Zesilovač je dvouportové elektronické zařízení sloužící k zesílení signálu nebo zvýšení výkonu signálu pomocí napájecího zdroje. Napájení je přiváděno přes vstupní svorku zesilovače. Výstupem zesilovače může být zvýšená amplituda atd.
Zesílení zesilovače určuje jeho zesílení. Je to hlavní faktor, který určuje výkon zařízení. Zesilovače se používají téměř ve všech typech elektronických součástek. Zesílení se vypočítá jako poměr výstupního parametru (výkon, proud nebo napětí) ke vstupnímu parametru.
Zesilovače se používají v různých aplikacích, jako je automatizace, námořní doprava, senzory atd. Výkonový zisk zesilovače je obecně větší než jedna. Pojďme pochopit některé základní charakteristiky ideálního zesilovače.
Zde budeme diskutovat ideální zesilovač, typy zesilovačů, vlastnosti, funkce, a aplikace zesilovačů .
Začněme.
Ideální zesilovač
Podívejme se na vlastnosti ideálního zesilovače, které jsou uvedeny níže:
- Vstupní impedance: Nekonečný
- Výstupní impedance: Nula
- Zisk na různých frekvencích: Pevný
Vstupním portem zesilovače může být zdroj napětí nebo zdroj proudu. Zdroj napětí závisí pouze na vstupním napětí a nepřijímá žádný proud. Podobně zdroj proudu přijímá proud a žádné napětí. Výstup bude úměrný napětí nebo proudu v celém portu.
Výstupem ideálního zesilovače může být buď závislý zdroj proudu nebo závislý zdroj napětí. Zdrojový odpor závislého zdroje napětí je nulový, zatímco odpor závislého zdroje proudu je nekonečný.
Napětí nebo proud závislého zdroje závisí pouze na vstupním napětí nebo proudu. To znamená, že výstupní napětí bude záviset na vstupním napětí a výstupní proud bude záviset na zdroji napětí nezávislém na vstupním proudu a zdroji proudu.
Ideální zesilovače jsou dále kategorizovány jako CCCS (Ovládání proudu Zdroj proudu), CCVS (Zdroj řídicího napětí proudu), VCVS (Voltage Control Voltage Source) a VCCS (Proudový zdroj řízení napětí).
Vstupní impedance CCVS a CCCS je nulová, zatímco VCCS a VCVS jsou nekonečné. Podobně výstupní impedance CCCS a VCCS je nekonečná, zatímco impedance CCVS a VCVS je nulová.
konstruktor v Javě
Typy zesilovačů
Pojďme diskutovat o různých typech zesilovačů.
Operační zesilovače
Operační zesilovače nebo operační zesilovače jsou zesilovače s přímým spojením (DC) s vysokým ziskem, které provádějí různé matematické operace, jako je sčítání, derivace, odčítání, integrace atd.
Má dvě vstupní svorky a jednu výstupní svorku. Vstupní svorky se nazývají invertující a neinvertující svorky. Signál přivedený na invertující svorku se objeví jako fázově invertovaný a signál přivedený na neinvertující svorku se objeví bez jakékoli inverze fáze na výstupní svorce.
Napětí přivedené na invertující vstup je reprezentováno jako V- a napětí na neinvertujícím vstupu je reprezentováno jako V+.
Poznámka: Výstupní impedance a drift ideálního operačního zesilovače jsou 0. Napěťový zisk, vstupní impedance a šířka pásma ideálního operačního zesilovače jsou nekonečné.
Operační zesilovače jsou dále kategorizovány jako invertující a neinvertující zesilovače. Proberme si výše uvedené dva typy operačních zesilovačů podrobně.
Aplikace
Operační zesilovače se používají v různých aplikacích v elektronice. Například,
- Filtry
- Napěťový komparátor
- Integrátor
- Převodník proudu na napětí
- Letní zesilovač
- Posuvník fáze
Invertující a neinvertující vstup zesilovače je zobrazen níže:
Invertující zesilovač
Invertující zesilovač je zobrazen níže:
Je to konfigurace zpětné vazby napěťového bočníku operačního zesilovače. Signálové napětí přivedené na invertující vstup operačního zesilovače vede k toku proudu I1 do operačního zesilovače. Víme, že vstupní impedance operačního zesilovače je nekonečná. Nedovolí, aby proud procházel do zesilovače. Proud poteče výstupní smyčkou (přes odpor R2) k výstupní svorce operačního zesilovače.
