Режимы работы усилителя кратко
Обновлено: 05.07.2024
Существует несколько видов режима работы усилителей. Я не буду особо заморачиваться в тонкостях этих режимов, попробую наиболее понятливее объяснить суть, тем более, что в инете есть множество статьей на данную тему. Режимы работы усилителей характеризуются в основном КПД и нелинейными искажениями выходного сигнала. Режим класса А КПД такого режима не превышает и 30%, но минимальные нелинейные искажения. Режим класса В В этом режиме КПД достигает 70% с большими нелинейными искажениями. Режим класса АВ Имеет несколько меньший КПД и нелинейные искажения по сравнению с режимом В. Режим класса С Данный режим вносит огромные нелинейные искажения, при этом КПД достигает 80%. Режим класса D Ключевой режим усилителя. Для каждого режима существуют графики, показывающие влияние усилительного каскада на входной сигнал. Не буду приводить здесь характеристики для всех режимов, приведу лишь для
режима класса А рис 1. Красная кривая - это проходная характеристика усилителя (транзистора). Положение рабочей точки Р выбирается в середине линейного участка кривой. В последующих режимах работы эта точка будет перемещаться к началу осей координат и даже выйдет за ее пределы. В нашем случаи, важно посмотреть, как происходит усиление входного сигнала, и обращаем внимание на форму выходного. Его форма практически повторяет форму входного, а это и определяет режим класса А - минимальные нелинейные искажения.
Нужно остановиться немного на классе D. При таком режиме усилитель (транзистор ) работает как электронный ключ, т.е. в зависимости от управляющего сигнала транзистор закрыт или открыт, соответственно течет через его ток или нет.
В зависимости от положения рабочей точки А на анодно-сеточной характеристике, а также в зависимости от величины амплитуды переменного входного напряжения (сигнала) относительно напряжения сеточного смещения различают три основных режима работы усилителя: А, В и С.
Усилитель в режиме А (рис. 14-36, а). Рабочая точка А усилителя в этом режиме находится на середине прямолинейной части анодно-сеточной характеристики. Амплитуда входного сигнала не выходит за пределы линейной части характеристики и не заходит в область положительного сеточного напряжения. При работе усилителя в режиме А имеет место значительная постоянная составляющая анодного тока и непрерывное протекание анодного тока. В этом режиме нелинейные искажения малы, к. п. д. усилителя низкий (до ).
Усилитель в режиме В (рис. 14-36, б), в этом режиме рабочая точка А находится в начале анодно-сеточной характеристики, анодный ток проходит только в течение одного полупериода, в течение второго полупериода триод заперт. Произведение угловой частоты со и времени V, в течение которого анодный ток изменяется от амплитудного значения до нуля, называется углом, отсечки 0. В этом режиме угол отсечки . При работе усилителя в режиме В анодный ток при отсутствии внешнего сигнала равен нулю или весьма незначителен.
При работе усилителя в этом режиме получаются большие искажения, а к. п. д. его режим высокий, чем в режиме А, и достигает 60—70%.
Если усилитель работает в режиме В без сеточных токов, то режим называют , а при сеточных токах —
Усилитель в режиме С (рис. 14-36, в). В этом режиме рабочая точка А находится за пределами анодно-сеточной характеристики, т. е. левее ее, следовательно, напряжение смещения превышает напряжение запирания.
Рис. 14-36. Три режима работы усилителя.
Поэтому анодный ток проходит в течение менее полупериода, т. е. угол отсечки 90°. Режим С вносит очень большие искажения. Коэффициент полезного действия его достигает 80% и выше.
Кроме рассмотренных трех основных режимов, применяются промежуточные режима усиления.
В режиме АВ рабочая точка А расположена правее начала анодно-сеточной характеристики. Аналогично ранее сказанному, если усилитель работает без сеточных токов, то он имеет режим АВЬ а при наличии этих токов Коэффициент полезного действия при работе в этом режиме составляет до 50— 60%.
Электронный усилитель — это усилитель, задача которого состоит в том, чтобы увеличить сигнал по мощности, при этом сохраняя форму усиливаемого сигнала. Более подробно это определение можно прочесть в Википедии. В этой статье мы поверхностно пробежимся по основам теории усилителей.
Что такое усилитель?
В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона
слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник
Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка. Для примера: зенитно-ракетный комплекс ТОР:
Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.
Что такое черный ящик в электронике
В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик. Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса, можно предположить, что находится у него внутри.
Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).
Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.
Что такое четырехполюсник
Пассивный четырехполюсник
Например, RC-цепь является пассивным четырехполюсником, так как она имеет четыре вывода: два на вход и два на выход, и как мы видим, она не содержит в себе какой-либо источник питания. Эта RC цепочка является пассивным фильтром низкой частоты (ФНЧ).
