Yleensä vahvistin voidaan määritellä piiriksi, joka on suunniteltu nostamaan käytetty pienitehoinen tulosignaali suuritehoiseksi lähtösignaaliksi komponenttien määritetyn luokituksen mukaisesti.

Vaikka perustoiminto pysyy samana, vahvistimet voidaan luokitella eri luokkiin niiden suunnittelun ja kokoonpanon mukaan.

Piirit logiikkatulojen vahvistamiseksi

Olet saattanut törmätä yksittäisiin transistorivahvistimiin, jotka on konfiguroitu toimimaan ja vahvistamaan matalan signaalin logiikkaa tuloanturilaitteista, kuten LDR: t, valodiodit Näiden vahvistimien lähtöä käytetään sitten a: n kytkemiseen varvastossu tai rele PÄÄLLE / POIS vastauksena anturilaitteiden signaaleihin.

Olet ehkä nähnyt myös pieniä vahvistimia, joita käytetään musiikin tai äänitulon esivahvistamiseen tai LED-lampun käyttämiseen.
Kaikki nämä pienet vahvistimet luokitellaan pieniksi signaalivahvistimiksi.

Vahvistintyypit

Ensisijaisesti vahvistinpiirit on sisällytetty musiikkitaajuuden vahvistamiseen siten, että syötetty pieni musiikkitulo vahvistetaan moniin taittumiin, normaalisti 100 - 1000 kertaa ja toistetaan kaiuttimen kautta.

Tehoistaan tai teholuokastaan riippuen tällaisilla piireillä voi olla malleja, jotka vaihtelevat pienistä opamp-pohjaisista pienistä signaalivahvistimista suuriin signaalivahvistimiin, joita kutsutaan myös tehovahvistimiksi. Nämä vahvistimet on luokiteltu teknisesti niiden toimintaperiaatteiden, piirivaiheiden ja tavan mukaan mikä ne voidaan määrittää käsittelemään vahvistustoimintoa.

Seuraava taulukko antaa meille vahvistimien luokittelutiedot niiden teknisten ominaisuuksien ja toimintaperiaatteen perusteella:

Perusvahvistinrakennuksessa havaitaan, että se sisältää enimmäkseen muutaman vaiheen, joissa on bipolaaristen transistoreiden tai BJT-verkkojen, kenttätransistoreiden (FET) tai operatiivisten vahvistimien verkot.

Tällaisissa vahvistinlohkoissa tai -moduuleissa voitiin nähdä pari liitintä tulosignaalin syöttämiseksi ja toinen lähtöliitäntäpari vahvistetun signaalin vastaanottamiseksi yhdistetyn kaiuttimen kautta.

Yksi näistä kahdesta liittimestä on maadoitusliittimet, ja sitä voidaan pitää yhtenäisenä linjana tulo- ja lähtövaiheiden yli.

Kolme vahvistimen ominaisuutta

Kolme tärkeää ominaisuutta, jotka ihanteellisella vahvistimella pitäisi olla, ovat:

Tulonkestävyys (Rin)
Lähtöresistanssi (reitti)
Vahvistus (A), joka on vahvistimen vahvistusalue.

Ymmärtäminen ihanteellisesta vahvistimesta

Vahvistetun signaalin eroa lähdön ja tulon välillä kutsutaan vahvistimen vahvistukseksi. Se on suuruus tai määrä, jolla vahvistin pystyy vahvistamaan tulosignaalia lähtöliittimiensä yli.

Otetaan esimerkiksi, jos vahvistin luokitellaan käsittelemään 1 voltin tulosignaali 50 voltin vahvistetuksi signaaliksi, niin sanoisimme, että vahvistimen vahvistus on 50, se on niin yksinkertaista.
Tätä matalan tulosignaalin parantamista korkeammaksi lähtösignaaliksi kutsutaan saada vahvistimen. Vaihtoehtoisesti tämä voidaan ymmärtää tulosignaalin kasvuna kertoimella 50.

Vahvistussuhde Siten vahvistimen vahvistus on periaatteessa signaalitasojen lähtö- ja tuloarvojen suhde tai yksinkertaisesti lähtöteho jaettuna tuloteholla, ja se osoitetaan A-kirjaimella, joka tarkoittaa myös vahvistimen vahvistintehoa.

