Электронный усилитель

Как эволюционировала конструкция ИУ

На протяжении многих лет разработчики создавали новые схемы ИУ, чтобы использовать их преимущества в потребительских, медицинских и промышленных приложениях. Давайте взглянем на эволюцию конструкций ИУ, начиная от первых образцов, до инструментальных усилителей, доступных сегодняшнему разработчику. Изучая эти архитектуры с их достоинствами и недостатками, мы покажем, как совершенствовались характеристики этих приборов, и что они дают реальным приложениям.

Прежде чем углубляться в различия подходов и вариантов, давайте сначала посмотрим, чего мы пытаемся достичь, используя схему на Рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема интерфейса датчика на основе ИУ.

Выходы датчика подключены к входам ИУ, усиливающего дифференциальное напряжение. Помехи попадают из многих источников, как в излучаемой, так и в кондуктивной форме. Типичные помехи могут приходить из импульсных источников питания, моторов и беспроводных устройств. Такие помехи ослабляются экранированием и хорошей разводкой печатной платы, но часть их, все-таки, проникает в схему.

К счастью, большинство из этих помех проявляет себя как синфазное напряжение (VCM), наложенное на дифференциальное входное напряжение датчика (VDM), поэтому правильно сконструированная измерительная схема с хорошим коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) значительно уменьшит это напряжение, поддерживая высокую точность коэффициента усиления. Минимальное значение CMRR для постоянного напряжения обычно приводится в технических спецификациях, в то время как для переменного тока CMRR представляется в виде графиков частотных зависимостей.

Как пользоваться усилителем звука?

Основные правила использования усилителя звука на ПК, в автомобиле и домашней аудиосистеме стандартны:

Начинать важно с качественного прибора подходящего по характеристикам к выбранным проигрывателям и колонкам. Диссонанс системных требований приведет к снижению качества звука или поломке устройств.
Подключать устройство нужно, строго следуя прилагаемой к каждой модели инструкции.
После подключения важно перейти к настройкам прибора, если таковые имеются

Тестирование и подстройка могут проводиться как в ручном, так и автоматическом режиме. После этого можно наслаждаться качественным звучанием любимых мелодий.

Частотные характеристики

Усилители низкой (звуковой) частоты имеются практически во всех бытовых приборах – музыкальных центрах, телевизорах, радиоприемниках, магнитолах и даже в персональных компьютерах. Но существуют еще усилители ВЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Отличие их в том, что УНЧ позволяет усилить сигнал только звуковой частоты, которая воспринимается человеческим ухом. Усилители звука на транзисторах позволяют воспроизводить сигналы с частотами в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц.

Следовательно, даже простейшее устройство способно усилить сигнал в этом диапазоне. Коэффициент усиления зависит прямо от частоты входного сигнала. График зависимости этих величин – практически прямая линия. Если на вход усилителя подать сигнал с частотой вне диапазона, качество работы и эффективность устройства быстро уменьшатся. Каскады УНЧ собираются на транзисторах, работающих в низко- и среднечастотном диапазонах.

Электронный усилитель

Основная статья: 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.

Усилитель звуковых частот

Основная статья: Усилитель звуковых частот

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 (обычно от 16 до 20 000 Гц, в специальных случаях — до 200 кГц). Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств — телевизоров, музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети и т. д.

Операционный усилитель

Основная статья: Операционный усилитель

Операционный усилитель — (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент усиления/передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Измерительный усилитель (средство измерений)

Основная статья: Измерительный усилитель (средство измерений)

Измерительный усилитель (средство измерений) — электронный усилитель, применяемый в процессе измерений и обеспечивающий точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе.

Измерительный усилитель

Основная статья: Измерительный усилитель

Измерительный усилитель (иначе инструментальный усилитель, электрометрический вычитатель) — это тип дифференциального усилителя с характеристиками, подходящими для использования в измерениях и тестирующем оборудовании. Такие характеристики включают: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно.

Металлосвязь кабельных лотков

Хотя лотки соединяются между собой с помощью болтов, благодаря чему имеют непрерывное соединение конструкции и некоторую проводимость электрического тока, их необходимо соединять дополнительными перемычками. Ведь согласно ГОСТ 10434.82 трассу можно считать заземленной только при применении перемычек.