В пассивных четырехполюсниках напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе, но мощность при этом не увеличивается. Как же напряжение или ток на выходе могут быть больше, чем на входе? Здесь достаточно вспомнить трансформатор, а также последовательный и параллельный колебательные контура. Для них точнее было бы определение преобразователи напряжения, но никак не усилитель, так как усилитель должен иметь в своем составе обязательно источник питания, у которого он будет брать энергию для усиления слабого входного сигнала.
Также в пассивном четырехполюснике мощность на выходе никак не будет больше мощности, чем на входе. Если вы этого добьетесь, то сразу же получите вечный источник энергии и Нобелевскую премию в придачу. Но помните, что закон сохранения энергии, который впервые был еще сформулирован Лейбницем в 17 веке, никто не отменял.
Активный четырехполюсник
А вот этот четырехполюсник мы будем уже называть активным, так как он имеет в своем составе источник питания +Uпит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.
То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал Uвх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение Uвых . Питается наш четырехполюсник через +Uпит , в результате чего, в данном случае, сигнал на выходе будет больше, чем сигнал на входе.
Загоняя на вход такой схемы синусоиду, на выходе мы получим ту же самую синусоиду, но ее амплитуда будет в разы больше.
Это, конечно же, верно для идеального усилителя, т.е. абсолютно линейного и без ограничения на амплитуду входного и выходного сигнала. В реальных усилителях, требуется чтобы амплитуда не превышала допустимую и усилитель был правильно спроектирован. Кроме того, любой реальный усилитель вносит искажения и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) и еще многими другими параметрами, которые мы рассмотрим в следующей статье.
В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .
Обобщенная схема усилителя
Она выглядит примерно вот так:
Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала с ЭДС EИ и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от входного сопротивления усилительного каскада Rвх .
Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).
В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) Eвых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .
Типы усилителей
Усилители можно разделить на три группы:
Усилитель напряжения
Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:
KU — это коэффициент усиления по напряжению
Uвых — напряжение на выходе усилителя, В
Uвх — напряжение на входе усилителя, В
Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .
В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е. Rвх >>Rи и Rн намного больше, чем Rвых (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых. Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.
Усилитель тока
Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:
где KI — коэффициент усиления по току
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
Смысл работы усилителя тока такой: при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.
Если сила тока должна быть постоянной, а значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.
Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим, у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.
Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.
Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх
Усилитель мощности
Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.
Чем же УМ отличается от УН и УТ?
Если в УТ мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.
Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:
U — напряжение, В
Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:
KP — коэффициент усиления по мощности
Pвых — мощность на выходе усилителя, Вт
Pвх — мощность на входе усилителя, Вт
Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .
Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).
Выходная мощность усилителя
Выходная мощность усилителя, отдаваемая в активную нагрузку, будет выражаться формулой:
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
UВых — напряжение на нагрузке, В
Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:
Pвых — выходная мощность усилителя, Вт
Iвых — сила тока в цепи нагрузки, А
cos φ — где φ — это разность фаз между осциллограммой тока и напряжения
Например, разность фаз между током и напряжением в активной нагрузке равна нулю, следовательно, cos0=1. Поэтому формула для активной нагрузки принимает вид
Более подробно про это можно прочитать в статье про активное и реактивное сопротивление.
Максимальная выходная мощность, при которой искажение сигнала на выходе не превышает качественных значений усилителя, называют номинальной мощностью усилителя.
Ну и обобщенное правило, для того, чтобы было проще запомнить все эти три вида усилителя:
Виды усилителей по полосе пропускания
По ширине полосы пропускания усилители делятся на:
Усилители низкой частоты
Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц — это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.
Усилители высокой частоты
Они предназначены для усиления сигналов во всем диапазоне частот, используемых электроникой.
Широкополосные усилители
Они позволяют усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.
Узкополосные усилители
Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.
Усилители постоянного тока
Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).
Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Описание презентации по отдельным слайдам:
Тема: Классификация, параметры и режимы работы усилителей. ФИО Спикера: Андреёнок Татьяна Николаевна
Устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, называется электронным усилителем. Основной классификацией усилителей является классификация по диапазону усиливаемых частот. 1. Усилители низкой частоты (УНЧ) – диапазон усиливаемых частот от 10Гц до 100кГц. 2. Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон усиливаемых частот от 100кГц до 100МГц. 3. Усилители постоянного тока (УПТ). Они могут усиливать постоянный ток. Диапазон усиливаемых частот от 0Гц до 100кГц. 4. Импульсные усилители (ИУ) – широкополосные импульсные и видеоусилители. Частотный диапазон усиливаемых частот от 1кГц до 100кГц. 5. Избирательные, или резонансные усилители – это усилители, работающие в узком диапазоне частот.
Коэффициент усиления. Если коэффициент усиления недостаточен, применяются многокаскадные усилители. В многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. По назначению усилители классифицируются: 1. Усилители напряжения. 2. Усилители тока. 3. Усилители мощности.
3. Выходная мощность и КПД усилителя. Выходная мощность может быть определена по формуле: Значительно увеличить выходную мощность усилителя нельзя, т. к. при большом выходном напряжении появляются искажения усиливаемого сигнала за счёт нелинейности характеристик усилительных элементов. Поэтому вносится понятие номинальной выходной мощности. Это наибольшая выходная мощность, при которой сигнал не искажается. КПД усилителя можно определить по следующей формуле:
4. Уровень собственных шумов состоит из следующих составляющих: - Тепловые шумы при нагревании сопротивлений, ёмкостей. - Шумы усилительных элементов. - Шум за счёт пульсаций источника питания. 5. Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя). Это полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,7 своей максимальной величины. 6. Искажения усилителя возникают за счёт нелинейности характеристик транзисторов. Искажения происходят за счёт появления в спектре сигнала высших гармонических составляющих, и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициент гармоник).
Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала. Uвых = f (Uвх). 2. Динамический диапазон:
3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при постоянной амплитуде входного сигнала. Uвх = f (F) при Uвх = Const. Часто АЧХ представляют в виде зависимости
4. Зависимость коэффициента усиления от частоты характеризуется коэффициентом частотных искажений. Коэффициент частотных искажений для низких частот определяется соотношением: Коэффициент частотных искажений для высоких частот определяется соотношением:
5. В радиотехнике часто применяют нормированные АЧХ. Нормированная АЧХ представляет собой следующую зависимость: 6. Фазовая характеристика – это зависимость разности фаз между входными и выходными сигналами от частоты. φ = f (F).
1) Понятие о проходной динамической характеристике. Режимы работы усилительных элементов определяются положением рабочей точки на проходной динамической характеристике. Проходной динамической характеристикой называется зависимость выходного тока от входного напряжения. Для транзистора, включённого по схеме с ОЭ, зависимость будет Iк = f (Uбэ). Проходная динамическая характеристика может быть построена по входной и выходной характеристикам транзистора. Iк = f (Uб).
2) Режим работы класса А. В режиме работы класса А рабочая точка устанавливается на линейном участке проходной динамической характеристики. Для этого между базой и эмиттером транзистора при помощи одной из схем питания цепи базы необходимо создать постоянную составляющую напряжения, которая называется величиной напряжения смещения. При отсутствии переменной составляющей усиливаемого сигнала рабочая точка называется рабочей точкой покоя. Рассмотрим рисунок. До момента времени t1 переменная составляющая входного сигнала отсутствует, и под действием величины Eсм в коллекторной цепи транзистора будет протекать постоянная составляющая коллекторного тока, которая называется током покоя. Режим работы класса А характеризуется минимальными нелинейными искажениями, т. к. усилительный элемент работает на линейном участке характеристики. Недостатком режима класса А является низкий КПД. η = (25 – 30 %). Режим класса А применяется, в основном, в предварительных каскадах усиления.
3) Режим работы класса В. В режиме класса В рабочая точка выбирается таким образом, чтобы ток покоя был равен нулю (смотрите рисунок ). Режим работы класса В характеризуется углом отсечки Θ. Углом отсечки называется половина той части периода, за которую в выходной цепи будет протекать ток. Для режима класса В угол отсечки Θ = 90°. Характеризуется режим класса В высоким КПД η = 60 - 70 %. Недостатком режима класса В являются большие нелинейные искажения. Применяется режим класса В в выходных двухтактных усилителях мощности.
4) Режим работы класса АВ. Иногда положение точки покоя в режиме класса АВ выбирается на нижнем изгибе проходной динамической характеристики (смотрите рисунок ). В этом случае будет иметь место ток покоя, но величина его будет значительно меньше, чем в режиме класса А. Угол отсечки Θ в режиме класса АВ будет меньше 90°. Режим класса АВ имеет несколько меньший КПД, чем режим класса В (η = 50 - 60 %) и несколько меньшие нелинейные искажения. Применяется так же, как и режим класса В, в двухтактных усилителях мощности.
5) Режим работы класса С. Это режим, при котором величина Eсм имеет отрицательное значение (смотрите рисунок). Режим класса С характеризуется максимальным КПД η = 80 %, но и наибольшими нелинейными искажениями. Режим С в усилителях применяется в выходных каскадах мощных передатчиков. 6) Режим работы класса D. Режим работы класса D – это ключевой режим работы транзистора.
Читайте также: