Что такое усилитель?

Привет всем, я Роуз. Сегодня я хочу представить вам усилитель. Усилитель — это устройство, которое может усиливать напряжение или мощность входного сигнала и состоит из ламп или транзисторов, силовых трансформаторов и других электрических компонентов. Используется в средствах связи, радиовещания, радиолокации, телевидения, автоматического управления и других устройствах.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Основные принципы схем усилителей

Ⅱ. Основные характеристики усилителей

Ⅲ. Оптоволоконный усилитель

Ⅳ. Операционный усилитель

Ⅴ. Усилитель мощности

Усилитель — это устройство, в котором используются лампы или транзисторы, источник питания, трансформаторы и другие электрические компоненты для увеличения напряжения или мощности входного сигнала. Эффект усиления усилителя достигается за счет регулирования источника энергии с помощью входного сигнала, а источник энергии обеспечивает потребляемую мощность, необходимую для усиления. В системах связи, радиовещания, радиолокации, телевидения, автоматического управления и других системах используются усилители.

Усилитель — это устройство, которое увеличивает амплитуду или силу сигнала и является важной частью обработки сигнала в приложениях технологий автоматизации. Эффект усиления усилителя достигается за счет регулирования источника энергии с помощью входного сигнала, а источник энергии обеспечивает потребляемую мощность, необходимую для усиления. Выходной сигнал линейных усилителей — это копирование и увеличение входного сигнала. Выход нелинейных усилителей является функцией входного сигнала.

Ⅰ. Основные принципы схем усилителей

Термин «усиление» относится к процессу прохождения слабого электрического сигнала через устройство для создания выходного сигнала той же формы, что и слабый сигнал, но значительно большей амплитуды. Схема транзисторного усилителя – вот что представляет собой это устройство.

Эффект усиления схемы усилителя заключается в первую очередь в передаче энергии от источника питания постоянного тока UCC к выходному сигналу.

Транзистор является сердцем схемы усилителя. В результате, если схема усилителя желает усилить небольшой входной сигнал, она должна сначала подтвердить, что транзистор работает в зоне усиления.

Схемы транзисторных усилителей обычно настраиваются одним из трех способов:

Цель, независимо от схемы схемы усиления, состоит в том, чтобы передать входной слабый сигнал через схему усиления, где амплитуда его сигнала будет значительно увеличена при его выходе.

В электронной технике схема усилителя с общим эмиттером является наиболее широко используемым типом схемы усилителя. Общая структура схемы следующая:

Фигура. 1

Ⅱ. Основные характеристики усилителей

1. Выигрыш

Коэффициент усиления усилителя зависит от того, насколько он может увеличить амплитуду сигнала. Этот параметр часто выражается в децибелах (дБ). Усиление определяется как выходная амплитуда, деленная на входную амплитуду в математических терминах.

2. Выходной динамический диапазон

Диапазон между наибольшей и наименее полезной выходной амплитудой известен как выходной динамический диапазон и обычно выражается в децибелах (дБ). Динамический диапазон усилителя определяется как наименьшая практическая амплитуда, которая не ограничивается выходным шумом.

3. Пропускная способность и время нарастания

(1) Разница между низкочастотными и высокочастотными точками половинной мощности обычно используется для описания полосы пропускания усилителя (BW). В результате его обычно называют полосой пропускания -3 дБ. Иногда также определяются полосы пропускания других допусков отклика (-1 дБ, -6 дБ и т. д.). Например, полоса пропускания хорошего аудиоусилителя -3 дБ будет составлять примерно от 20 Гц до 20 000 Гц (диапазон частот нормального человеческого слуха).

(2) Когда на вход поступает пошаговый сигнал, время нарастания усилителя относится к времени, когда выходная клемма изменяется с 10% до 90% конечного значения выходной амплитуды.

4. Идеальные частотные характеристики

Фазовый сдвиг пропорционален частоте, а коэффициент усиления постоянен. То есть для сигналов разных частот усилитель имеет одинаковую степень усиления, а фазовый сдвиг для сигналов любой частоты равен нулю.

5. Время урегулирования и смещение

Время, необходимое для того, чтобы выходная амплитуда стабилизировалась в пределах определенного отношения к конечной амплитуде (например, 0,1 процента).

6. Эффективность

Количество входной энергии, подаваемой на выход усилителя, называется эффективностью. КПД усилителя класса А (Class A) достаточно низкий, на уровне 10-20%, максимум не более 25%. Современные усилители классов A и B (Class AB) имеют КПД от 35 до 55 процентов при теоретическом максимуме 78,5 процента. Заявлено, что эффективность коммерческих усилителей класса D (Класс D) достигает 97 процентов. Полезная доля общей рассеиваемой мощности ограничена эффективностью усилителя. Стоит отметить, что более эффективные усилители теряют меньше тепла и в большинстве случаев не требуют вентиляторов в системах мощностью несколько ватт.

7. Скорость нарастания

Скорость нарастания — это скорость изменения переменной выходного напряжения, часто определяемая как вольт в секунду (или микросекунды).

8. Коэффициент шума

— это показатель того, сколько шума вносит процесс усиления. В электрических устройствах и компонентах шум неприятен, но неизбежен. При нулевом входном сигнале шум измеряется в децибелах или пиковом выходном напряжении на выходе усилителя. Это также можно определить по разнице между соотношением сигнал/шум входного и выходного сигнала. Коэффициент шума усилителя — это количество дБ , на которое ухудшилось соотношение сигнал/шум выходного сигнала.

9. Линейность

Идеальный линейный усилитель должен существовать, однако настоящие усилители являются линейными только в определенных практических пределах, и в противном случае случаются искажения. Когда сигнал управляющего усилителя возрастает, выходной сигнал растет вместе с ним, пока не достигнет определенного значения напряжения, в результате чего часть усилителя переходит в насыщение и больше не может увеличивать выходной сигнал, что известно как «отсечное искажение» (обрезание -выключение искажений, клиппирование искажений). Еще есть «искажение насыщенности» (подрезание искажений). Характеристики транзистора и выбор статической рабочей точки напрямую связаны с источником искажений.

Ⅲ. Оптоволоконный усилитель

Успешная разработка и производство оптических усилителей является важной вехой в технологии оптоволоконной связи, открывающей путь для оптического мультиплексирования, оптической дуговой связи и полностью оптических сетей. Целью оптического усилителя является усиление оптического сигнала, как следует из названия.

Усиливающая среда, свет накачки, а также структуры входной и выходной связи являются общими компонентами волоконных усилителей. Волоконные усилители можно разделить на три категории: волоконные усилители, легированные эрбием, полупроводниковые оптические усилители и волоконные рамановские усилители. Волоконные усилители имеют три различных применения в оптоволоконных сетях, в зависимости от их применения: они используются в качестве усилителей мощности на стороне передатчика для улучшения качества излучения; они используются в качестве усилителей мощности на стороне приемника для улучшения качества излучения, а также в качестве усилителей мощности на стороне приемника для улучшения качества излучения. Он используется в качестве оптического предварительного усилителя перед приемником, чтобы значительно улучшить чувствительность оптического приемника; и в качестве усилителя-ретранслятора в оптоволоконной линии передачи для компенсации потерь при передаче по оптическому волокну и увеличения дальности передачи.

Оптические усилители обладают полностью оптическими характеристиками усиления в реальном времени, с высоким коэффициентом усиления, широкополосным, малошумящим и малыми потерями и являются важнейшими фундаментальными компонентами нового поколения волоконно-оптических систем связи.

Принцип и классификация оптоволоконных усилителей

Принцип ЭДФА

Для работы откачки EDFA необходима трехуровневая система . Большинство ионов Er3+ в основном состоянии можно перекачать в возбужденное состояние, а ионы Er3+ в возбужденном состоянии можно быстро удалить, инжектируя достаточно сильный свет накачки в волокно, легированное эрбием. Метастабильного состояния можно достичь путем радиационной передачи энергии. Легко создать инверсию населенностей между метастабильным и основным состояниями из-за большого времени жизни ионов Er3+ на метастабильном энергетическом уровне. Когда сигнальный фотон проходит через волокно, легированное эрбием, он взаимодействует с ионами Er3+ в метастабильном состоянии, вызывая эффект стимулированного излучения, генерирующий огромное количество идентичных себе фотонов. В этот момент количество сигнальных фотонов, переносимых по волокну, легированному эрбием, быстро увеличивается, что приводит к усилению сигнала. Когда ионы Er3+ находятся в метастабильном состоянии, в дополнение к вынужденному излучению и вынужденному поглощению возникает спонтанное излучение (ASE), что приводит к шуму EDFA .

Высокий коэффициент усиления, низкий уровень шума, широкая полоса частот, высокая выходная мощность, низкие потери соединения и нечувствительность к поляризации — все это преимущества волоконного усилителя, легированного эрбием ( EDFA). В ситуации искажений достигается стабильное усиление мощности.

Структура ЭДФА

Волокно, легированное эрбием (EDF), источник света накачки, соединитель и изолятор являются важными компонентами конструкции EDFA.

Основным компонентом EDFA является волокно, легированное эрбием. Матрица изготовлена из кварцевого волокна, а сердцевина легирована ионами эрбия, которые являются твердым рабочим компонентом лазера. Задача оптического изолятора заключается в предотвращении преломления света обратно в усилитель, поэтому он должен иметь низкие вносимые потери, независимо от поляризации, и изоляцию более 40 дБ.

Характеристики и показатели эффективности EDFA

Характеристика усиления представляет возможности усиления усилителя, которые определяются как отношение выходной мощности к входной мощности. Pout и Pin — мощность непрерывного сигнала на выходе и входе усилителя соответственно. Коэффициент усиления обозначает величину усиления, полученную при прохождении 1 мВт мощности света накачки через оптоволоконный усилитель. Мощность накачки определяет g0, который представляет собой коэффициент усиления слабого сигнала. Коэффициент усиления уменьшается по мере увеличения мощности сигнала из-за явления насыщения усиления; Is и Ps представляют собой интенсивность насыщенного света и мощность насыщенного света соответственно, которые являются величинами, указывающими свойства усиливающего материала, и они связаны с коэффициентом легирования, временем флуоресценции и сечением перехода.

Разница между усилением и коэффициентом усиления заключается в том, что усиление в первую очередь связано с входным сигналом, тогда как коэффициент усиления в основном связан с входным светом накачки. Кроме того, на коэффициент усиления влияют условия накачки (например, мощность накачки и длина волны накачки), причем наиболее распространенные длины волн накачки составляют 980 нм и 1480 нм. Поскольку коэффициенты усиления везде различаются и усиление должно быть интегрировано по всему волокну, эту характеристику можно использовать для выбора длины волокна, чтобы создать несколько плоский спектр усиления.

Пропускная способность EDFA

Полоса спектра усиления относится к диапазону длин волн, в котором сигнальный свет может быть усилен до определенной степени. Реальная связь изменения усиления и частоты EDFA гораздо сложнее, чем теоретическая, и на нее дополнительно влияет легирование матричного волокна. EDFA имеет ширину спектра усиления в сотни нанометров и достаточно плоский спектр усиления. ЭД-ФА имеет спектр усиления от 1525 до 1565 нм.

Каскадная структура EDFA

Усиление мощности оптического сигнала с помощью EDFA часто использует каскадный механизм, такой как двухступенчатое или трехступенчатое усиление, особенно в мощных (ваттных) приложениях беспроводной оптической связи. Поскольку оптический изолятор эффективно подавляет второй сегмент, используется каскадный подход: оптический изолятор вводится в легированное эрбием волокно (EDF) EDFA для построения двухкаскадного каскада EDFA с оптическим изолятором. Обратное спонтанное излучение (ASE) EDF предотвращает его попадание в первый EDF, снижая энергопотребление накачки на обратном ASE и позволяя более эффективно преобразовывать фотоны накачки в энергию сигнального света, что приводит к улучшению усиления EDFA, коэффициента шума и характеристики выходной мощности. В этом исследовании оптический сигнал 1550 нм мощностью 1–2 мВт усиливается примерно до 1 Вт с помощью EDFA с использованием каскадного MW-усиления.

Лазер ЛД генерирует оптический сигнал, который является модулированным сигналом. На начальном этапе усиления используется однослойный волоконный усилитель, легированный эрбием, а в качестве источника накачки используется одномодовый полупроводниковый лазер с длиной волны 980 нм для повышения оптической мощности примерно до 50 мВт. Оптический сигнал стабильно и последовательно усиливается до определенной мощности на первом этапе, что обеспечивает целостность всего оптического сигнала, а также обеспечивает большую базу оптической мощности для следующего уровня оптического усиления. Многомодовый полупроводниковый лазерный источник накачки увеличивает оптическую мощность примерно до 1 Вт на втором этапе, в котором используется волоконный усилитель с двойной оболочкой. Сердечник волоконного усилителя с двойной оболочкой больше, чем сердечник оптоволоконного усилителя с одинарной оболочкой, что позволяет успешно передавать мощность накачки в сердечник, позволяя выходной мощности оптического сигнала второй ступени достигать уровня ватт.

Волоконный усилитель, легированный эрбием

Активной средой в волоконных усилителях, легированных эрбием, является волокно, легированное эрбием. Когда свет накачки приложен к EDF, основное состояние Er3+ может быть перекачено в возбужденное состояние, а возбужденное состояние Er3+ может быть быстро и безызлучательно разряжено. Переход в метастабильное состояние: поскольку период пребывания Er3average + в метастабильном состоянии составляет 10 мс, легко создать инверсию населенности между метастабильным и основным состояниями. Эффект лазерного излучения генерирует огромное количество идентичных себе фотонов, заставляя сигнальные фотоны быстро расти, позволяя получать на выходе постоянно усиленный оптический сигнал.

Волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA), разрабатывался и применялся в волоконно-оптических системах связи в полосе частот 1,55 мм с конца 1980-х и начала 1990-х годов, способствуя развитию оптоволоконной связи в направлении полностью оптической передачи. EDFA C-диапазона является наиболее зрелым; широко используемый EDFA C-диапазона работает в окне с наименьшими потерями в волокне 1530–1565 нм и обладает преимуществами большой выходной мощности, высокого коэффициента усиления, независимости от поляризации, низкого коэффициента шума, характеристик усиления, независимых от скорости передачи данных системы и формата данных, и Ряд характеристик, таких как одновременное усиление сигналов нескольких длин волн, широко используются в системах оптической связи на большие расстояния. Обратной стороной является то, что полоса усиления C-диапазона EDFA составляет всего 35 нм, что покрывает только часть окна с низкими потерями кремниевого одномодового волокна, ограничивая количество каналов длины волны, которые волокно может принимать внутренне.

Однако с быстрым развитием интернет-технологий пропускная способность оптоволоконных сетей передачи данных должна регулярно увеличиваться. Когда дело доходит до увеличения пропускной способности, есть три основных варианта:

увеличить скорость передачи на длину волны;

уменьшить расстояние между длинами волн;

Увеличьте общую пропускную способность передачи.

Полупроводниковый оптический усилитель

Полупроводниковый оптический усилитель (SOA) — это тип усилителя бегущей волны, созданный с использованием метода связи, подобного лазеру. Лазерный диод может обеспечить оптическое усиление входного когерентного света, когда ток смещения меньше порога генерации. Поскольку полупроводниковые усилители имеют небольшой размер, относительно простую структуру, низкое энергопотребление, длительный срок службы, легко интегрируются с другими оптическими устройствами и схемами, подходят для массового производства, имеют низкую стоимость и могут, среди прочего, выполнять функции усиления и переключения. вещи, они используются в полностью оптическом преобразовании длины волны. Успешное создание полупроводниковых оптических усилителей, состоящих из напряженных материалов с квантовыми ямами, которое привлекло значительный исследовательский интерес к SOA, вызвало широкий интерес к обмену, спектральной инверсии, выделению тактовых импульсов и демультиплексированию.

Внутри страны Уханьский институт почты и Хуачжунский университет науки и технологий успешно разработали ключевое устройство оптической сети — полупроводниковый оптический усилитель — и быстро реализовали производство, став первой компанией после Alcatel, способной поставлять на международный рынок партиями . для оптических переключателей. Это поставщик полупроводниковых оптических усилителей, что является важным шагом в коммерциализации устройств с квантовыми ямами в моей стране. Однако полупроводниковые оптические усилители имеют такие недостатки, как высокий уровень шума, низкая мощность, чувствительность к перекрестным помехам и поляризации, значительные потери при подключении к оптическим волокнам и плохая эксплуатационная стабильность по сравнению с волоконными усилителями, легированными эрбием. В усилителе все еще есть существенный зазор. Поскольку полупроводниковый оптический усилитель покрывает диапазон 1300–1600 нм, его можно использовать в качестве оптического усилителя как для окон 1300 нм, так и для окон 1550 нм, и нет необходимости в фиксации усиления в многоволновой волоконно-оптической системе связи DWDM, поэтому его можно использовать используется не только для этого. Оптические усилители являются хорошим решением и могут помочь во внедрении оконных систем DWDM 1310 нм .

Волоконный рамановский усилитель

Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) — это нелинейное явление в оптических волокнах, которое передает небольшую часть падающей оптической мощности стоксовской волне с более низкой частотой. Когда длина волны слабого сигнала расположена внутри полосы комбинационного усиления света накачки, свет слабого сигнала может быть усилен. Волоконный комбинационный усилитель — это оптический усилитель, в котором используется принцип вынужденного комбинационного рассеяния света (FRA).

В последние годы оптоволоконные рамановские усилители вызвали большой интерес и стали горячей темой исследований и разработок. Они имеют ряд преимуществ:

В качестве среды усиления используется обычное передающее волокно с хорошей совместимостью с волоконно-оптическими системами.

(2) Длина волны усиления определяется длиной волны света накачки и не зависит от других параметров. Теоретически любую длину волны сигнального света можно усилить, если длина волны источника накачки соответствует.

(3) Хорошая температурная стабильность, высокий коэффициент усиления, низкий уровень перекрестных помех, низкий коэффициент шума, широкий спектральный диапазон и низкий коэффициент шума.

Поскольку волоконный рамановский усилитель имеет множество преимуществ, он может усиливать диапазоны длин волн, которые не может сделать волоконный усилитель, легированный эрбием, и он может выполнять оптическое усиление в спектральном диапазоне 1292–1660 нм с гораздо более широкой полосой усиления, чем EDFA; Полоса усиления также намного шире, чем у EDFA. Средой является обычное оптическое волокно, а FRA может быть дискретным или рассредоточенным. Распределенные оптоволоконные рамановские усилители могут улучшить световой сигнал в режиме онлайн и увеличить дальность передачи оптического усиления. Он особенно хорошо подходит для высокоскоростных оптических сетей со скоростью 40 Гбит/с. Поскольку усиление распределяется по оптическому волокну, а не концентрируется в подводных оптических кабельных системах связи, оптическая мощность входного оптического волокна существенно снижается, а нелинейный эффект, особенно эффект четырехволнового смешения, значительно снижается. Это действительно применимо. FRA является дополнением, а не заменой EDFA. Преимущество использования распределенных оптоволоконных рамановских усилителей заключается в том, что их комбинация может создать широкополосную полосу с плоским коэффициентом усиления более 100 нм.

С другой стороны, оптоволоконные рамановские усилители имеют тот недостаток, что требуют использования лазеров накачки сверхвысокой мощности. Ниже приведены основные методы решения этой проблемы: Для начала исследователи ищут лазеры накачки с более низкой пороговой мощностью, чтобы мощные полупроводниковые лазеры можно было использовать в качестве рамановских накачек. Во-вторых, совершенствование исследований и разработок лазеров накачки для достижения более высокой выходной мощности; третий — мультиплексировать длины волн многочисленных лазеров-источников накачки с использованием комбинации массива и одного кристалла для достижения высокой выходной мощности. Этот подход может изменить наклон усиления, регулируя мощность отдельных лазеров, а также обеспечивая широкополосный спектр усиления.

Ⅳ. Операционный усилитель

Операционный усилитель представляет собой обычную интегральную схему , которая объединяет несколько транзисторов, резисторов, конденсаторов и других компонентов в крошечный чип для выполнения усиления в заранее определенной конфигурации схемы. Поскольку операционный усилитель представляет собой интегральную схему, он обладает всеми преимуществами интегральной схемы, включая превосходную точность усиления, огромный коэффициент усиления, низкий уровень шума и простоту конструкции. Разработчики используют большое количество операционных усилителей для замены традиционных триодов в некоторых случаях с более высокими требованиями к усиливающим компонентам.

Операционные усилители имеют широкий спектр применения. Помимо стандартного усиления, он может выполнять «операционные» задачи, такие как сложение, вычитание, умножение и деление сигналов.

Как работают операционные усилители

Операционный усилитель имеет две входные клеммы и одну выходную клемму, как показано на рисунке (входная клемма, отмеченная знаком «+», является «неинвертирующей входной клеммой», которую нельзя называть положительной клеммой), а другой, отмеченный знаком «один», является «неинвертирующей выходной клеммой», которую нельзя называть положительной клеммой). Входная клемма является «инвертирующей входной клеммой», что означает, что ее нельзя называть отрицательной клеммой. Если один и тот же сигнал повторно подается с двух входных клемм, выходная клемма будет генерировать выходной сигнал с тем же напряжением, но противоположной полярностью: сигнал на неинвертирующей входной клемме находится в фазе с сигналом на инвертирующей входной клемме; однако сигнал на инвертирующей входной клемме не соответствует фазе.

Источник питания, подключенный к операционному усилителю, может быть одиночным или двойным источником питания, как показано на рисунке 1-2. Операционные усилители обладают некоторыми очень интересными свойствами, которые можно гибко использовать для множества уникальных целей. В целом эти свойства можно объединить в два:

1. Увеличение операционного усилителя бесконечно.

2. Входное сопротивление операционного усилителя бесконечно, а выходное сопротивление равно нулю.

Начнем с того, что увеличение операционного усилителя не ограничено, а это означает, что пока входное напряжение на его входе не равно нулю, выходное напряжение будет таким же высоким, как положительное или отрицательное напряжение источника питания. Оно должно было быть бесконечно высоким. Ограничения на напряжение питания. Точнее, если входное напряжение на неинвертирующей входной клемме больше, чем входное напряжение на инвертирующей входной клемме, даже если оно лишь немного выше, выходная клемма операционного усилителя будет выдавать то же напряжение. как положительное напряжение питания; Входное напряжение на фазной входной клемме больше, чем входное напряжение на неинвертирующей входной клемме, а выходная клемма операционного усилителя будет выдавать значение, равное отрицательному напряжению питания (если операционный усилитель использует один источник питания, выходной терминал напряжение равно нулю).

Во-вторых, поскольку увеличение бесконечно, операционный усилитель нельзя использовать непосредственно в качестве усилителя; вместо этого выходной сигнал должен быть возвращен обратно на инвертирующий вход (известный как отрицательная обратная связь), чтобы минимизировать увеличение. Функция R1 — вернуть выходной сигнал на инвертирующий вход операционного усилителя, как показано на левом рисунке на рисунке 1-3. Коэффициент усиления схемы будет уменьшен, поскольку напряжение на инвертирующей входной клемме и выходе противоположно. Это цепь отрицательной обратной связи, а резистор Rf также известен как резистор отрицательной обратной связи.

Более того, поскольку вход операционного усилителя бесконечен, на вход операционного усилителя поступает только напряжение, а не ток. Аналогично, если мы представим себе бесконечный резистор между неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя, напряжение, приложенное к этому резистору, не может создать ток, и, следовательно, ток отсутствует. Согласно закону Ома, напряжения на двух концах резистора не будет, поэтому можно считать, что напряжение на двух входных клеммах операционного усилителя одинаковое (напряжение в этой ситуации аналогично замыканию двух входных клемм проводом , поэтому мы снова называем это явление). «Void Short» — рассказ о пустоте.

Классификация операционных усилителей

Операционные усилители можно разделить на следующие группы в зависимости от их характеристик:

Низкая цена, большое количество и широкий ассортимент продукции — ключевые качества этого универсального операционного усилителя, а его рабочие показатели идеальны для общего использования.

Операционный усилитель с низким температурным дрейфом. Всегда предполагается, что напряжение смещения операционного усилителя в приборах автоматического управления, таких как прецизионные приборы и средства обнаружения слабых сигналов, должно быть умеренным и не колебаться в зависимости от температуры.

Входное сопротивление дифференциального режима довольно велико, тогда как входной ток смещения очень мал в операционном усилителе с высоким импедансом. Rid обычно > 1G1T, а IB составляет от нескольких до десятков пикоампер.

Основными характеристиками быстродействующего операционного усилителя являются высокая скорость нарастания напряжения и широкий частотный диапазон.

С увеличением диапазона применения портативных инструментов становится жизненно важным использовать низковольтные источники питания и операционные усилители с низким энергопотреблением, поскольку основным преимуществом интеграции электронных схем является то, что она позволяет сделать сложные схемы небольшими и легкими.

Операционный усилитель с высоким напряжением и высокой мощностью: Выходное напряжение операционного усилителя в первую очередь ограничивается источником питания.

Проблема дальности будет включена в использование приборов с операционным усилителем с программируемым управлением. Увеличение операционного усилителя необходимо изменить, чтобы обеспечить фиксированное выходное напряжение.

Ⅴ. Усилитель мощности

Во многих случаях номинальная выходная мощность хоста недостаточна для управления всей аудиосистемой, что требует использования усилителя мощности. В это время между хостом и устройством воспроизведения должен быть установлен усилитель мощности, чтобы заполнить необходимый разрыв в мощности, а усилители мощности играют решающую роль в «организации и координации» всей звуковой системы и в некоторой степени определяют, будет ли вся Система может воспроизводить звук хорошего качества.

Основы усилителя мощности

Используя функцию управления током триода или функцию управления напряжением полевого транзистора, мощность источника питания преобразуется в ток, который изменяется в зависимости от входного сигнала. Поскольку звук состоит из волн различной амплитуды и частоты или переменного тока сигнала, ток коллектора триода всегда превышает базовый ток и представляет собой коэффициент усиления переменного тока триода. Если в базу подается небольшой сигнал, ток, протекающий через коллектор, будет в несколько раз превышать ток базы, и сигнал будет изолирован с помощью блокирующего конденсатора постоянного тока, что даст большой сигнал с током (или напряжением), который в несколько раз превышает ток базы. оригинал. Это явление становится усилением триода. эффект. После непрерывного усиления тока усиление мощности завершается.

Классификация усилителей мощности

Форма выходной цепи каскада усилителя мощности определяет деление схемы усилителя мощности. Ниже приведены наиболее распространенные усилители мощности звука:

1. Подключение к трансформатору. В ламповых усилителях в основном используются схемы усилителей класса А.

2. В некоторых ламповых усилителях с высокой выходной мощностью используется двухтактная схема усилителя мощности с трансформаторной связью.

3. Схема усилителя мощности OTL в основном используется в усилителях с малой выходной мощностью.

4. Схема усилителя мощности OCL — это широко используемая схема усилителя, которая часто используется в усилителях мощности с высокими требованиями к выходной мощности.

5. Схема усилителя мощности BTL чаще всего используется в ситуациях, когда требуется большая выходная мощность.

Среди них схемы усилителей мощности OTL, OCL и BTL в основном используются в транзисторных усилителях.

Типы усилителей мощности

Выход схемы усилителя мощности определяет деление схемы. В схеме усилителя имеется три типа усилителей, в зависимости от рабочего состояния сигнала триода при усилении сигнала и тока покоя триода: схема усилителя класса A, схема усилителя класса B и схема усилителя классов A и B. .

Помимо трех упомянутых выше, существует множество дополнительных схем усилителей, например суперкласса А. В аудиосистеме используются только схемы усилителей класса A и схемы усилителей классов A и B, поскольку нелинейные искажения сигнала не допускаются.

Усилитель класса А

В усилителе класса А используется триод для одновременного усиления как положительного, так и отрицательного полупериода сигнала путем подачи надлежащего статического тока смещения на лампу усилителя. Амплитуда сигнала в выходном каскаде усилителя мощности уже в схеме усилителя мощности очень велика. Эта схема известна как усилитель класса А, поскольку положительный и отрицательный полупериоды сигнала по-прежнему усиливаются триодом.

Статический рабочий ток трубки усилителя мощности усилителя класса А установлен относительно большим в схеме усилителя выходного каскада усилителя мощности, и его следует установить в середине области усиления, чтобы сигнал имел положительные и отрицательные полупериоды. имеют одинаковый линейный диапазон, и положительный полупериод сигнала входит в насыщение транзистора, когда амплитуда сигнала слишком велика (за пределами линейной области лампы усилителя). Степень ограничения положительного и отрицательного полупериода сигнала в этот момент одинакова.

Основные характеристики схемы усилителя класса А следующие:

1. Качество звука усилителя мощности класса А является лучшим в аудиосистеме. Нелинейные искажения сигнала очень низкие, поскольку положительный и отрицательный полупериоды сигнала усиливаются триодом, что является основным преимуществом усилителя мощности класса А.

2. Положительный и отрицательный полупериоды сигнала усиливаются одним и тем же триодом, что ограничивает выходную мощность усилителя; в общем, выходную мощность усилителя класса А нельзя сделать очень большой.

При отсутствии входного сигнала статический рабочий ток силового транзистора относительно высок, а потребление источника питания постоянного тока сравнительно велико.

Усилитель класса B

Статический ток смещения не подается на триод в усилителе класса B, и два симметричных триода используются для усиления положительного и отрицательного полупериода сигнала соответственно до того, как на нагрузке усилителя сгенерируются положительный и отрицательный полупериоды. Сигнал, который является полностью периодическим.

Поскольку этот тип усилителя не подает статический ток на выходную лампу усилителя мощности, он создает перекрестные искажения, которые представляют собой тип нелинейных искажений, которые серьезно ухудшают качество звука. В результате схемы усилителей звука не могут использовать схемы усилителей класса B.

Усилители класса A и B

Чтобы избежать перекрестных искажений, входной сигнал должен избегать области отсечки триода, и к транзистору может быть подведен небольшой статический ток смещения, позволяющий входному сигналу «ездить» на небольшом статическом токе смещения, избегая перекрестных искажений. Область среза триода устанавливается так, чтобы выходной сигнал не искажался.

Ниже приведены основные свойства схем усилителей классов A и B:

В этом усилителе используются два триода для увеличения положительного и отрицательного полупериода входного сигнала, аналогично схеме усилителя класса B, но к двум триодам добавляется небольшой статический ток смещения, в результате чего триод входит в область усиления.

(б) Поскольку статический постоянный ток смещения, подаваемый на триод, довольно скромен, потребление источника питания постоянного тока усилителя сравнительно низкое (намного ниже, чем у усилителя класса А) при отсутствии входного сигнала. Он обладает преимуществами экономии энергии, а также отсутствия искажений сигнала, поскольку дополнительный ток смещения преодолевает область отсечки триода. Его преимуществом также является отсутствие нелинейных искажений усилителя класса А. В результате усилители A и B сочетают в себе преимущества усилителей классов A и B, а также устраняют их недостатки. Усилители классов A и B широко используются в схемах усилителей мощности звука, поскольку они не имеют перекрестных искажений и обладают преимуществами высокой выходной мощности и низкого энергопотребления.

Когда статический постоянный ток смещения триода слишком мал или отсутствует в этой схеме усилителя, он становится усилителем класса B, что приводит к перекрестным искажениям.

двухтактный усилитель

В схемах усилителей мощности используется большое количество двухтактных схем усилителей. В этой схеме для создания схемы усилителя первого каскада используются два триода. Используйте другой триод для усиления отрицательного полупериода сигнала, а сигналы полупериода, подаваемые двумя триодами, объединяются на нагрузке усилителя для получения выходного сигнала полного цикла.

Когда один триод находится во включенном и усиливающем состоянии в схеме двухтактного усилителя, второй триод находится в выключенном состоянии. Первоначально включенный и усиленный триод достигает состояния отсечки, когда входной сигнал переходит в другой полупериод, в то время как исходный отсечной транзистор закрывается. Триод переключается с проводимости на усиление, и два триода поочередно проводят изменения усиления и среза, в результате чего получается двухтактный усилитель.

Дополнительный двухтактный усилитель

Используйте два транзистора с разной полярностью, с отдельными входными полярностями разной полярности и используйте один сигнал для возбуждения двух разных полярностей, устраняя необходимость в двух возбуждениях одинаковой величины и фазы. Сигнал.

«Комплиментарная» схема — это схема, которая использует взаимодополняющие свойства NPN- и PNP-транзисторов для одновременной активации двух транзисторов сигналом, а комплементарная схема усилителя — это схема, состоящая из дополнительных схем. Поскольку один триод включается и усиливается, в то время как другой триод выключен и работает в двухтактном режиме, когда лампы VT1 и VT2 работают, усилитель называется дополнительным двухтактным усилителем.

Frequently Asked Questions

1. Что такое усилитель?

Усилитель — это устройство, которое может усиливать напряжение или мощность входного сигнала и состоит из ламп или транзисторов, силовых трансформаторов и других электрических компонентов. Используется в средствах связи, радиовещания, радиолокации, телевидения, автоматического управления и других устройствах.

2. Чем отличается усилитель от репитера?

Во-первых, разные функции. Усилитель просто усиливает сигнал и подавляет шум и помехи. Ретранслятор играет роль пересылки сигнала, что эквивалентно роли микрофона. Он предназначен не только для пересылки данных, но и для расширенных ретрансляций сеансов и служб приложений. Во-вторых, принцип другой. Усилитель на самом деле представляет собой аналоговый преобразователь Фурье. На выходе усилителя подается напряжение постоянного тока, пропорциональное амплитуде сигнала определенной частоты (параметр входной частоты) во входном сигнале. Другие частотные составляющие входного сигнала не будут вносить никакого вклада в выходное напряжение. Целью конструкции ретранслятора является продвижение сетевого сигнала для увеличения дальности передачи. Цифровые или аналоговые сигналы, несущие информацию, могут распространяться только на ограниченное расстояние из-за воздействия шума в линии передачи.

3. В чем разница между усилителем звука и обычным усилителем?

Усиление звука предъявляет высокие требования к рабочей частоте усилителя, поскольку диапазон человеческого слуха составляет 20-20000 Гц, поэтому усилитель требует, чтобы коэффициент усиления оставался стабильным в этом диапазоне, чтобы можно было услышать неискаженный звук. Если требуется лучше повлиять на бас, то усиление низкой частоты должно быть больше. Подводя итог, можно сказать, что для усиления звука обычно используется специальный усилитель звука, иначе эффект не будет хорошим.