Также необходимо знать, какое сечение провода следует использовать для того, чтобы заземлить лоток для прокладки кабеля. Если используются перемычки как проводники, то они должны иметь сечение от 4 до 6 мм², а изоляция должна иметь правильную цветовую маркировку, которая состоит с желтого и зеленого цвета.

Если самостоятельно изготавливать такие перемычки, то можно применять гибкий многожильный провод марки ПВ-3. Однако следует помнить, что такой провод должен иметь наконечник, в основном его устанавливают с помощью опрессовки.

Также следует учесть, что болты соединения защитных проводников не могут использоваться в иных целях, например, для соединения боковых частей лотков, или крепления к опорам. Некоторые производители в комплект к лоткам ставят специальные шайбы, которые имеют зубцы. Такие шайбы обеспечивают повышенную надежность контакта, а также отсекают вероятность ослабления зажимных гаек или специальных шин.

4.3. Влияние отрицательной обратной связи на нестабильность усиления

При работе усилителя его коэффициент усиления может изменяться вследствие изменения параметров усилительных элементов и деталей схемы. Кроме того, значительное влияние на коэффициенты усиления оказывают: старение усилительных элементов, деталей схемы, изменение температуры, влажности и др. Эти причины называются дестабилизирующими факторами.

Количественно изменение коэффициента усиления под влиянием дестабилизирующих факторов оценивают величину без обратной связи:

; (4.9)

где dK –дифференциал коэффициента усиления усилителя. Нестабильность усиления усилителя с обратной связью dqСВ определяется:

; (4.10)

Подставляя в (4.10) выражение для КОС и продифференцировав – получаем для ООС:

;

Следовательно, ООС стабилизирует коэффициент усиления усилителя, уменьшая его нестабильность. При глубокой ООС (F>>1)

Типы усилителей

Производители продолжают создавать новые виды усилителей, но есть три главных вида схем усилителей: класс А, класс АВ, класс D.

  1. Класс А имеет мягкий звук, но он не эффективен по КПД и сильно перегревается.
  2. Класс АВ работает намного эффективнее по КПД, но звук получится обычным, нейтральным.
  3. Усилители класса D являются самыми эффективными по потерям энергии, но они имеют низкий демпфирующий фактор, который показывает степень затухания паразитных колебаний и зависит от выходного сопротивления усилителя.

Усилители обычно делают 5 или 4 канальными, стерео 2 канальные или моноблоки с одним каналом, для подключения сабвуфера. Некоторые производители выпускают усилители и с большим количеством каналов, но они намного меньше применяются в системах автозвука.

Что такое четырехполюсник

В электронике черным ящиком является четырехполюсник. Что вообще такое четырехполюсник? Четырехполюсник – это черный ящик, внутри которого имеется неизвестная электрическая цепь. Здесь мы видим две клеммы на вход, через которые подается входное воздействие и две клеммы на выход, с которых мы уже будем снимать отклик нашего “электрического черного ящика”.

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 активном четырехполюснике, одним из которых является усилитель мощности, мощность на выходе будет больше, чем на входе. Естественно, при этом не нарушается закон сохранения энергии, так как мощность, которая выделяется на нагрузке – это преобразованная мощность источника питания. Входной слабый сигнал просто управляет этой мощностью. Более подробно можно прочитать в статье про принцип усиления транзистора.

В электронике мы будем рассматривать усилитель, как активный четырехполюсник, на вход которого подается маломощный сигнал Uвх, а к выходу цепляется нагрузка Rн .

Решение на основе косвенной обратной связи по току

В ИУ с косвенной обратной связью по току (КОСТ) используется новый способ преобразования напряжения в ток (Рисунок 4). Он состоит из двух согласованных транскондуктивных усилителей (усилителей тока, управляемых напряжением – ред.) GM1 и GM2 и трансимпедансного усилителя A3 с большим коэффициентом усиления. В конструкции не используются согласованные резисторы, поэтому ей не нужны внутренние резисторы с лазерной подгонкой, что снижает затраты на производство. Еще одно преимущество этой схемы определяется тем, что ей не нужен ни один внешний резистор, согласованный с внутренними резисторами. Все что требуется – максимально хорошее согласование температурных коэффициентов внешних резисторов RF и RG, от которого напрямую зависит дрейф усиления.

Рисунок 4. Вариант с косвенной обратной связью по току.

