Что такое электронный усилитель

4. Электронные усилители

Усилителем называется устройство, которое позволяет при наличии сигнала на входе получить на выходе сигнал той же формы, но большей мощности. Усиление происходит за счет источника питания и активного усилительного элемента (транзистора) с помощью которого энергия источника питания преобразуется в энергию полезных колебаний на выходе. Входной сигнал является управляющим, так как под его воздействием на выходе усилительного элемента возникают более мощные колебания, передаваемые в нагрузку.

Любой усилитель содержит активный усилительный элемент, источник питания и пассивные цепи. По отношению к усиливаемым колебаниям усилитель может рассматриваться как электрический четырехполюсник, поскольку имеет две входные и две выходные клеммы. Как правило, одна входная и одна выходная клеммы соединены общей шиной, называемой «землей».

Классификацию усилителей можно проводить по различным признакам:

1) по виду используемого усилительного элемента — ламповые, транзисторные усилители, на туннельных или параметрических диодах, на микросхемах и т.д.;

2) по диапазону усиливаемых частот — усилители постоянного тока (УПТ), низкой частоты (УНЧ), радио- или промежуточной частоты (УРЧ, УПЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ-усилители);

3) по ширине полосы усиливаемых частот — узкополосные, широкополосные усилители;

4) по характеру усиливаемого сигнала — усилители непрерывных и импульсных сигналов;

5) по усиливаемой электрической величине усилители напряжения, тока, мощности;

6) по типу нагрузки — резистивные (апериодические), резонансные (избирательные) усилители.

Работу усилителей принято оценивать рядом показателей и характеристик.

Коэффициентом усиления называется отношение выходной величины, характеризующей уровень сигнала (напряжение, ток или мощность) к входной. В соответствии с этим вводят понятие коэффициента усиления по напряжению К_U, по току K_I или по мощности К_P.

Коэффициентом усиления по напряжению (току) называется отношение выходного напряжения (тока) к входному напряжению (току):

, .

Коэффициент усиления по мощности К_Р показывает, во сколько раз активная мощность Р_вых, отдаваемая усилителем в нагрузку R_Н больше активной мощности Р_вх подводимой к его входным зажимам:

Коэффициент усиления по мощности часто выражают в логарифмических единицах — децибелах: К_Р дБ= 10 lgК_Р.

В биполярных транзисторах входной ток относительно велик, и коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности могут быть использованы в одинаковой мере, однако наиболее часто усилитель характеризуется коэффициентом К_U. Поэтому для коэффициента К_U в дальнейшем индекс U будет опускаться.

Усиление сигнала, как правило, сопровождается искажениями его формы. Поэтому усилитель характеризуется не только коэффициентом усиления, но и мерой искажений выходного сигнала по сравнению с входным. Искажения делят на линейные и нелинейные.

Линейные искажения обусловлены наличием в усилителе реактивных элементов, сопротивление которых зависит от частоты. Из-за этого отдельные гармонические составляющие сложного входного сигнала усиливаются неодинаково, нарушается их взаимный фазовый сдвиг относительно друг друга, форма сигнала искажается. Линейные искажения усилителя оценивают с помощью амплитудно-частотной (АЧХ) характеристик.

Под АЧХ усилителя понимается зависимость модуля коэффициента усиления от частоты сигнала. Примерный вид АЧХ усилителей показан на рис. 1. Иногда амплитудно-частотной характеристикой называют зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты сигнала при постоянном входном напряжении.

Нелинейными искажениями называют искажения формы выходного сигнала, вызванные нелинейностью ВАХ активных приборов, используемых в усилителе. Нелинейные искажения приводят к появлению на выходе усилителя напряжений и токов с частотами, которых не было в спектре входного колебания. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений) К_Г. Этот коэффициент измеряется на выходе, усилителя при подаче на вход гармонического колебания и определяется соотношением

,

где -напряжение и мощность полезного сигнала на выходе усилителя,,,,-напряжения и мощности соответствующих гармоник.

АХ считается линейной на участках, где усиление происходит с допустимым уровнем нелинейных искажений. В этом случае коэффициент усиления не зависит от амплитуды входного сигнала: он может быть определен как тангенс угла наклона АХ к оси абсцисс (см. рис. 2)

О линейности усилителя можно судить и по его амплитудной характеристике (АХ), т.е. зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного (рис. 3)

Амплитудная характеристика снимается при подаче на вход усилителя гармонического колебания частотой f, лежащей в полосе пропускания усилителя. Реальные АХ нелинейны, что наиболее ярко выражено при малых и больших уровнях входного сигнала. Начальный нелинейный участок АХ обусловлен собственными шумами усилителя и наводками, которые приводят к появлению напряжения на выходе усилителя даже при отсутствии входного сигнала. При больших амплитудах входного сигнала начинает сказываться нелинейность ВАХ активных приборов.