Napěťové zesílení na výstupní svorce invertujícího zesilovače se vypočítá jako:
A =Vo/Vs = -R2/R1
Kde,
Vo a Vs jsou výstupní a signální napětí.
Záporné znaménko ukazuje, že výstup zesilovače je o 180 stupňů mimo fázi se vstupem.
Invertní zesilovač je jedním z nejpoužívanějších operačních zesilovačů. Má velmi nízkou vstupní a výstupní impedanci.
Neinvertující zesilovač
Neinvertující zesilovač je zobrazen níže:
Výše uvedená konfigurace je napěťové sériové připojení zpětné vazby. Napětí signálu aplikované na neinvertující vstup operačního zesilovače má za následek tok proudu I1 do operačního zesilovače a proud I2 ven z operačního zesilovače.
Podle konceptu virtuálního zkratu I1 = I2 a Vx = Vs.
Napěťové zesílení neinvertujícího zesilovače lze vypočítat jako:
A = A + (R2/R1)
Neinvertující zesilovače mají vysokou vstupní a nízkou výstupní impedanci. Je také považován za zesilovač napětí.
DC zesilovače
DC nebo přímo vázané zesilovače se používají pro zesílení nízkofrekvenčních a přímo vázaných signálů. Dva stupně stejnosměrného zesilovače lze propojit pomocí přímé vazby mezi těmito stupni.
Přímá spojka je jednoduchý a snadný typ připojení. Lze jej vypočítat přímým připojením kolektoru tranzistoru prvního stupně k bázi tranzistoru druhého stupně, uvedené jako T1 a T2.
Ale stejnosměrné zesilovače způsobují dva problémy nazývané drift shifting a level shifting. Konstrukce diferenciálního zesilovače tyto problémy odstranila. Pojďme diskutovat o diferenciálním zesilovači.
Diferenciální zesilovače
Struktura diferenciálního zesilovače vyřešila problém driftu a posunu úrovně. Konstrukce se skládá ze dvou BJT (Bipolar Junction Transistor) zesilovače připojené pouze přes napájecí vedení. Je pojmenován jako diferenciální zesilovač, protože výstup zesilovače je rozdíl mezi jednotlivými vstupy, jak je znázorněno níže:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Kde,
Vo je výstup a Vi1 a Vi2 jsou dva vstupy.
A je zisk diferenciálního zesilovače.
Teď když
Vii = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
rozdíl mezi $ a $ $
Výše uvedená operace se nazývá a rozdílový režim úkon. Zde jsou vstupní signály navzájem mimo fázi. Takové signály mimo fázi jsou známé jako signály v rozdílovém režimu (DM).
Li,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
Vo = 0
Tato operace je známá jako běžný režim (CM), protože vstupní signály jsou navzájem ve fázi. Nulový výstup takových signálů ukazuje, že v zesilovači nebude žádný drift.
Výkonové zesilovače
Výkonové zesilovače jsou také tzv proudové zesilovače . Tyto zesilovače jsou nutné ke zvýšení aktuální úrovně příchozího signálu, aby bylo možné snadno ovládat zátěže. Mezi typy výkonových zesilovačů patří audio výkonové zesilovače, vysokofrekvenční výkonové zesilovače atd.
Výkonové zesilovače jsou klasifikovány jako zesilovače třídy A, třídy AB, třídy B a třídy C. Třídy výkonových zesilovačů probereme dále v tomto tématu.
Přepínání režimů zesilovačů
Spínané zesilovače jsou typem nelineárního zesilovače s vysokou účinností.
Běžným příkladem takového typu zesilovačů jsou zesilovače třídy D.
Instrumentální zesilovač
Přístrojový zesilovač se používá v analogových snímacích a měřicích přístrojích. Podívejme se na příklad.
