e yaklaştırır (AV modunda verim %50'yi geçmez). D modunda çalışan amplifikatörlere dijital amplifikatörler denir.

Bir itme-çekme devresinde, amplifikasyon (B ve AB modları) iki saat döngüsünde gerçekleşir. İlk yarım döngü sırasında, giriş sinyali bir transistör tarafından yükseltilir ve bu yarım döngü veya bunun bir kısmı sırasında diğeri kapatılır. İkinci yarım döngüde, birincisi kapatılırken sinyal ikinci transistör tarafından yükseltilir.

Transistör amplifikatörünün kayan devresi Şekil 8'de gösterilmektedir. Transistör katı VT3, çıkış transistörleri VT1 ve VT2'ye bir itme sağlar. Dirençler R1 ve R2, transistörlerin sabit çalışma modunu ayarlar.

Negatif bir yarım dalga Uin'in gelmesiyle, kollektör akımı VT3 artar, bu da VT1 ve VT2 transistörlerinin tabanlarındaki voltajda bir artışa yol açar. Bu durumda VT2 kapanır ve VT1 üzerinden kollektör akımı devreden geçer: + Yukarı, K-E geçişi VT1, C2 (şarj sırasında), Rn, durum.

Pozitif bir yarım dalga geldiğinde, Uin VT3 kapanır, bu da VT1 ve VT2 - VT1 transistörlerinin tabanlarındaki voltajın düşmesine neden olur ve VT2 üzerinden kollektör akımı devre boyunca akar: + C2, geçiş EK VT2 , durum, Rn, -C2 . T

Bu, giriş voltajının her iki yarım dalgasının akımının yük boyunca akmasını sağlar.

Şekil 8 - Bir güç amplifikatörünün şeması

D modunda, amplifikatörler şu şekilde çalışır: darbe genişlik modülasyonu (PWM)… Giriş sinyali modüle olur dikdörtgen darbelersürelerini değiştirerek.Bu durumda, sinyal, süresi herhangi bir andaki sinyalin değeri ile orantılı olan, aynı genliğe sahip dikdörtgen darbelere dönüştürülür.

Darbe katarı amplifikasyon için transistör(ler)e beslenir. Yükseltilmiş sinyal darbeli olduğundan, transistör anahtar modunda çalışır. Anahtar modunda çalışma, transistör ya kapalı ya da tamamen açık olduğundan (minimum dirence sahiptir) minimum kayıplarla ilişkilidir.Yükseltme işleminden sonra, düşük frekanslı bileşen (güçlendirilmiş orijinal sinyal), bir düşük geçiş filtresi kullanılarak sinyalden çıkarılır ( LPF) ve yüke beslenir.

Şekil 9 - D sınıfı bir amplifikatörün blok diyagramı

D Sınıfı amplifikatörler, dizüstü bilgisayar ses sistemlerinde, mobil iletişimlerde, motor kontrol cihazlarında ve daha fazlasında kullanılır.

Modern amplifikatörler, entegre devrelerin yaygın kullanımı ile karakterize edilir.