Elektroniskie pastiprinātāji rūpnieciskajā elektronikā

Tās ir ierīces, kas paredzētas elektriskā signāla sprieguma, strāvas un jaudas pastiprināšanai.

Vienkāršākais pastiprinātājs ir tranzistora ķēde. Pastiprinātāju izmantošana ir saistīta ar to, ka parasti elektriskie signāli (spriegumi un strāvas), kas nonāk elektroniskās ierīcēs, ir ar mazu amplitūdu un ir nepieciešams tos palielināt līdz nepieciešamajai vērtībai, kas ir pietiekama turpmākai lietošanai (pārveidošana, pārraide, slodzes barošana). ).

1. attēlā parādītas ierīces, kas nepieciešamas pastiprinātāja darbībai.

1. attēls — pastiprinātāja vide

Jauda, ​​kas tiek atbrīvota, kad pastiprinātājs ir noslogots, ir tā barošanas avota pārveidotā jauda, ​​un ieejas signāls to tikai virza. Pastiprinātājus darbina līdzstrāvas avoti.

Parasti pastiprinātājs sastāv no vairākiem pastiprināšanas posmiem (2. att.). Pirmos pastiprināšanas posmus, kas galvenokārt paredzēti signāla sprieguma pastiprināšanai, sauc par priekšpastiprinātājiem. To shēmas nosaka ieejas signāla avota veids.

Pakāpi, kas kalpo signāla jaudas pastiprināšanai, sauc par termināli vai izeju.To shēmu nosaka slodzes veids. Arī pastiprinātājs var ietvert starpposmus, kas paredzēti, lai iegūtu nepieciešamo pastiprinājumu un (vai) veidotu nepieciešamos pastiprinātā signāla raksturlielumus.

2. attēls. Pastiprinātāja struktūra

Pastiprinātāju klasifikācija:

1) atkarībā no pastiprinātā parametra, sprieguma, strāvas, jaudas pastiprinātājiem

2) pēc pastiprināto signālu rakstura:

• harmonisko (nepārtraukto) signālu pastiprinātāji;

• impulsu signālu pastiprinātāji (digitālie pastiprinātāji).

3) pastiprināto frekvenču diapazonā:

• Līdzstrāvas pastiprinātāji;

• Maiņstrāvas pastiprinātāji

• zema frekvence, augsta, īpaši augsta utt.

4) pēc frekvences reakcijas veida:

• rezonanses (pastiprina signālus šaurā frekvenču joslā);

• joslas caurlaide (pastiprina noteiktu frekvenču joslu);

• platjoslas (pastiprina visu frekvenču diapazonu).

5) pēc stiegrojuma elementu veida:

• elektriskās vakuuma lampas;

• uz pusvadītāju ierīcēm;

• uz integrētajām shēmām.

Izvēloties pastiprinātāju, izejiet no pastiprinātāja parametriem:

• izejas jauda, ​​ko mēra vatos. Izejas jauda ir ļoti atšķirīga atkarībā no pastiprinātāja mērķa, piemēram, skaņas pastiprinātājos — no milivatiem austiņās līdz desmitiem un simtiem vatu audiosistēmās.

• Frekvenču diapazons, mērīts hercos. Piemēram, vienam un tam pašam audio pastiprinātājam parasti jānodrošina pastiprinājums frekvenču diapazonā no 20 līdz 20 000 Hz, bet televīzijas signāla pastiprinātājam (attēls + skaņa) - 20 Hz - 10 MHz un vairāk.

• Nelineārie kropļojumi, ko mēra procentos. Tas raksturo pastiprinātā signāla formas kropļojumus. Parasti, jo zemāks ir dotais parametrs, jo labāk.

• Efektivitāti (efektivitātes koeficientu) mēra procentos.Parāda, cik daudz jaudas no barošanas avota tiek izmantots, lai izkliedētu enerģiju slodzē. Fakts ir tāds, ka daļa avota jaudas tiek izšķērdēta, lielākā mērā tie ir siltuma zudumi - strāvas plūsma vienmēr izraisa materiāla karsēšanu. Šis parametrs ir īpaši svarīgs pašbarošanas ierīcēm (no akumulatoriem un baterijām).

3. attēlā parādīta tipiska bipolārā tranzistora priekšpastiprinātāja ķēde. Ieejas signāls nāk no sprieguma avota Uin. Bloķējošie kondensatori Cp1 un Cp2 izlaiž mainīgo, ti. pastiprināts signāls un nelaiž cauri līdzstrāvu, kas ļauj izveidot neatkarīgus darbības režīmus līdzstrāvai sērijveidā pieslēgtā pastiprinātāja pakāpēs.

3. attēls. Bipolārā tranzistora pastiprinātāja pakāpes diagramma

Rezistori Rb1 un Rb2 ir galvenais dalītājs, kas nodrošina starta strāvu tranzistora Ib0 pamatnei, rezistors Rk nodrošina sākuma strāvu kolektoram Ik0. Šīs strāvas sauc par laminārajām strāvām. Ja nav ieejas signāla, tie ir nemainīgi. 4. attēlā parādītas pastiprinātāja laika diagrammas. Laika grafiks ir parametra izmaiņas laika gaitā.