Voltmetr používaný k měření velmi nízkých napětí vyžaduje pro svou správnou funkci přístrojový zesilovač. Má různé funkce, jako je velmi vysoký zisk napětí, dobrá izolace, velmi nízký šum, nízká spotřeba energie, velká šířka pásma atd.
Negativní zpětná vazba
Záporná zpětná vazba je jednou ze základních funkcí pro řízení zkreslení a šířky pásma v zesilovačích. Primárním účelem negativní zpětné vazby je snížit zisk systému. Část výstupu v opačné fázi se vrací zpět do vstupu. Hodnota se dále odečítá od vstupu. Ve zkresleném výstupním signálu je výstup se zkreslením přiveden zpět v opačné fázi. Odečítá se od vstupu; můžeme říci, že negativní zpětná vazba v zesilovačích snižuje nelinearity a nežádoucí signály.
Níže uvedený obrázek představuje negativní zpětnou vazbu:
Pomocí negativní zpětné vazby lze také eliminovat crossover zkreslení a další fyzikální chyby. Dalšími výhodami použití negativní zpětné vazby jsou rozšíření šířky pásma, usměrnění teplotních změn atd.
Záporná zpětná vazba může být napěťová negativní zpětná vazba nebo proudová negativní zpětná vazba. V obou případech je napěťová nebo proudová zpětná vazba úměrná výstupu.
Neměli bychom se plést mezi pozitivní a negativní zpětnou vazbou. Pozitivní zpětná vazba má tendenci zesilovat změnu, zatímco negativní zpětná vazba má tendenci změnu redukovat. Dalším rozdílem je, že vstupní a výstupní signály v kladné zpětné vazbě jsou ve fázi a jsou přidány. V případě záporné zpětné vazby jsou vstupní a výstupní signály mimo fázi a jsou odečteny.
Aktivní zařízení v zesilovači
Zesilovač se skládá z některých aktivních zařízení, která jsou zodpovědná za proces zesílení. Může to být jeden tranzistor, elektronka, polovodičová součástka nebo jakákoliv část integrovaných obvodů.
Pojďme diskutovat o aktivních zařízeních a jejich roli v procesu zesílení.
BJT
BJT je běžně známý jako a proudově řízené přístroj. Bipolární tranzistory se používají jako spínače pro zesílení proudu v zesilovačích.
MOSFET
MOSFET nebo Oxidové polovodičové tranzistory s efektem pole se běžně používají při zesilování elektronických signálů. MOSFETy lze použít ke změně vodivosti řízením napětí hradla. MOSFET může také zvýšit sílu slabého signálu. Proto mohou být MOSFETy použity jako zesilovač.
Elektronkové zesilovače
Elektronkový zesilovač používá jako zdrojové zařízení elektronky. Slouží ke zvýšení amplitudy signálu. Pod mikrovlnnými frekvencemi byly elektronkové zesilovače nahrazeny polovodičovými zesilovači kolem konce 19čtstoletí.
Mikrovlnné zesilovače
Mikrovlnné zesilovače se běžně používají v mikrovlnných systémech. Slouží ke zvýšení úrovně vstupního signálu s velmi malým zkreslením. Může také přepínat nebo zvyšovat elektrickou energii. Poskytuje lepší výstup jednoho zařízení ve srovnání s polovodičovými zařízeními na mikrovlnných frekvencích.
Magnetické zesilovače
Magnetické zesilovače byly vyvinuty ve 20čtstoletí, aby se překonaly nevýhody (vysoká proudová kapacita a síla) elektronkových zesilovačů. Magnetické zesilovače jsou podobné tranzistorům. Řídí magnetickou sílu jádra buzením řídicí cívky (další cívky vinutí).
Integrované obvody
Integrované obvody mohou obsahovat několik elektronických zařízení, jako jsou kondenzátory a tranzistory. Popularita IC také rozšířila elektronická zařízení po celém světě.
Třídy výkonových zesilovačů
Třídy výkonových zesilovačů jsou klasifikovány jako třída A, třída B, třída AB, a třída C . Pojďme diskutovat o krátkém popisu tříd výkonových zesilovačů.
