Elektroniske forsterkere innen industriell elektronikk

Dette er enheter designet for å forsterke spenningen, strømmen og kraften til et elektrisk signal.

Den enkleste forsterkeren er en transistorkrets. Bruken av forsterkere skyldes det faktum at elektriske signaler (spenninger og strømmer) som kommer inn i elektroniske enheter vanligvis har liten amplitude, og det er nødvendig å øke dem til nødvendig verdi tilstrekkelig for videre bruk (konvertering, overføring, strømforsyning til lasten ).

Figur 1 viser enhetene som kreves for å betjene forsterkeren.

Figur 1 — Forsterkermiljø

Strømmen som frigjøres når forsterkeren er lastet er den konverterte kraften til strømforsyningen og inngangssignalet driver den bare. Forsterkerne drives av likestrømskilder.

Vanligvis består forsterkeren av flere forsterkningstrinn (fig. 2). De første stadiene av forsterkning, designet hovedsakelig for å forsterke signalspenningen, kalles forforsterkere. Kretsene deres bestemmes av typen inngangssignalkilde.

Scenen som tjener til å forsterke kraften til signalet kalles terminalen eller utgangen.Ordningen deres bestemmes av typen last. Forsterkeren kan også inkludere mellomtrinn designet for å oppnå den nødvendige forsterkning og (eller) for å danne de nødvendige karakteristikkene til det forsterkede signalet.

Figur 2 — Forsterkerstruktur

Forsterkerklassifisering:

1) avhengig av den forsterkede parameteren, spenning, strøm, effektforsterkere

2) av arten av de forsterkede signalene:

• forsterkere av harmoniske (kontinuerlige) signaler;

• pulssignalforsterkere (digitale forsterkere).

3) i området for forsterkede frekvenser:

• DC forsterkere;

• AC forsterkere

• lav frekvens, høy, ultra høy etc.

4) etter arten av frekvensresponsen:

• resonans (forsterke signaler i et smalt frekvensbånd);

• båndpass (forsterker et visst frekvensbånd);

• bredbånd (forsterker hele frekvensområdet).

5) etter type forsterkende elementer:

• elektriske vakuum lamper;

• på halvlederenheter;

• på integrerte kretser.

Når du velger en forsterker, gå ut av forsterkerparametrene:

• utgangseffekt målt i watt. Utgangseffekten varierer mye avhengig av formålet med forsterkeren, for eksempel i lydforsterkere — fra milliwatt i hodetelefoner til titalls og hundrevis av watt i lydsystemer.

• Frekvensområde, målt i hertz. For eksempel skal den samme lydforsterkeren vanligvis gi forsterkning i frekvensområdet 20–20 000 Hz, og en TV-signalforsterker (bilde + lyd) – 20 Hz – 10 MHz og høyere.

• Ikke-lineær forvrengning, målt i prosent%. Det karakteriserer formforvrengningen til det forsterkede signalet. Generelt, jo lavere en gitt parameter, jo bedre.

• Effektivitet (effektivitetsforhold) måles i prosent%.Viser hvor mye strøm fra strømforsyningen som brukes for å spre strøm inn i lasten. Faktum er at en del av kraften til kilden er bortkastet, i større grad er dette varmetap - strømmen av strøm forårsaker alltid oppvarming av materialet. Denne parameteren er spesielt viktig for selvdrevne enheter (fra akkumulatorer og batterier).

Figur 3 viser en typisk bipolar transistor-forforsterkerkrets. Inngangssignalet kommer fra en spenningskilde Uin.Blokkeringskondensatorene Cp1 og Cp2 passerer variabelen dvs. forsterket signal og ikke passerer likestrøm, noe som gjør det mulig å lage uavhengige driftsmoduser for likestrøm i seriekoblede forsterkertrinn.

Figur 3 — Diagram over forsterkertrinnet til en bipolar transistor

Motstander Rb1 og Rb2 er hoveddeleren som gir startstrømmen til basen av transistoren Ib0, motstanden Rk gir startstrømmen til kollektoren Ik0. Disse strømmene kalles laminære strømmer. I fravær av et inngangssignal er de konstante. Figur 4 viser tidsdiagrammene til forsterkeren. Et tidsplott er en endring i en parameter over tid.

Resistor Re gir negativ strømtilbakemelding (NF). Tilbakemelding (OC) er overføringen av en del av utgangssignalet til inngangskretsen til forsterkeren. Hvis inngangssignalet og tilbakemeldingssignalet er motsatt i fase, sies tilbakemeldingen å være negativ. OOS reduserer forsterkning, men reduserer samtidig harmonisk forvrengning og øker forsterkerstabiliteten. Den brukes i nesten alle forsterkere.

Motstand Rf og kondensator Cf er filterelementer.Kondensatoren Cf danner en lav motstandskrets for den variable komponenten av strømmen som forbrukes av forsterkeren fra kilden Up. Filtreringselementer er nødvendige hvis flere forsterkerkilder mates fra kilden.

Når et inngangssignal Uin tilføres, vises strømmen Ib ~ i inngangskretsen, og i utgangen Ik ~. Spenningsfallet som skapes av strømmen Ik ~ gjennom lasten Rn vil være det forsterkede utgangssignalet.

Fra de midlertidige diagrammene over spenninger og strømmer (fig. 3) kan man se at de variable komponentene til spenningene ved inngangen Ub ~ og utgangen Uc ~ = Uout av kaskaden er motfase, dvs. forsterkningstrinnet til OE-transistoren endrer (inverterer) fasen til inngangssignalet i motsatt retning.

Figur 4 — Tidsdiagrammer av strømmer og spenninger i forsterkertrinnet til en bipolar transistor

En operasjonsforsterker (OU) er en DC/AC-forsterker med høy forsterkning og dyp negativ tilbakemelding.

Den tillater implementering av et stort antall elektroniske enheter, men kalles tradisjonelt en forsterker.

Vi kan si at operasjonsforsterkere er ryggraden i all analog elektronikk. Den brede bruken av operasjonsforsterkere er assosiert med deres fleksibilitet (evnen til å bygge forskjellige elektroniske enheter på deres basis, både analoge og pulsede), et bredt frekvensområde (forsterkning av DC- og AC-signaler), uavhengighet av hovedparametrene fra ekstern destabilisering faktorer (temperaturendring, forsyningsspenning, etc.). Integrerte forsterkere (IOUs) brukes hovedsakelig.

Tilstedeværelsen av ordet "operativ" i navnet forklares av muligheten for at disse forsterkerne kan utføre en rekke matematiske operasjoner - addisjon, subtraksjon, differensiering, integrasjon, etc.

Figur 5 viser UGO IEE.Forsterkeren har to innganger - forover og bakover og en utgang. Når inngangssignalet tilføres en ikke-inverterende (direkte) inngang, har utgangssignalet samme polaritet (fase) — Figur 5, a.

Figur 5 — Konvensjonelle grafiske betegnelser for operasjonsforsterkere

Når du bruker den inverterende inngangen, vil fasen til utgangssignalet bli forskjøvet med 180 ° i forhold til fasen til inngangssignalet (polaritet reversert) — Figur 6, b. Reverse innganger og utganger er sirklet.

Figur 6 — Tidsdiagrammer for op-ampen: a) — ikke-inverterende, b) — inverterende

Når en spenning påføres tapetet, er utgangsspenningen proporsjonal med forskjellen mellom inngangsspenningene. Disse. det inverterende inngangssignalet aksepteres med et «-«-tegn. Uout = K (Uneinv — Uinv), hvor K er forsterkningen.

Figur 7 — Amplitudekarakteristikk for op-amp

Op-ampen drives av en bipolar kilde, vanligvis +15 V og -15 V. En unipolar strømforsyning er også tillatt. Resten av IOU-konklusjonene er angitt etter hvert som de brukes.

Operasjonen til op-ampen er forklart av amplitudekarakteristikken - Figur 8. På karakteristikken kan det skilles en lineær seksjon, der utgangsspenningen øker proporsjonalt med en økning i inngangsspenningen, og to seksjoner med metning U + satt og U- sat. Ved en viss verdi av inngangsspenningen Uin.max går forsterkeren inn i metningsmodus, hvor utgangsspenningen antar en maksimal verdi (ved en verdi på Up = 15 V, ca. Uns = 13 V) og forblir uendret med ytterligere økning i inngangssignalet. Metningsmodusen brukes i pulsenheter basert på operasjonsforsterkere.

Effektforsterkere brukes i sluttfasen av forsterkning og er designet for å skape den nødvendige kraften i lasten.

Hovedfunksjonen deres er drift ved høye inngangssignalnivåer og høye utgangsstrømmer, noe som nødvendiggjør bruk av kraftige forsterkere.

Forsterkere kan fungere i modusene A, AB, B, C og D.

I modus A er utgangsstrømmen til forsterkerenheten (transistor eller elektronisk rør) åpen i hele perioden for det forsterkede signalet (dvs. konstant) og utgangsstrømmen flyter gjennom den. Klasse A effektforsterkere introduserer minimal forvrengning i det forsterkede signalet, men har svært lav effektivitet.

I modus B er utgangsstrømmen delt i to deler, en forsterker forsterker den positive halvbølgen til signalet, den andre negative. Som et resultat, høyere effektivitet enn i modus A, men også store ikke-lineære forvrengninger som oppstår i øyeblikket av byttetransistorer.

AB-modusen gjentar B-modusen, men i overgangsøyeblikket fra den ene halvbølgen til den andre er begge transistorene åpne, noe som gjør det mulig å redusere forvrengninger og samtidig opprettholde høy effektivitet. AB-modus er den vanligste for analoge forsterkere.

Modus C brukes i tilfeller der det ikke er noen forvrengning av bølgeformen under forsterkning, fordi utgangsstrømmen til forsterkeren flyter i mindre enn en halv periode, noe som selvfølgelig fører til store forvrengninger.

D-modus bruker å konvertere inngangssignaler til pulser, forsterke disse pulsene og deretter konvertere dem tilbake.I dette tilfellet fungerer utgangstransistorene i nøkkelmodus (transistoren er helt lukket eller helt åpen), noe som bringer effektiviteten til forsterkeren nærmere 100% (i AV-modus overstiger ikke effektiviteten 50%). Forsterkere som fungerer i D-modus kalles digitale forsterkere.

I en push-pull-krets skjer forsterkning (modus B og AB) i to klokkesykluser. I løpet av den første halvsyklusen forsterkes inngangssignalet av en transistor, og den andre lukkes under denne halvsyklusen eller en del av den. I den andre halvsyklusen forsterkes signalet av den andre transistoren mens den første er slått av.

Glidekretsen til transistorforsterkeren er vist i figur 8. Transistortrinnet VT3 gir et trykk til utgangstransistorene VT1 og VT2. Motstander R1 og R2 setter den konstante driftsmodusen til transistorene.

Med ankomsten av en negativ halvbølge Uin øker kollektorstrømmen VT3, noe som fører til en økning i spenningen ved basene til transistorene VT1 og VT2. I dette tilfellet lukkes VT2 og gjennom VT1 går kollektorstrømmen gjennom kretsen: + Opp, overgang K-E VT1, C2 (under lading), Rn, kasse.

Når en positiv halvbølge kommer, lukkes Uin VT3, noe som fører til en reduksjon i spenningen ved basene til transistorene VT1 og VT2 — VT1 lukkes, og gjennom VT2 flyter kollektorstrømmen gjennom kretsen: + C2, overgang EK VT2 , tilfelle, Rn, -C2. T

Dette sikrer at strømmen til begge halvbølgene av inngangsspenningen flyter gjennom lasten.

Figur 8 — Skjematisk av en effektforsterker

I modus D opererer forsterkerne med pulsbreddemodulasjon (PWM)… Inngangssignalet modulerer rektangulære pulserved å endre varigheten.I dette tilfellet konverteres signalet til rektangulære pulser med samme amplitude, hvis varighet er proporsjonal med verdien av signalet til enhver tid.

Pulstoget mates til transistoren(e) for forsterkning. Fordi det forsterkede signalet er pulsert, fungerer transistoren i nøkkelmodus. Drift i nøkkelmodus er forbundet med minimale tap, siden transistoren enten er lukket eller helt åpen (har minimal motstand) Etter forsterkning trekkes lavfrekvente komponenten (forsterket originalsignal) ut av signalet ved hjelp av et lavpassfilter ( LPF) og mates til lasten.

Figur 9 — Blokkdiagram av en klasse D-forsterker

Klasse D-forsterkere brukes i bærbare lydsystemer, mobilkommunikasjon, motorkontrollenheter og mer.

Moderne forsterkere er preget av utbredt bruk av integrerte kretser.