Vahvistinvahvistusten tyypit Erilaiset vahvistinvahvistukset voidaan luokitella seuraavasti:

Jännitteen vahvistus (pois päältä)
Nykyinen voitto (Ai)
Voitto (Ap)

Esimerkkikaavat vahvistimen vahvistusten laskemiseksi Yllä olevista kolmesta voitotyypistä riippuen kaavat näiden laskemiseksi voidaan oppia seuraavista esimerkeistä:

Jännitevahvistus (Av) = Lähtöjännite / Tulojännite = Vout / Vin
Nykyinen vahvistus (Ai) = Lähtövirta / tulovirta = Iout / Iin
Tehon voitto (Ap) = keskim i

Tehovahvistuksen laskemiseksi voit vaihtoehtoisesti käyttää myös kaavaa:
Tehovahvistus (Ap) = Lähtöteho / Syöttöteho = Aout / Ain

Olisi tärkeää huomata, että alaindeksi p, v, i joita käytetään tehon laskemiseen, osoitetaan tietyn tyyppisen signaalinvahvistuksen tunnistamiseksi, jota käsitellään.

Ilmaisee desibeleitä

Löydät toisen menetelmän vahvistimen tehonsaannin ilmaisemiseksi desibeleinä tai (dB).
Mitta tai määrä Bel (B) on logaritminen yksikkö (pohja 10), jolla ei ole mittayksikköä.
Desibeli voi kuitenkin olla liian suuri yksikkö käytännön käyttöön, joten vahvistimen laskemiseen käytämme alempaa versiota (desibeliä).
Tässä on joitain kaavoja, joita voidaan käyttää vahvistimen vahvistuksen mittaamiseen desibeleinä:

Jännitevahvistus desibeleinä: pois = 20 * log (pois päältä)
Nykyinen vahvistus desibeleinä: ai = 20 * log (Ai)
Tehon vahvistus desibeleinä: ap = 10 * log (Ap)

Joitakin tietoja dB-mittauksesta
Olisi tärkeää huomata, että vahvistimen DC-tehovahvistus on 10 kertaa sen lähtö / tulosuhteen yhteinen log, kun taas virran ja jännitteen vahvistukset ovat 20 kertaa suhteidensa yhteiset logaritmit.

Tämä tarkoittaa, että koska kyseessä on logaritmi-asteikko, 20 dB: n vahvistusta ei voida pitää kaksinkertaisena 10 dB: stä log-asteikon epälineaarisen mittausominaisuuden vuoksi.

Kun vahvistus mitataan dB: nä, positiiviset arvot tarkoittavat vahvistimen vahvistusta, kun taas negatiivinen dB-arvo osoittaa vahvistimen vahvistuksen menetystä.

Esimerkiksi, jos tunnistetaan + 3dB-vahvistus, se osoittaa tietyn vahvistimen lähdön kaksinkertaisen tai x2-vahvistuksen.

Käänteisesti, jos tulos on -3dB, osoittaa, että vahvistimen tappio on 50% tai x0,5 häviön mitta vahvistuksessa. Tätä kutsutaan myös puolitehopisteeksi, joka tarkoittaa -3dB pienempi kuin suurin saavutettavissa oleva teho suhteessa 0dB, joka on vahvistimen suurin mahdollinen lähtö

Vahvistimien laskeminen

Laske vahvistimen jännite, virta ja tehovahvistus seuraavilla ominaisuuksilla: Tulosignaali = 10mV @ 1mA Lähtösignaali = 1V @ 10mA.Lisätietoja vahvistimen vahvistuksesta desibeliarvoilla (dB).

Ratkaisu:

Yllä opittuja kaavoja käyttämällä voimme arvioida vahvistimeen liittyvät erityyppiset voitot kädessä olevien tulolähtöjen mukaan:

Jännitevahvistus (Av) = Lähtöjännite / Tulojännite = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Nykyinen vahvistus (Ai) = Lähtövirta / tulovirta = Iout / Iin = 10/1 = 10
Voitto (Ap) = Av. x A i = 100 x 10 = 1000

Saadaksesi tulokset desibeleinä, käytämme seuraavia kaavoja:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Vahvistimen alajaot

Pienet signaalivahvistimet: Vahvistimen tehon ja jännitteen vahvistuksen suhteen on mahdollista jakaa ne pari eri luokkaa.

Ensimmäistä tyyppiä kutsutaan pieneksi signaalivahvistimeksi. Näitä pieniä signaalivahvistimia käytetään yleensä esivahvistinvaiheissa, instrumentointivahvistimissa jne.

Tämän tyyppiset vahvistimet on luotu käsittelemään minuuttisignaalitasoja niiden tuloissa joidenkin mikrojännitteiden alueella, kuten anturilaitteista tai pienistä audiosignaalituloista.

Suuret signaalivahvistimet: Toisen tyyppiset vahvistimet nimetään suuriksi signaalivahvistimiksi, ja kuten nimestä käy ilmi, niitä käytetään tehovahvistinsovelluksissa valtavien vahvistusalueiden saavuttamiseksi. Näissä vahvistimissa tulosignaali on suhteellisen suurempaa, jotta niitä voidaan olennaisesti vahvistaa toistettavaksi ja ajamiseksi voimakkaisiin kaiuttimiin.

Kuinka tehovahvistimet toimivat

Koska pienet signaalivahvistimet on suunniteltu käsittelemään pieniä tulojännitteitä, niitä kutsutaan pieniksi signaalivahvistimiksi. Kuitenkin, kun vahvistinta vaaditaan toimimaan suurten kytkentävirtasovellusten kanssa niiden lähdöissä, kuten moottorin käyttö tai subwooferien käyttö, tehovahvistimesta tulee väistämätöntä.

Yleisimmin tehovahvistimia käytetään äänenvahvistimina suurten kaiuttimien käyttämiseen ja valtavien musiikkitasojen vahvistusten ja äänenvoimakkuuden tuottamiseen.

Tehovahvistin vaatii toimiakseen ulkoista tasavirtaa, ja tätä tasavirtaa käytetään aiotun suuren tehovahvistuksen saavuttamiseen niiden lähdössä. Tasavirta johdetaan yleensä suurvirtaisten suurjännitelähteiden kautta muuntajien tai SMPS-pohjaisten yksiköiden kautta.

“jännitteen ja virran jakajan sääntö ”

Vaikka tehovahvistimet pystyvät lisäämään alemman tulosignaalin suuriksi lähtösignaaleiksi, menettely ei todellakaan ole kovin tehokas. Se johtuu siitä, että prosessissa hukkaan menee huomattava määrä tasavirtaa lämmöntuotannon muodossa.

Tiedämme, että ihanteellinen vahvistin tuottaisi melkein yhtä paljon kulutettua tehoa, jolloin hyötysuhde olisi 100%. Käytännössä tämä näyttää kuitenkin melko kaukaiselta, eikä se välttämättä ole mahdollista, johtuen voimalaitteiden sisäisistä tasavirtahäviöistä lämmön muodossa.

Vahvistimen tehokkuus Edellä esitetyistä näkökohdista voimme ilmaista vahvistimen tehokkuuden seuraavasti:

Tehokkuus = Vahvistimen teho / Vahvistimen DC-kulutus = Pout / Pin

Ihanteellinen vahvistin

Viitaten yllä olevaan keskusteluun, voi olla mahdollista, että hahmotellaan ihanteellisen vahvistimen pääominaisuudet. Ne ovat erityisesti alla selitettyjä:

Ihanteellisen vahvistimen vahvistuksen (A) tulisi olla vakio vaihtelevasta tulosignaalista riippumatta.

Vahvistus pysyy vakiona tulosignaalin taajuudesta riippumatta, jolloin lähtövahvistus pysyy muuttumattomana.
Vahvistimen lähdössä ei ole minkäänlaista kohinaa vahvistuksen aikana, päinvastoin, siinä on melunvaimennusominaisuus, joka poistaa mahdollisen tulolähteen kautta tapahtuvan melun.
Ympäristön lämpötilan tai ilman lämpötilan muutokset eivät vaikuta siihen.
Pitkällä käytöllä on vain vähän tai ei lainkaan vaikutusta vahvistimen suorituskykyyn, ja se pysyy yhtenäisenä.

Elektronisen vahvistimen luokitus

Olipa kyseessä jännitevahvistin tai tehovahvistin, nämä luokitellaan niiden tulo- ja lähtösignaalin ominaisuuksien perusteella. Tämä tehdään analysoimalla virran virtaus suhteessa tulosignaalin signaaliin ja siihen, kuinka kauan se tarvitaan ulostulon saavuttamiseksi.

Piirikokoonpanonsa perusteella tehovahvistimet voidaan luokitella aakkosjärjestykseen. Heille on määritelty eri toimintaluokat, kuten:

A-luokka
B-luokka
C-luokka
Luokka 'AB' ja niin edelleen.

Näillä voi olla ominaisuuksia, jotka vaihtelevat melkein lineaarisesta ulostulovasteesta, mutta melko pienestä hyötysuhteesta epälineaariseen lähtövasteeseen, jolla on korkea hyötysuhde.