Výkonové zesilovače třídy A
Vstup zesilovače třídy A je malý, díky čemuž je malý i výstup. Neprodukuje tedy velké zesílení výkonu. S tranzistory jej lze použít jako zesilovače napětí. Zesilovače třídy A s vakuovými pentodami mohou také poskytovat jeden výkonový zesilovací stupeň pro napájení zátěží, jako jsou reproduktory.
Výkonové zesilovače třídy B
BJT obecně vyžadují výkonové zesilovače třídy B k řízení zátěže, jako jsou reproduktory. Vstup zesilovačů třídy B je velký, díky čemuž je velmi velký i výstup. Vytváří tedy velké zesílení. Ale v případě jediného tranzistoru je zesílena pouze polovina vstupního signálu.
Výkonové zesilovače třídy AB
Konfigurace výkonových zesilovačů AB leží mezi zesilovači třídy A a třídy B. Zesilovače třídy AB se vyrábějí kombinací vysokého výkonu výkonových zesilovačů třídy B s nízkým zkreslením výkonových zesilovačů třídy A.
V případě malých výkonů se může výkonový zesilovač třídy AB chovat jako třída A. V případě velmi velkých výkonů se může chovat jako výkonový zesilovač třídy B.
Výkonové zesilovače třídy C
Vodivým prvkem výkonových zesilovačů třídy C jsou tranzistory. Má lepší účinnost, ale díky vodivosti menší než poloviční cyklus způsobuje velké zkreslení. Výkonové zesilovače třídy C tedy nejsou u audio aplikací preferovány. Mezi běžné aplikace takových zesilovačů patří vysokofrekvenční obvody.
Vlastnosti zesilovače
Zesilovače jsou definovány podle jejich vstupních a výstupních vlastností. Zesílení zesilovače určuje jeho zesílení. Zisk a multiplikační faktory jsou tedy dvě základní vlastnosti zesilovačů.
Pojďme diskutovat o vlastnostech, které jsou definovány různými parametry, které jsou uvedeny níže:
Zesílení zesilovače se vypočítá jako poměr výstupu (výkonu, proudu nebo napětí) ke vstupu. Určuje zesílení zesilovače. Například signál se vstupem 10 voltů a výstupem 60 voltů bude mít zisk 6.
Zisk = výstup/vstup
Zisk = 60/10
zisk = 6
Zisk je vyjádřen v jednotkách dB (decibely). Pasivní složky mají obecně zesílení menší než jedna, zatímco aktivní složky mají zesílení větší než 1.
Šířka pásma je definována jako šířka měřená v Hertz užitečného frekvenčního rozsahu.
Frekvenční rozsah - Frekvenční rozsah je obecně specifikován z hlediska frekvenční odezvy nebo šířky pásma.
Šum je definován jako jakýkoli nežádoucí signál, který působí jako rušení v systému.
Vyšší účinnost zesilovače by měla za následek menší tvorbu tepla a větší výstupní výkon. Vypočítá se jako poměr mezi výstupním výkonem a využitím celkového výkonu.
Rychlost přeběhu se měří ve voltech za mikrosekundu. Je definována jako maximální rychlost změny výstupu. Rychlost přeběhu nad slyšitelným rozsahem zesilovače by vedla k menšímu zkreslení a chybám.
Je definována jako schopnost zesilovače produkovat přesné kopie vstupního signálu.
Zesilovací obvody vyžadují, aby byly stabilní na všech dostupných frekvencích. Je definována jako schopnost vyhnout se nežádoucím oscilacím v elektronickém zařízení.
Funkce různých zesilovačů
Jiné typy zesilovačů mají odlišné vlastnosti. Pojďme diskutovat o funkci různých typů dnes používaných zesilovačů.
- The lineární zesilovače neposkytují dokonalé lineární schopnosti, protože žádný zesilovač není dokonalý. Je to kvůli použití zesilovacích zařízení, jako jsou tranzistory, které jsou nelineární povahy. Tato zařízení mohou produkovat určitou nelinearitu. Lineární zesilovače jsou méně náchylné ke zkreslení. To znamená, že lineární zesilovače generují menší zkreslení.
- Speciálně navržený audio zesilovače může zesílit frekvenci zvuku.
- Úzkopásmový zesilovač zesiluje v úzkém pásmu frekvencí, zatímco širokopásmové zesilovače zesilují v širokém rozsahu frekvencí.
- The nelineární zesilovače způsobit zkreslení ve srovnání s lineárními zařízeními. Nelineární zařízení se však dodnes používají. Příklady nelineárních zesilovačů jsou RF (radiofrekvenční) zesilovače atd.
- Struktura logaritmický zesilovač vytváří výstup úměrný logaritmickému vstupu. Obvod se skládá ze dvou diod a dvou operačních zesilovačů (operační zesilovač).
Aplikace zesilovače
Zesilovače se používají v různých aplikacích. Pojďme to probrat podrobně.
Napěťový sledovač je také známý jako zesilovač unity gain . Má velmi velkou vstupní impedanci a velmi nízkou výstupní impedanci, což je základní princip ukládání do vyrovnávací paměti akce. Invertující svorka operačního zesilovače je krátká s výstupní svorkou.
To znamená, že výstup je roven vstupu. Říká se mu napěťový sledovač, protože výstup zesilovače sleduje vstup.
Napěťový sledovač neposkytuje žádné zatěžovací efekty, žádný výkon a proudový zisk, což jsou jeho výhody.
Konstrukce měniče proudu na napětí je znázorněna níže:
Kde,
RT: Termistor nebo rezistor závislý na světle.
TO: Aktuální
RF: Zpětnovazební rezistor
LI: Zpětnovazební proud
VO: Výstupní napětí
Termistor řídí operační zesilovač v jeho invertujícím režimu. Změna teploty má za následek změnu odporu termistoru. Dále mění proud, který jím prochází. Proud teče do výstupu přes zpětnovazební rezistor jako zpětnovazební proud vyvíjející výstupní napětí. Protože proud termistoru je roven zpětnovazebnímu proudu, můžeme říci, že výstupní napětí je úměrné proudu termistoru.
Vstupní proud se tak přemění na výstupní napětí.
TWTA a Klystron jsou běžná zařízení používaná jako mikrovlnné zesilovače. Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA) poskytuje dobré zesílení i při nízkých mikrovlnných frekvencích. To znamená, že TWTA je preferován pro zesílení vysokého výkonu. Ale klystrony jsou lépe laditelné ve srovnání s TWTA.
Klystrony se také používají na mikrovlnných frekvencích pro aplikace s vysokým výkonem. Ve srovnání s TWTA však poskytuje široké laditelné zesílení. Ve srovnání s TWTA má také úzkou šířku pásma.
Polovodičová zařízení , jako jsou MOSFET, diody, polovodičové materiály (křemík, gallium atd.), se používají při nízkých výkonech a mikrovlnných frekvencích v různých aplikacích. Například, mobilní telefony, přenosné radiofrekvenční terminály atd. V takových aplikacích jsou velikost a účinnost hlavními faktory, které určují jeho schopnost a použití. Použití polovodičových zařízení v mikrovlnných zesilovačích také poskytuje širokou šířku pásma.
Zesilovače se používají v různých hudebních nástrojích, jako jsou kytary a bicí automaty, k převodu signálu z různých zdrojů (struny v kytaře atd.) na výkonný elektronický signál (výkonový zesilovač), který produkuje zvuk. Zvuk je dostatečně slyšitelný pro publikum nebo osoby v okolí. Výstup některých hudebních nástrojů je připojen k reproduktorům pro hlasitější zvuk.
Nástrojové zesilovače v hudebních nástrojích mají také funkci ladění signálu, která umožňuje interpretovi změnit tón signálu.
Obvody oscilátoru se používají ke generování elektrických průběhů libovolné frekvence, tvaru a výkonu. Použití zesilovačů v oscilátorech zajišťuje konstantní výstupní amplitudu a zesiluje zpětnovazební frekvenci.
Zesilovač přítomný ve video zesilovači zesiluje signál obsahující vysokofrekvenční složky. Zabraňuje také jakémukoli zkreslení. Video zesilovače mají různé šířky pásma podle kvality video signálu, jako je SDTV, HDTV, 1080pi atd.