Динамический диапазон усилителя оценивается по и:

В пределах динамического диапазона усилитель рассматривается как линейное устройство.

Рис. 3

Резисторными (апериодическими) усилителями напряжения называются усилители, в которых явно выраженной нагрузкой является чисто активное сопротивление (резистор). Резисторные усилители широко применяют для усиления напряжения звуковой частоты. На рисунке 3 приведена схема усилителя на биполярном транзисторе. Для установления необходимого режима работы биполярного транзистора с помощью резисторов R₁ и R₂ на базе создается заданное напряжение U_б0. Резистор R_К обеспечивает работу транзистора в выбранном режиме по постоянному току. Стабилизация работы транзистора при изменении температуры осуществляется включением резистора R_Э. Чтобы сопротивление R_Э не сказывалось на переменном токе, его шунтируют конденсатором C_Э. Разделительные конденсаторы С_Р препятствуют передаче постоянной составляющей напряжения.

Контрольные вопросы.

Что такое электронный усилитель?

Почему в электронном усилителе происходит усиление мощности?

Как классифицируются электронные усилители?

Что такое коэффициент усиления?

Какой усилитель называют апериодическим (резисторным)?

Какие искажения в усилителях называют линейными? Чем они обусловлены?

Какие искажения в усилителях называют нелинейными? Чем они обусловлены?

Что называют амплитудно-частотной характеристикой усилителя?

Что такое полоса пропускания усилителя?

Почему в апериодическом усилителе уменьшается усиление на низких частотах?

Электронный усилитель

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Содержание

История

• 1904 год — Ли де Форест на основе созданной им электронной лампы — триода разработал устройство усиления электрических сигналов (усилитель), состоящий из нелинейного элемента (лампы) и статического сопротивления Ra, включенного в анодную цепь.
• 1932 год — Гарри Найквист определил условия устойчивости (способности работать без самовозбуждения) усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.
• 1942 год — в США построен первый операционный усилитель — усилитель постоянного тока с симметричным (дифференциальным) входом и значительным собственным коэффициентом усиления (более 1000) как самостоятельное изделие. Основным назначением данного класса усилителей стало его использование в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций над электрическими сигналами. Отсюда его первоначальное название — решающий.

Устройство и принцип действия

Структура усилителя

• Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями
• В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) — для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы — для выравнивания частотной характеристики
• Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.
• Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства — нелинейные и др.
• Как и в любом активном устройстве в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Каскады усиления

• Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.
• В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых специальных случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.
• В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)
  (истоком, катодом) — наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.
  • Каскад с общей базой (затвором, сеткой) — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает. (стоком, анодом) — называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.
  • Каскад с распределенной нагрузкой — каскад, занимающий промежуточное положение между схемой включения с общим эмиттером и общим коллектором. Как вариант каскада с распределенной нагрузкой, выходной каскад усилителя мощности «двухподвес». Важными свойствами являются задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.
  • Однотактный усилитель — усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.  — усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

  Режимы (классы) мощных усилительных каскадов

  • Особенности выбора режима мощных каскадов связаны с задачами повышения экономичности питания и уменьшения нелинейных искажений.
  • В зависимости от способа размещения начальной рабочей точки усилительного прибора на статических и динамических характеристиках различают следующие режимы усиления

  

  

  

  Режим B, двухтактный каскад

  

  Углы отсечки полуволны сигнала в различных режимах

  Классификация

  Аналоговые усилители и цифровые усилители

  • В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.
  • В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC) происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину — число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC) мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

  Виды усилителей по элементной базе

  • Ламповый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы
  • Полупроводниковый усилитель — усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.)
  • Гибридный усилитель — усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть — на полупроводниках
  • Квантовый усилитель — устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

  Виды усилителей по диапазону частот

  (УПТ) — усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике. (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) — усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.
  • Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) — усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике
  • Импульсный усилитель — усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц — нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

  Виды усилителей по полосе частот

  • Широкополосный (апериодический) усилитель — усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот
  • Полосовой усилитель — усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот
  • Селективный усилитель — усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами

  Виды усилителей по типу нагрузки

  • с резистивной;
  • с ёмкостной;
  • с индуктивной;
  • с резонансной.