Mitään näistä vahvistimien luokista ei voida erottaa köyhemmiksi tai paremmiksi kuin toiset, koska kullakin on oma erityinen käyttöalue vaatimuksesta riippuen.

Saatat löytää optimaaliset muuntotehokkuudet kullekin näistä, ja niiden suosio voidaan tunnistaa seuraavassa järjestyksessä:

Luokan A-vahvistimet: Tehokkuus on pienempi, tyypillisesti alle 40%, mutta lineaarinen signaalilähtö voi olla parempi.

Luokan B vahvistimet: Tehokkuus voi olla kaksinkertainen luokan A tasoon, käytännössä noin 70%, johtuen siitä, että vain vahvistimen aktiiviset laitteet kuluttavat virtaa aiheuttaen vain 50% virrankulutuksen.

Luokan AB vahvistimet: Tämän luokan vahvistimien hyötysuhde on jonkin verran luokan A ja luokan B välillä, mutta signaalin toisto on heikompaa kuin luokka A.

Luokan C-vahvistimet: Näiden katsotaan olevan poikkeuksellisen tehokkaita virrankulutuksen kannalta, mutta signaalin toisto on huonointa ja siinä on paljon vääristymiä, mikä aiheuttaa tulosignaalin ominaisuuksien heikon replikaation.

Kuinka luokan A vahvistimet toimivat:

Luokan A vahvistimissa on ihanteellisesti esijännitetyt transistorit aktiivisella alueella, mikä mahdollistaa tulosignaalin vahvistamisen tarkasti ulostulossa.

Tämän täydellisen esijännitysominaisuuden ansiosta transistorin ei koskaan saa ajautua katkaistuja tai kyllästyneitä alueitaan kohti, jolloin signaalin vahvistus optimoidaan oikein ja keskitetään signaalin määritettyjen ylä- ja alarajojen väliin, kuten seuraavassa on esitetty kuva:

Luokan A kokoonpanossa identtiset transistorisarjat asetetaan lähtöaaltomuodon kahdelle puoliskolle. Ja riippuen esijännityksen tyypistä, lähtötehotransistorit renderoidaan aina kytkettynä ON-asentoon riippumatta siitä, käytetäänkö tulosignaalia vai ei.

Tämän vuoksi luokan A vahvistimien tehokkuus on erittäin huono virrankulutuksen suhteen, koska tehon tosiasiallinen jakaminen lähtöön vaikeutuu laitteen hukkaamisen aiheuttaman ylimääräisen tuhlauksen vuoksi.

Edellä selitetyn tilanteen mukaan luokan vahvistimissa voidaan nähdä, että niissä on aina yli lämmitetyt lähtötehotransistorit jopa tulosignaalin puuttuessa.

Vaikka tulosignaalia ei olekaan, virtalähteen DC: n (Ic) annetaan virrata tehotransistoreiden läpi, mikä voi olla yhtä suuri kuin kaiuttimen läpi virtaava virta, kun tulosignaalia oli läsnä. Tämä aiheuttaa jatkuvia 'kuumia' transistoreita ja energian tuhlausta.

Luokan B vahvistimen käyttö

Toisin kuin luokan A vahvistinkokoonpano, joka riippuu yksittäisistä tehotransistoreista, luokka B käyttää paria komplementaarisia BJT: itä piirin kummallakin puoliskolla. Ne voivat olla NPN / PNP: n tai N-kanavan mosfetin / P-kanavan mosfetin muodossa).

Tällöin yhden transistoreista saa johtaa vasteena tulosignaalin puolikkaalle aaltomuodosyklille, kun taas toinen transistori hoitaa aaltomuodon toisen puoliskosyklin.

Tämä varmistaa, että parin kukin transistori johtaa puolet ajasta aktiivisella alueella ja puolet raja-alueella, jolloin vain 50%: n osallistuminen signaalin vahvistamiseen.

Toisin kuin luokan A vahvistimet, luokan B vahvistimissa tehotransistoreita ei ole esijännitetty suoralla tasavirralla, vaan kokoonpano varmistaa, että ne johtavat vain, kun tulosignaali menee korkeammalle kuin emäsemitterijännite, joka voi olla noin 0,6 V pii-BJT: n kohdalla.

Tämä tarkoittaa, että kun tulosignaalia ei ole, BJT: t pysyvät suljettuina ja lähtövirta on nolla. Ja tämän vuoksi vain 50% tulosignaalista saa tulla lähtöön missään tapauksessa, mikä mahdollistaa paljon paremman hyötysuhteen näille vahvistimille. Tulos voidaan nähdä seuraavasta kaaviosta:

Koska DC: llä ei ole suoraa osallisuutta luokan B vahvistimien tehotransistoreiden esijännittämiseen, johtamisen aloittamiseksi vasteena kullekin puolikas +/- aaltomuodon syklille, siitä tulee välttämätöntä niiden emäkselle / emitterille Vbe hankkia suurempi potentiaali kuin 0,6 V (BJT: n vakioperusteinen esijännitysarvo)

Edellä mainitun tosiasian vuoksi se tarkoittaa, että vaikka lähtöaaltomuoto on alle 0,6 V: n merkin, sitä ei voida vahvistaa ja toistaa.

Tämä aiheuttaa vääristyneen alueen lähtöaaltomuodolle juuri aikana, jolloin yksi BJT: stä kytkeytyy pois päältä ja odottaa toisen kytkeytyvän takaisin päälle.

Tämän seurauksena pieni osa aaltomuodosta altistuu pienille vääristymille ristikauden aikana tai siirtymävaiheen aikana lähellä nollaristiriitaa, tarkalleen silloin, kun siirtyminen yhdestä transistorista toiseen tapahtuu komplementaaristen parien yli.

Luokan AB vahvistimen käyttö

AB-luokan vahvistin on rakennettu käyttämällä sekoitus f-ominaisuuksia luokan A ja luokan B piiripiireistä, joten nimi on luokka AB.

Vaikka luokan AB suunnittelu toimii myös parin täydentävien BJT-laitteiden kanssa, lähtötaso varmistaa, että teho-BJT: iden esijännitystä ohjataan lähellä raja-arvokynnystä tulosignaalin puuttuessa.

Tässä tilanteessa heti, kun tulosignaali havaitaan, transistorit negin toimivat normaalisti aktiivisella alueellaan estäen siten mahdollisen ristivääristymän, joka on normaalisti vallitsevaa luokan B kokoonpanoissa. BJT: n läpi voi kuitenkin johtaa pieni määrä kollektorivirtaa, määrää voidaan pitää merkityksettömänä verrattuna luokan A malleihin.

Luokan AB tyyppisellä vahvistimella on paljon parempi hyötysuhde ja lineaarinen vaste luokan A vastaavaan verrattuna.

Luokan AB vahvistimen lähtöaaltomuoto

Vahvistinluokka on tärkeä parametri, joka riippuu siitä, kuinka transistorit ovat esijännitetyt tulosignaalin amplitudin läpi, vahvistamisprosessin toteuttamiseksi.

Se perustuu siihen, kuinka paljon tulosignaalin aaltomuodon suuruudesta käytetään transistoreiden johtamiseen, ja myös hyötysuhteeseen, joka määräytyy lähdön toimittamiseen tosiasiallisesti käytetyn tehon määrän ja / tai hukkaan hukkaamisen kautta.

Näiden tekijöiden suhteen voimme vihdoin luoda vertailuraportin, joka näyttää erot vahvistimien eri luokkien välillä, kuten seuraavassa taulukossa on esitetty.

Sitten voimme verrata seuraavassa taulukossa yleisimpiä vahvistinluokituksia.

Tehovahvistinluokat

Lopulliset ajatukset

Jos vahvistinta ei ole suunniteltu oikein, kuten esimerkiksi luokan A vahvistinrakenne, se voi vaatia voimalaitteille huomattavaa jäähdytystä yhdessä jäähdytyspuhaltimien kanssa. Tällaiset mallit tarvitsevat myös suuremman virtalähteen tulot kompensoimaan valtavat lämpöhäviöt. Kaikki tällaiset haittapuolet voivat tehdä sellaisista vahvistimista erittäin tehottomia, mikä puolestaan voi aiheuttaa laitteiden asteittaisen heikkenemisen ja lopulta vikoja.

Siksi voi olla suositeltavaa valita luokan B vahvistin, jonka tehokkuus on noin 70%, toisin kuin 40% luokan A vahvistimesta. Sanoi, että luokan A vahvistin voi luvata lineaarisemman vastauksen vahvistuksellaan ja laajemman taajuusvasteen, vaikka tähän liittyy huomattavan tehohävikin hinta.

Edellinen: Puolijohteiden perusteiden oppiminen Seuraava: 2 yksinkertaista kaksisuuntaista moottorin ohjainpiiriä tutkittu