Rezistors Re nodrošina negatīvu strāvas atgriezenisko saiti (NF). Atgriezeniskā saite (OC) ir izejas signāla daļas pārsūtīšana uz pastiprinātāja ieejas ķēdi. Ja ieejas signāls un atgriezeniskās saites signāls ir fāzē pretēji, atgriezeniskā saite tiek uzskatīta par negatīvu. OOS samazina pastiprinājumu, bet tajā pašā laikā samazina harmoniskos kropļojumus un palielina pastiprinātāja stabilitāti. To izmanto gandrīz visos pastiprinātājos.

Rezistors Rf un kondensators Cf ir filtra elementi.Kondensators Cf veido zemas pretestības ķēdi mainīgajai strāvas komponentei, ko pastiprinātājs patērē no avota Up. Filtrēšanas elementi ir nepieciešami, ja no avota tiek baroti vairāki pastiprinātāja avoti.

Kad tiek pielietots ieejas signāls Uin, ieejas ķēdē parādās strāva Ib ~ un izejā Ik ~. Sprieguma kritums, ko rada strāva Ik ~ caur slodzi Rn, būs pastiprinātais izejas signāls.

No spriegumu un strāvu pagaidu diagrammām (3. att.) redzams, ka spriegumu mainīgās sastāvdaļas pie ieejas Ub ~ un izejas Uc ~ = U no kaskādes ir pretfāzes, t.i. OE tranzistora pastiprinājuma pakāpe maina (invertē) ieejas signāla fāzi pretējā virzienā.

4. attēls. Strāvu un spriegumu laika diagrammas bipolārā tranzistora pastiprinātāja stadijā

Operacionālais pastiprinātājs (OU) ir līdzstrāvas/maiņstrāvas pastiprinātājs ar lielu pastiprinājumu un dziļu negatīvu atgriezenisko saiti.

Tas ļauj ieviest lielu skaitu elektronisku ierīču, taču tradicionāli to sauc par pastiprinātāju.

Var teikt, ka operacionālie pastiprinātāji ir visas analogās elektronikas mugurkauls. Operacionālo pastiprinātāju plašā izmantošana ir saistīta ar to elastību (spēju uz to pamata veidot dažādas elektroniskas ierīces, gan analogās, gan impulsa), plašu frekvenču diapazonu (līdzstrāvas un maiņstrāvas signālu pastiprināšana), galveno parametru neatkarību no ārējās destabilizācijas. faktori (temperatūras izmaiņas, barošanas spriegums utt.). Galvenokārt tiek izmantoti integrētie pastiprinātāji (IOU).

Vārda "operatīvais" klātbūtne nosaukumā tiek skaidrota ar iespēju, ka šie pastiprinātāji spēj veikt vairākas matemātiskas darbības – saskaitīšanu, atņemšanu, diferenciāciju, integrāciju u.c.

5. attēlā parādīts UGO IEE.Pastiprinātājam ir divas ieejas - uz priekšu un atpakaļgaitā un viena izeja. Kad ieejas signāls tiek pievadīts neinvertējošai (tiešai) ieejai, izejas signālam ir tāda pati polaritāte (fāze) — 5. attēls, a.

5. attēls. Operacionālo pastiprinātāju parastie grafiskie apzīmējumi

Izmantojot invertējošo ieeju, izejas signāla fāze tiks nobīdīta par 180 ° attiecībā pret ieejas signāla fāzi (apgriezta polaritāte) — 6. attēls, b. Apgrieztās ieejas un izejas ir apvilktas ar apli.

6. attēls — darbības pastiprinātāja laika diagrammas: a) — neinvertējošs, b) — invertējošs

Kad fonam tiek pielikts spriegums, izejas spriegums ir proporcionāls starpībai starp ieejas spriegumiem. Šie. invertējošais ievades signāls tiek pieņemts ar «-« zīmi. Uout = K (Uneinv — Uinv), kur K ir pieaugums.

7. attēls — darbības pastiprinātāja amplitūdas raksturlielums

Op-amp tiek darbināts no bipolāra avota, parasti +15V un -15V. Ir atļauts arī vienpolārs barošanas avots. Pārējie IOU secinājumi ir norādīti, kad tie tiek izmantoti.

Op-amp darbību izskaidro amplitūdas raksturlielums - 8. attēls. Uz raksturlieluma var izdalīt lineāro posmu, kurā izejas spriegums palielinās proporcionāli, palielinoties ieejas spriegumam, un divas piesātinājuma sadaļas U + sat un U- sat. Pie noteiktas ieejas sprieguma Uin.max vērtības pastiprinātājs pāriet piesātinājuma režīmā, kurā izejas spriegums iegūst maksimālo vērtību (pie vērtības Up = 15 V, aptuveni Uns = 13 V) un paliek nemainīgs ar turpmāko. ieejas signāla palielināšanās. Piesātinājuma režīms tiek izmantots impulsu ierīcēs, kuru pamatā ir darbības pastiprinātāji.

Jaudas pastiprinātāji tiek izmantoti pastiprināšanas beigu stadijā un ir paredzēti, lai radītu nepieciešamo jaudu slodzē.

To galvenā iezīme ir darbība ar augstiem ieejas signāla līmeņiem un lielām izejas strāvām, tādēļ ir nepieciešams izmantot jaudīgus pastiprinātājus.

Pastiprinātāji var darboties A, AB, B, C un D režīmos.

Režīmā A pastiprinātāja ierīces (tranzistors vai elektroniskā caurule) izejas strāva ir atvērta uz visu pastiprinātā signāla periodu (ti, pastāvīgi) un caur to plūst izejas strāva. A klases jaudas pastiprinātāji rada minimālus traucējumus pastiprinātajā signālā, taču tiem ir ļoti zema efektivitāte.

B režīmā izejas strāva ir sadalīta divās daļās, viens pastiprinātājs pastiprina signāla pozitīvo pusviļņu, otrs negatīvs. Rezultātā lielāka efektivitāte nekā A režīmā, bet arī lieli nelineāri kropļojumi, kas rodas tranzistoru pārslēgšanas brīdī.

AB režīms atkārto B režīmu, bet pārejas brīdī no viena pusviļņa uz otru ir atvērti abi tranzistori, kas ļauj samazināt kropļojumus, saglabājot augstu efektivitāti. AB režīms ir visizplatītākais analogajiem pastiprinātājiem.

Režīms C tiek izmantots gadījumos, kad pastiprināšanas laikā nav viļņu formas izkropļojumu, jo pastiprinātāja izejas strāva plūst mazāk par pusperiodu, kas, protams, rada lielus kropļojumus.

D režīmā ievades signāli tiek pārveidoti impulsos, pastiprināti un pēc tam pārveidoti atpakaļ.Šajā gadījumā izejas tranzistori darbojas atslēgas režīmā (tranzistors ir pilnībā aizvērts vai pilnībā atvērts), kas tuvina pastiprinātāja efektivitāti 100% (AV režīmā efektivitāte nepārsniedz 50%). Pastiprinātājus, kas darbojas D režīmā, sauc par digitālajiem pastiprinātājiem.

Push-pull ķēdē pastiprināšana (B un AB režīmi) notiek divos pulksteņa ciklos. Pirmajā pusciklā ieejas signālu pastiprina viens tranzistors, bet otrs šajā pusciklā vai tā daļā tiek aizvērts. Otrajā pusciklā signālu pastiprina otrais tranzistors, kamēr pirmais ir izslēgts.

Tranzistora pastiprinātāja bīdāmā ķēde ir parādīta 8. attēlā. Tranzistora pakāpe VT3 nodrošina spiedienu uz izejas tranzistoriem VT1 un VT2. Rezistori R1 un R2 iestata konstantu tranzistoru darbības režīmu.

Pienākot negatīvam pusviļņam Uin, palielinās kolektora strāva VT3, kas izraisa sprieguma palielināšanos tranzistoru VT1 un VT2 pamatnēs. Šajā gadījumā VT2 aizveras un caur VT1 kolektora strāva iet caur ķēdi: + Uz augšu, pāreja K-E VT1, C2 (uzlādes laikā), Rn, korpuss.

Kad pienāk pozitīvs pusvilnis, Uin VT3 aizveras, kas noved pie sprieguma samazināšanās tranzistoru VT1 un VT2 bāzēs - VT1 aizveras, un caur VT2 kolektora strāva plūst caur ķēdi: + C2, pāreja EK VT2 , gadījums, Rn, -C2 . T

Tas nodrošina, ka caur slodzi plūst abu ieejas sprieguma pusviļņu strāva.

8. attēls. Jaudas pastiprinātāja shēma

Režīmā D pastiprinātāji darbojas ar impulsa platuma modulācija (PWM)… Ieejas signāls modulē taisnstūra impulsimainot to ilgumu.Šajā gadījumā signāls tiek pārveidots par vienādas amplitūdas taisnstūrveida impulsiem, kuru ilgums ir proporcionāls signāla vērtībai jebkurā laika momentā.

Impulsu vilciens tiek padots uz tranzistoru(-iem) pastiprināšanai. Tā kā pastiprinātais signāls ir impulss, tranzistors darbojas atslēgas režīmā. Darbība atslēgas režīmā ir saistīta ar minimāliem zaudējumiem, jo ​​tranzistors ir vai nu aizvērts, vai pilnībā atvērts (tam ir minimāla pretestība). Pēc pastiprināšanas zemfrekvences komponents (pastiprināts sākotnējais signāls) tiek iegūts no signāla, izmantojot zemas caurlaidības filtru ( LPF) un tiek padots uz slodzi.

9. attēls — D klases pastiprinātāja blokshēma

D klases pastiprinātājus izmanto klēpjdatoru audio sistēmās, mobilajos sakaros, motora vadības ierīcēs u.c.

Mūsdienu pastiprinātājus raksturo plaši izplatītas integrētās shēmas.