CMRR по постоянному току такого усилителя высок, поскольку синфазные сигналы удаляются усилителем GM1. С ростом частоты CMRR по переменному току уменьшается слабо. Как уже упоминалось, ИУ на основе трех ОУ имеют ограниченные диапазоны входных напряжений, что связано с необходимостью предотвращения насыщения внутренних узлов схемы. У усилителей с КОСТ размах выходного напряжения не связан с входным синфазным напряжением, что расширяет рабочий диапазон до значений, недостижимых для архитектуры с тремя ОУ.

Второй каскад (GM2 и A3) дифференциально усиливает сигнал и еще больше ослабляет синфазные шумы на VFG и VREF. Подав напряжение смещения к выводу VREF, этот усилитель также можно использовать в схемах с однополярным питанием.

Коэффициент усиления КОСТ ИУ равен

где VDM – дифференциальное напряжение, равное

Несколько типичных приложений, использующих ИУ для усиления сигналов датчиков, показано на Рисунке 5.

Рисунок 5. Примеры типичных приложений, использующих ИУ
для усиления сигналов датчиков.

Рабочая точка и смещение базы

Для того, чтобы транзистор не искажал входной сигнал, нужно его для начала чуть-чуть приоткрыть.
Это можно сделать при помощи делителя напряжения из двух резисторов R1 и R2. Этот делитель напряжения позволяет приоткрыть транзистор VT1 для того, чтобы входной сигнал не тратил свою электрическую энергию на его открытие.

Как определяется класс усилителя

Класс усилителя определяется его рабочей точкой. Рабочая точка выбирается с помощью вольтамперной характеристики транзистора. Чем выше напряжение подается на вход транзистора, тем больше ток, тем выше рабочая точка.

Например, точка по центру это А класс.


А класс самый качественный из усилителей. Он усиливает как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. В то же время, у этого класса есть существенный недостаток. Это ограничение мощности и снижение энергоэффективности. Дело в том, что пока на вход УНЧ не поступает входной сигнал, он работает все время, пока он включен.

Получается, что при это расходуется лишняя электроэнергия. Поэтому, еще рабочая точка называется точкой покоя, когда усилитель не усиливает входной сигнал.

Еще есть B класс, AB и D. Они отличаются друг от друга по эффективности усиления и наличию искажений. Все зависит от используемой схемы.

Например. D класс вообще не открывает транзистор, однако с точки зрения энергоэффективности – это самый лучший выбор. Транзистор в покое не потребляет ничего, он включается только при подаче входного сигнала. И при этом если на вход подается аналоговый звуковой сигнал, то он искажается. Такой класс не подойдет для схемы, которую разбираем в этой статье.

Поэтому, схемотехники и инженеры изобрели цифровые усилители. У них аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой, и только потом подается на вход усилителя. Транзистор не искажает входной цифрой сигнал. После усиления сигнал снова преобразовывается в аналоговый с наименьшими потерями и искажениями.

А режим АВ применяется в схемах, где есть несколько транзисторов, которые работают на свои полуволны. Есть схемы, где один транзистор усиливает только положительные полуволны, а второй только отрицательные. Такие усилители называются двухтактными.

Как выбрать?

Чтобы выбрать подходящую модель для активной акустики звука, будь это миниатюрный автомобильный усилитель или крупногабаритное устройство для напольной концертной аппаратуры, существуют определенные параметры, на которые следует обращать внимание

Перед покупкой усилителя прежде всего нужно выбрать акустическую аппаратуру и только потом, ориентируясь на ее параметры, подбирать усиливающее звук устройство

Оба устройства должны синхронизироваться друг с другом на мощности и частоте рабочего диапазона.
Выбирая усиливающее звук устройство, нужно принимать во внимание ту площадь помещения или открытого пространства, на которой ему предстоит работать.

Для долговечной работы усиливающей звук аппаратуры специалисты рекомендуют выбирать ее с запасом мощности относительно той, что вам требуется. Это делают для того, чтобы не использовать усилитель на пределе его возможностей.

Аппаратура высокого качества обладает уровнем искажения звука в пределах, не превышающих 3%

Чем ниже этот показатель – тем качественнее усилитель.

Уровень показателя сигнал/шум у усиливающего устройства должен быть максимально высоким – он дает представление о чистоте звучания при максимальной опции громкости.