  Специальные виды усилителей

   — усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход.  — многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью.  — предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала
  • Масштабный усилитель — усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью  — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала
  • Квадратичный усилитель — усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала
  • Интегрирующий усилитель — усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала
  • Инвертирующий усилитель — усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)
  • Парафазный (фазоинверсный) усилитель — усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений
  • Малошумящий усилитель — усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал
  • Изолирующий усилитель — усилитель, в котором входные и выходные цепи гальванически изолированы. Служит для защиты от высокого напряжения, которое может быть подано на входные цепи, и для защиты от помех, распространяющихся по цепям заземления

  Некоторые функциональные виды усилителей

  • Предварительный усилитель (предусилитель) — усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.
  • Оконечный усилитель (усилитель мощности) — усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.
  • Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) — узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего с преобразователя частотырадиоприёмника.
  • Резонансный усилитель — усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой.
  • Видеоусилитель — импульсный усилитель, предназначенный для усиления видеоимпульсов сложной формы, широкого спектрального состава. Несмотря на название, применяется не только в видео- и телевизионной технике, но и в радиолокации, обработке сигналов с различных детекторов, модемах, и др. Принципиальной особенностью данного усилителя является работоспособность вплоть до 0 Гц (постоянный ток). Также сигнал данного спектра обычно называют видеосигналом, даже если он не имеет никакого отношения к передаче изображения.
  • Усилитель магнитной записи — усилитель, нагруженный на записывающую магнитную головку.
  • Микрофонный усилитель — усилитель электрических сигналов звуковых частот, поступающих с микрофона, до значения, при котором их можно обрабатывать и регулировать.
  • Усилитель-корректор (корректирующий усилитель) — электронное устройство для изменения параметров видео- или аудиосигнала. Усилитель-корректор видеосигнала, например, даёт возможность регулировки насыщенности цвета, цветового тона, яркости, контрастности и разрешения, усилитель-корректор аудиосигнала предназначен для усиления и коррекции сигналов от звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок, бывают и другие виды усилителей-корректоров.

  Усилители в качестве самостоятельных устройств

  • Усилители звуковой частоты для систем проводного вещания.
  • Усилители звуковой частоты для озвучивания открытых и закрытых пространств.
  • Бытовые усилители звуковой частоты . В этой группе устройств наибольший интерес представляют усилители высокой верности воспроизведения Ні-Fi и наивысшей верности high end. Различаются усилители предварительные, оконечные (усилители мощности) и полные, сочетающие в себе свойства предварительных и оконечных.
   — разновидность измерительных усилителей, используются в электрофизиологии.

  

  

  

  Hi-Fi УНЧ McIntosh MA6800

  

  Усилитель мощности Aleph 3

  Основные нормируемые параметры

  См. также

  Примечания

  1. ↑ Hickman, R. W. and Hunt, F. V., «On Electronic Voltage Stabilizers, » Review of Scientific Instruments, vol. 10, p. 6-21 (January 1939)

  Литература

  • Симонов Ю. Л. Усилители промежуточной частоты. — М.: Советское радио, 1973
  • Букреев С. С. Транзисторные усилители низкой частоты с обратной связью. — М.: Советское радио, 1972
  • Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. 2-е изд. — М.: Радио и связь. 1983 / Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
  • Рамм Г. С. Электронные усилители.
  • Шамшин В. Г. История технических средств коммуникации, 2003.
  • ГОСТ 23849-87. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Методы измерения электрических параметров усилителей сигналов звуковой частоты.
  • ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.
  • ГОСТ 29180-91. Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы СВЧ. Усилители малошумящие. Параметры и характеристики. Методы измерений.
  • ОСТ4-203.007-84. Аппаратура для озвучивания открытых и закрытых пространств. Усилители звуковой частоты. Общие технические условия.
  • ОСТ45-138-99. Усилители оконечные звуковой частоты станций проводного вещания. Основные параметры. Методы измерений.
  • IEC 60527(1975). Усилители постоянного тока. Характеристики и методы испытаний.
  • IEC 60581-6(1979). Акустическая аппаратура и системы высокой верности воспроизведения (Ні-Fi). Минимальные требования к параметрам. Часть 6. Усилители.
  • IEC 61305-3(1995). Аудиоаппаратура и аудиосистемы с высокой верностью воспроизведения бытовые. Методы измерения и установления рабочих характеристик. Часть 3: Усилители.
  • IEC 60268-3(2000). Оборудование звуковых систем. Часть 3. Усилители.

  Ссылки

  • Викифицировать список литературы, используя шаблон <<книга>> , и проставить ISBN.
  • Усилители (электроника)
  • Радиотехника
  • Радио
  • Базовые электронные узлы

  Wikimedia Foundation . 2010 .

  Полезное

  Смотреть что такое «Электронный усилитель» в других словарях:

  электронный усилитель — усилитель Усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Примечание В зависимости от амплитудно частотной характеристики, устройства и… … Справочник технического переводчика

  Электронный усилитель — 272. Электронный усилитель Усилитель Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  электронный усилитель — elektroninis stiprintuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electronic amplifier vok. Elektronenverstärker, m rus. электронный усилитель, m pranc. amplificateur électronique, m … Fizikos terminų žodynas

  электронный усилитель поперечного поля — электронный усилитель поперечного поля; амплидин; отрасл. магникон Двухступенчатый электромашинный усилитель, у которого поле возбуждения второй ступени расположено по поперечной оси поля возбуждения первой ступени … Политехнический терминологический толковый словарь

  Электронный усилитель — 1. Усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 … Телекоммуникационный словарь

  Усилитель — Усилитель  элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии… … Википедия

  Электронный генератор — Электронные генераторы большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром. Содержание 1 Виды электронных… … Википедия

  Усилитель (электроника) — Электронный усилитель усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное… … Википедия

  Усилитель низкой частоты — Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот… … Википедия

  Усилитель ЗЧ — Усилитель звуковых частот (УЗЧ), усилитель низких частот (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот… … Википедия

  Как работает усилитель звуковой частоты

  Добрый день уважаемый хабраюзер, я хочу рассказать тебе о основах построения усилителей звуковой частоты. Я думаю эта статья будет интересна тебе если ты никогда не занимался радиоэлектроникой, и конечно же она будет смешна тем кто не расстаётся с паяльником. И поэтому я попытаюсь расказать о данной теме как можно проще и к сожалению опуская некоторые нюансы.

  Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.

  Резистор

  Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление. Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:
  
  Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.

  Конденсатор

  Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком. Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно.
  
  Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик
  
  Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость, что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так:
  

  Транзистор

  В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы. Транзистор изготавливают из полупроводникового материала. Нужное для нас свойство это материала, — наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n-тип и p-тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом — пустым кружком:
  
  Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор.
  
  Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок):
  

  На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы.

  Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор.

   

  Рассмотренный нами транзистор pnp-типа, так как у него две p-зоны и одна n-зона. Так же существуют npn-транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:
  

  Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:

  

  А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.

  Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.

  

  Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn-типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.

  

  Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:

  

  Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:

  
  Это есть так называемое искажение типа ступенька.

  Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.

  

  А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:

  

  Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:

  

  Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал — нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.

  Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:

  Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.

  

  И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:

  

  Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.

  • U = 12 В — напряжение питания;
  • U бэ

  • P max = 200 мВт — максимальная рассеиваемая мощность;
  • I max = 100 мА — максимальный постоянный ток коллектора;
  • U max = 18 В — макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
  • U эб = 5 В — макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
  • h21 = 75-225 — коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение — 75;

  P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;

  I к0 = P ст.max / U кэ, где U кэ — напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:

  U кэ = U / 2;

  I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;

  R н = R1 + R4, где R н — общее сопротивление нагрузки;

  Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:

  R1 = R4*10;

  Рассчитаем сопротивление нагрузки:

  R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;

  Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.

  U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4) = (U — I к0 * R1) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;

  I б = I к / h21, где I к — ток коллектора;

  I к = (U / R н);

  I б = (U / R н) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,7 mA;

  R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом

  U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В

  Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.

  U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В

  Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3:

  R3 = (R2 + R3) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;

  Ближайший номинал резистора 250 Ом;

  R2 = (R2 + R3) — R3 = 1714,3 Ом — 250 Ом = 1464,3 Ом;

  Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.

  Заключение

  На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.

  Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.

  Усилители

  Усилители — устройства, предназначенные для усиления различных электрических сигналов. Усиление производится при помощи элементов, которые, получая энергию от источника питания, преобразуют ее в энергию усиливаемых сигналов. Широта применения и разнообразие выполняемых задач привели к созданию усилителей самых различных типов и назначений (усилители тока, напряжения, мощности).

  Прежде всего, усилители разделяют по диапазону усиливаемых частот . Усилители низкой частоты предназначены для усиления электрических сигналов в полосе частот от 30 щ до 20 кгц. Усилители высокой частоты предназначены для усиления сигналов радиочастот от 100 кгц и выше. Усилители, работающие на сверхвысоких частотах (в диапазоне УКВ), часто выделяют в особую группу.

  Усилители постоянного тока усиливают сигналы в полосе частот от нуля до некоторой заданной рабочей частоты. При этом они обеспечивают усиление как постоянных, так и переменных составляющих сигнала.

  По характеру сопротивления нагрузки различают:

  • а) усилители на сопротивлениях (нагрузкой является активное сопротивление);
  • б) дроссельные усилители (нагрузкой является дроссель);
  • в) трансформаторные усилители (нагрузкой служит трансформатор);
  • г) резонансные усилители (нагрузкой служит колебательный контур или система связанных контуров).

  По полосе усиливаемых частот усилители делятся на узкополосные (полоса частот не превышает 20 кгц) и широкополосные (полоса частот может составлять несколько десятков мегагерц). К числу широкополосных относятся импульсные усилители.

  Усилители низкой частоты получили очень большое распространение в киноустановках, трансляционных линиях связи, радиовещательных приемниках и во многих различных установках, где требуется громкое воспроизведение речи и музыки.

  Усилители высокой частоты являются неотъемлемой частью любого радиоприемника и радиопередатчика и находят самое разнообразное применение в измерительной технике.

  Усилители постоянного тока применяются в счетно-вычислительных установках, в измерительных и автоматических устройствах.

  По роду применяемых усилительных элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные, магнитные, диэлектрические и т. д.

  Усилительный элемент с сопротивлением нагрузки и относящимися непосредственно к нему электрическими цепями называют усилительным каскадом, или ступенью.

  Если один усилительный каскад не обеспечивает требуемого усиления, то используют последовательное соединение двух или более каскадов (многокаскадные усилители).

  • Электронная лампа как нелинейный элемент
  • Показатели усилителей
  • Схемы питания анодной и сеточных цепей усилителя

  Усилители на электронных лампах

  • Усилители напряжения низкой частоты
  • Дроссельные усилители
  • Трансформаторный усилитель
  • Широкополосный усилитель
  • Усилитель мощности низкой частоты
  • Резонансные усилители
  • Полосовой усилитель
  • Фазочувствительные усилители
  • Усилители постоянного тока (УПТ)

  Принцип работы электронного усилителя

  Рассмотрим работу простейшего усилительного каскада, выполненного на триоде ( рис. 131, а ). При отсутствии входного сигнала потенциал управляющей сетки равен нулю, так как она соединена с катодом через вторичную обмотку входного трансформатора. В анодной цепи лампы течет ток покоя I а.п , который на сопротивлении нагрузки Z н создает падение напряжения I а.п · Z н . Поэтому напряжение на аноде в режиме покоя U а.п = E а — I а.п ·Z н .

  Так, например, если Е а = 250 в, I а.п = 1 ма и Z н = 50 ком, то напряжение на аноде U а.п = 250 — 1·10 -3 ·50·10 3 = 400 в.

  Пусть теперь на вход электронной лампы (между катодом и управляющей сеткой) поступает сигнал U с с амплитудой 0,7 в, и если анодный ток при этом начнет пульсировать от значения I а.макс = 1,2 ма до значения I а.мин = 0,8 ма, то напряжение на аноде будет изменяться от

  U а.макс = Е а — I а.мин Z н = 250 -0,8·10 -3 ·50·10 3 = 210 в

  U а.мин = Е а — I а.макс Z н = 250- 1,2·10 -3 ·50·10 3 = 190 в.

  Пульсирующий анодный ток и пульсирующее напряжение на аноде можно представить в виде суммы двух составляющих: постоянной и переменной. Поэтому напряжение на аноде тоже имеет постоянную и переменную составляющие, которые в рассматриваемом примере соответственно равны 200 и 10 в. Это иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 131, б.

  На вход усилительного каскада был подан сигнал с амплитудой 0,7 в, а на аноде амплитуда переменного напряжения получилась равной 10 в. Следовательно, произошло усиление напряжения сигнала в 14 раз.

  На рис. 131, в представлены графики фазовых соотношений между напряжениями и токами усилительного каскада с активной нагрузкой, включенной в анодную цепь лампы. Напряжение входного сигнала, анодный ток и падение напряжения на нагрузке изменяются в фазе, а напряжение входного сигнала и напряжение на аноде — в противофазе. Таким образом, электронная лампа при усилении поворачивает фазу сигнала на 180°.

  Рис.131. Схема включения (а); выбор режима работы (б) и фазовые соотношения (в) усилительного каскада на триоде

   
  Похожие публикации:
  1. Car amplifier на магнитоле что это
  2. Безопасность платежей угроза xiaomi как устранить
  3. Где кнопка на беспроводных наушниках
  4. Сколько стоит заменить стекло на планшете леново таб 2