Усилители работают в различных частотных диапазонах, но лучшим будет тот прибор, что может функционировать на частотах от 16 до 100 кГц. В этом диапазоне качество звучания человеческое ухо воспринимает лучше всего.

О том, как работает усилитель звука, вы можете узнать ниже.

Что такое усилитель Wi-Fi сигнала

Усилитель Wi-Fi сигнала или репитер (повторитель, ретранслятор) – это электронный прибор который применяется для улучшения и усиления сигнала и увеличения покрытия Вай-фай сети. Усилитель подключается к роутеру, копирует данные сети, передает сигнал от места его установки, что способствует увеличению покрытия.

Как работает усилитель Wi-Fi сигнала

Усилитель сигнала Wi-Fi

Усилители Wi-Fi часто путают с репитером или расширителем. Но в отличие от этих устройств усилитель не является самостоятельным сетевым устройством, подключается к антенному выходу Wi-Fi роутера или точки доступа. Сигнал от маршрутизатора будет усилен за счет антенны устройства, тем самым расширяется площадь покрытия.

Wi-Fi репитер, повторитель

Репитер имитирует сеть, увеличивая радиус подключения к ней. Поэтому в большой квартире или доме, а в частности, в месте, где сигнал едва улавливался, постоянно прерывался, вместе с усилителем он станет гораздо сильнее и стабильнее.

Свое название повторитель получил за счёт того, что выполняет функцию повторения сети. Прибор будет исключительно повторять сигнал и не сможет влиять на его качество и на улучшение базовых показателей Wi-Fi сети:

  • не увеличится пропускная способность интернета;
  • не уйдут помехи, которые возникают из-за присутствующих других точек доступа;
  • не увеличится одновременное число активных подключений к точке доступа.

Классификация ОУ

По типу элементной базы

  • На полевых транзисторах
  • На биполярных транзисторах
  • На баллистических транзисторах
  • На электронных лампах (устарели)

По области применения

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

  • Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
  • Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.
  • Низковольтные ОУ работоспособны при напряжении питания 3 В и даже ниже. Как правило, они имеют rail-to-rail выход.
  • Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
  • Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.
  • Малошумящие ОУ.
  • Звуковые ОУ. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD). Примеры: LM4562 (THD 0,00003 %), OPA2132 (THD 0,00008 %), LME49600 (THD 0,00003 %), AD797 (THD 0,0001 %) и т. п.
  • Для однополярного питания. CMOS ОУ обеспечивают выходное напряжение, практически равное напряжению питания (rail-to-rail, R2R), биполярные ОУ — примерно на 1.2 В меньше, что существенно при небольших значениях Ucc.
  • Разностные ОУ (англ. Difference Amplifier, не путать с Differential amplifier). Имеют выдающийся коэффициент ослабления синфазного напряжения (англ. CMRR). Измеряют малые напряжения на фоне сильных помех, что характерно, к примеру, для токовых шунтов. Примеры: INA214, INA333.
  • ОУ (или точнее, готовые усилительные каскады) с переменным коэффициентом усиления.
  • Специализированные ОУ. Обычно разработаны для конкретных задач: например, подключение фотодатчика или магнитной головки ко входу; динамического громкоговорителя к выходу. Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Другие классификации

По входным сигналам:

  • Обычный двухвходовый ОУ;
  • ОУ с тремя входами: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

  • Обычный ОУ с одним выходом;
  • ОУ с дифференциальным выходом

Магнитный усилитель

Магнитный усилитель — это статический аппарат, предназначенный для управления величиной переменного тока посредством слабого постоянного тока. Применяется в схемах автоматического регулирования электродвигателей переменного тока. Основное назначение — управление силовым электроприводом (распространены в строительной технике), также применялись в бытовых стабилизаторах переменного тока, в регуляторах освещения киноконцертных залов, в двоичной ЭВМ ЛЭМ-1 Л. И. Гутенмахера и в троичных ЭВМ «Сетунь (компьютер)» и «Сетунь-70» Н. П. Брусенцов а также в цепях управления тепловоза.
По-прежнему магнитные усилители используются в системах, измеряющих постоянные токи от тензодатчиков. Гибридные схемы, сочетающие в себе миниатюрный магнитный усилитель с полупроводниковым, легко решают проблему дрейфа нуля и обладают высокой точностью.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий