Тока усилители: 2.3 Усилители постоянного тока

2.3 Усилители постоянного тока

2.3 Усилители постоянного тока

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют такие устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся электрические сигналы, то есть они способны усиливать и переменные и постоянные составляющие входного сигнала.

Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполнении, стабильности смещения и т.д. Однако такая связь вносит в усилитель ряд специфических особенностей, затрудняющих как его выполнение, так и эксплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока.

Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля. Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала. Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабиль­ности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наиболь­шую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф. Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и не­стабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями I _кбо , U _бэ0 и B .Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо умень­шать коэффициент нестабильности S _нс .

Абсолютным дрейфом нуля  , называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведен­ного ко входу усилителя: е _др = . Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина е _др ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях (рассмотренных в предыдущих главах) дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижа­ется при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор R _Э большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит K_U для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь K_U пропорционален S _нс , то величина е _др оказывается независимой от S _нс . Минимального значения е _др можно достичь за счет снижения величин R э, R _б и R_r . При этом для кремниевых УПТ можно получить  Кремниевые УПТ более пригодны для работы на повышенных температурах.

С целью снижения дрейфа нуля в УПТ могут быть использова­ны следующие способы: применение глубоких ООС, использование термокомпенсирующих элементов, преобразование постоянного тока в переменный и усиление переменного тока с последующим выпрямлением, построение усилителя по балансной схеме и др.

Однотактные УПТ прямого усиления по сути своей являются обычными многокаскадными усилителями с непосредственной связью. В таком усилителе резисторы R _э 1 и R _э 2 не только создают местную последователь­ную ООС по току, но и обеспечивают необходимое напряжение   в своих каскадах. В многокаскадном усилителе наблюдается последовательное повышение потенциала на эмиттере транзистора каждого

При разработке УПТ необходимо обеспечивать согласование потенциалов не только между каскадами, но и с источником сигнала и нагрузкой. Если источник сигнала включить на входе усилителя между базой первого транзистора и общей шиной, то через него будет протекать постоянная составляющая тока от источника питания E_K . Для устранения этого тока обычно включают генератор входного сигнала между базой транзистора Т1 и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами R ₁ и R ₂ . На рисунке 2.3.1 приведена принципиальная схема рассматриваемого входного каскада УПТ прямого усиле­ния. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точки в режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Рисунок 2.3.1 схема входного каскада УПТ

Нагрузка усилителя обычно включается в диагональ моста, образованного элементами выходной, цепи УПТ. Рассматриваемый здесь способ включения нагрузки используется для получения U _н =0 при Е _r =0. Номиналы резисторов R₃ и R₄ выбираются таким образом, чтобы напряжение средней точки делителя равнялось напряжению на коллекторе выходного транзистора в режиме покоя. При этом в нагрузке для режима покоя не будет протекать тока. В каждом каскаде УПТ прямого усиления за счет резисторов в цепи эмиттера образуется глубокая ООС. Поэтому для определения входного сопротивления K_u oc каскада ОЭ здесь можно пользоваться формулами    и K_u ОС = — R _кн / R _э соответственно. Обычно максимальное усиление свойственно первому каскаду, у которого R _к имеет наибольшее значение. Однако и в последующем каскаде УПТ, где R _к меньше, все равно его номинал должен быть больше номинала R _э . В многокаскадных УПТ прямого усиления может происходить частичная компенсация дрейфа нуля. Так, положительное приращение тока коллектора, первого транзистора вызовет отрицательное приращение тока базы и, следовательно, тока коллектора второго транзистора. В результате суммарный дрейф нуля второго каскада может оказаться меньше, чем в отсутствие первого каскада в идеальном случае и сведен к нулю. Заметим, что полная компенсация дрейфа нуля возможна лишь при специальном подборе элементов и только для некоторой конкретной температуры. Хотя на практике это почти и недо­стижимо, тем не менее в УПТ с четным числом усилительных каскадов наблюдается снижение дрейфа нуля.

Способ построения УПТ на основе непосредственной связи в усилительных каскадах с глубокой ООС может быть использован для получения сравнительно небольшого коэффициента усиления (в несколько десятков) при достаточно большом . Если в таких УПТ попытаться повысить К_u , то неизбежно получим резкое возрастание дрейфа нуля, вызванного не только температурной нестабильностью, но и нестабильностью источников питания. Отметим, что применение традиционных методов уменьшения влияния нестабильностей Е_к с помощью фильтрующих конденсаторов здесь не дает желаемого результата (слишком низкие частоты). Для снижения температурного дрейфа в УПТ прямого усиления иногда применяют температурную компенсацию. В настоящее время в качестве термокомпенсирующего элемента обычно используется диод в прямом смешении, включенный в цепь базы транзистора. Принцип построения таких устройств практически одинаков для усилителей постоянного и переменного тока. Все рассмотренные выше УПТ имеют большой температурный дрейф (e _дрсоставляет единицы милливольт на градус). Кроме того, в них отсутствует зримая компенсация временного дрейфа и влияния низкочастотных шумов. Эти факторы могут оказаться даже более существенными, чем температурный дрейф нуля. Отмеченные недостатки усилителей прямого усиления в значительной степени преодолеваются в УПТ с преобразованием (модуляцией) сигнала.

2.3.1 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В настоящее время наибольшее распространение получили диф­ференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИС и широко выпускаются отечественной промышленностью: К118УД, КР198УТ1 и др. Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рисунке 2.3.1.1 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R _к1 и R _к1 , а два других — транзисторами Т1 и Т2. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т. е. в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы R ₀₁ и R ₀₂ имеют небольшие величины, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор R _Э подключен к эмиттерам транзисторов. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е.

Рисунок 2.3.1.1 Схема дифференциального усилителя

Использование второго источника (—Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров Т1 и Т2 до потенциала общей шины. Это обстоятельство дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных компенсирующих напряжений. При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, одно из которых состоит из транзистора Т1 и резистора R_к1 (и R₀₁ ), второе —из транзистора Т2 и резистора R_к2 (и R₀₂ ). Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ. Таким образом, можно заключить, что ДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор R_Э , которым и задается их общий ток. Для того чтобы ДУ мог качественно и надежно выполнять свои функции, а также в процессе длительной работы сохранить свои параметры и уникальные свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования. Рассмотрим эти требования последовательно.

Первое требование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. По нему необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов Т1 и Т2, а также R_к1 = R_к2 (и R₀₁ = R₀₂ ). Если первое требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при U_вх1 = U_вх2 = 0 достигается полный баланс моста, т. е. потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах, ОЭ (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет от­сутствовать. За счет симметрии общих плеч ДУ будет обес­печиваться высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т.д. Если собрать ДУ на таких дискретных элементах, то он может быть и продемонстрируете желаемый результат, но только в относительно небольшой промежуток времени. С течением времени параметры транзисто­ров и резисторов будут изменяться различным образом в соот­ветствии с законами своей собственной структуры, естественно, что на них различным образом будут влиять и внешние факторы, а следовательно, нарушится симметрия плеч со всеми вытека­ющими отсюда последствиями. В конечном счете можно за­ключить, что на дискретных элементах (изготовленных в разное время и в разных условиях) осуществить выполнение первого требования для ДУ практически невозможно. Это и обусловили тот факт, что прекрасные свойства ДУ не нашли должного использования в дискретной электронике. Приблизиться к выполнению первого основного требования для ДУ позволила микроэлектроника. Ясно, что симметрию общих плеч ДУ могут, обеспечив лишь идентичные элементы в которых все одинаково и которые были изготовлены в аб­солютно одинаковых условиях. Так, в монолитной ИС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры. Следовательно, в монолитных ИС первое требование к ДУ почти выполнено. Это «почти» позволяет реализовать ДУ пусть не с идеальными, но все же с хорошими параметрами, но при непременном условии выполнения второго основного требования к ДУ.

Второе основное требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т. е. сигналы, имеющие равные амплитуды, формы и фазы. Если на входах ДУ (рис. 10) присутствуют U _вх1 = U _вх2 , причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т. д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и являют­ся крайне нежелательными, вредными для работы любого усилителя.

Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора R _Э , (или его электронного эквивалента). Если на вход ДУ поступает сигнал синфазной помехи, например, положительной полярности, то транзисторы Т1 и Т2 приотк­роются и токи их эмиттеров возрастут. В результате по резистору R _Э будет протекать суммарное приращение этих токов, об­разующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что R _Э образует в ДУ последовательную ООС по току. При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по на­пряжению для синфазного сигнала каскадов ОЭ, образующих общие плечи ДУ, K _исф1 и К_исф2 . Поскольку коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала К_исф = К_исф1 — К_исф2 и за счет выполнения первого основного требования К_исф1 ≈ К_исф2 удается получить весьма малое значение К_исф , т. е. значительно подавить синфазную помеху.

Так как в монолитном ДУ с достаточным приближением можно выполнить оба основных требования, удается не только подавить синфазную внешнюю помеху, но и снизить влияние внутренних факторов, проявляющихся через изменения парамет­ров элементов схемы. Конечно, параметры составляющих каска­дов будут изменяться, но по весьма близким зависимостям, влияние которых будет дополнительно ослабляться наличием ООС.

Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входно­го сигнала — дифференциального. Дифференциальными (противо­фазными) принято называть сигналы, имеющие равные амплиту­ды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т. е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если U _вх1 в рассматриваемый момент представляется положительной полуволной, то U _вх2 — отрицательной.

За счет действия U _вх1 транзистор Т1 приоткрывается, и ток его эмиттера получает положительное приращение ∆I _Э1 , а за счет действия U _вх2 транзистор Т2 закрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение, т.е. — ∆I _Э2 . В ре­зультате приращение тока в цепи резистора R _Э ∆I_R Э = ∆I _Э1 — ∆I _Э1.  Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то ∆I_R Э = 0 и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Отсюда происходит и название усилителя — дифференциальный. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисто­ров Т1 и Т2 будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резистор R _Э , образует ООС только для синфазного сигнала.

Поскольку в реальных ДУ идеальную симметрию плеч осущест­вить нельзя, то R _Э все же будет и для дифференциального сигнала создавать ООС, но незначительной глубины, причем чем лучше симметрия плеч, тем меньше ООС. Небольшую последовательную ООС по току задают в каскадах ДУ с по­мощью резисторов R₀₁и R₀₂ . Как отмечалось выше, эти резисторы имеют небольшие номиналы (участки полупровод­никовой подложки), поэтому создаваемая ими ООС невелика и существенно не влияет на усилительные свойства ДУ.

Таким образом, при выполнении в ДУ двух основных требова­ний он обеспечивает стабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциального сигнала и со значитель­ным подавлением синфазной помехи. В зависимости от того, как подключены в ДУ источник входного сигнала и сопротивление нагрузки, следует различать схемы его включения.

Усилитель — Описание, предназначение, виды усилителей.

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.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

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

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 +U_пит , которое требуется для того, чтобы усиливать сигнал.

То есть мы здесь видим две клеммы на вход, на которые загоняется сигнал U_вх , а также видим две клеммы на выход, где снимается напряжение U_вых . Питается наш четырехполюсник через +U_пит , 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 U_вх, а к выходу цепляется нагрузка R_{н .}

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  E_И   и внутренним сопротивлением R_И . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением R_вх . Сила тока I_вх в цепи  E_И —>R_И—>R_вх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от  входного сопротивления усилительного каскада R_вх .

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) E_вых и выходным сопротивлением R_вых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку R_н , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи E_вых —> R_вых —> R_н  будет зависеть от сопротивления нагрузки R_н .

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:

где

K_U — это коэффициент усиления по напряжению

U_вых — напряжение на выходе усилителя, В

U_вх — напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление R_вых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление R_вых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что R_вх намного больше, чем R_вых т. е.  R_вх >>R_и  и R_н намного больше, чем R_вых    (R_н >>R_вых ). Чем больше номинал R_н , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение U_вых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи E_вых —> R_вых —> R_н , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых , исходя из формулы ЭДС: E_вых =I_выхR_вых +I_выхR_н . 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 K_I   — коэффициент усиления по току

I_вых  — сила тока в цепи нагрузки, А

I_вх  — сила тока во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в K_I 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 U_вых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: R_н =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи E_и —>R_и —>R_вх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент K_I =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки E_вых —>R_вых —> R_н 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=U_вых /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 U_вых на 1=U_вых /5. U_вых =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 R_вых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: R_вх << R_и и R_н << R_вых  при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

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:

где

P — мощность, Вт

I — сила тока, А

U — напряжение, В

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

где

K_P — коэффициент усиления по мощности

P_вых  — мощность на выходе усилителя, Вт

P_вх  — 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: R_вх ≈ R_и и R_н ≈ R_{вых .}

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:

где

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

U_Вых  — напряжение на нагрузке, В

Мощность на нагрузку с реактивной составляющей будет уже выражаться через формулу:

где

P_вых — выходная мощность усилителя, Вт

I_вых — сила тока в цепи нагрузки, А

U_вых  — напряжение на нагрузке, В

cosφ  — 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:

В УН K_U > 1, K_I = 1;       в УТ K_I > 1, K_U = 1;          в УМ K_U > 1 и K_I > 1.

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.

Усилители тока и буферы тока

В этой статье мы подробно рассмотрим усилители тока, буферы тока и повторители тока.

Краткое описание

Усилитель тока

Введение

Усилитель тока представляет собой электронную схему, которая увеличивает величину тока входного сигнала на фиксированную величину и подает его на последующую схему/устройство. Этот процесс называется текущим усилением входного сигнала.

[адсенс1]

Входной сигнал может быть либо постоянным сигналом, либо изменяющимся во времени сигналом. В идеале, во время этого процесса усиления тока усилитель тока будет поддерживать составляющую напряжения входного сигнала неизменной. Ниже представлена ​​блок-схема типичного усилителя тока.

Формы сигналов на входных и выходных клеммах обозначают величину тока во времени. Обратите внимание, что весь сигнал растягивается (увеличивается) на выходе с фиксированным коэффициентом.

Коэффициент усиления усилителя тока

В электронике «Коэффициент усиления» — это технический термин, используемый для оценки усиливающей способности усилителя. А поскольку усилитель тока преобразует только текущую составляющую входного сигнала, его коэффициент усиления зависит от того, насколько он увеличивает ток выходного сигнала по отношению к входному сигналу.

Математически коэффициент усиления усилителя тока представляет собой отношение величины тока, протекающего через его выходные клеммы, к величине тока входного сигнала. Обозначается символом А _i , и поскольку это отношение, оно не имеет единиц измерения.

Например, если ток от входного сигнала равен 1 мА, а ток, протекающий через выходные клеммы, равен 100 мА, то коэффициент усиления данного усилителя тока будет равен 100 (100 мА/1 мА). Это означает, что на выходе происходит 100-кратное увеличение величины тока входного сигнала.

Усиление также может иметь отрицательное значение. Это указывает на то, что выходной сигнал является перевернутой и масштабированной копией входного сигнала.

Характеристики идеального усилителя тока

Для проектирования усилителя тока необходимо составить набор правил/характеристик, определяющих его теоретическое поведение. Ниже приведены эти идеальные характеристики:

• Коэффициент усиления по току усилителя (A _i ) должен оставаться постоянным для всего диапазона входного сигнала
• Коэффициент усиления усилителя тока не должен зависеть от окружающих условий, таких как температура и влажность
• Входное сопротивление (эффективное сопротивление между входными клеммами) усилителя тока должно быть равно нулю
• Выходное сопротивление (эффективное сопротивление между выходными клеммами) усилителя тока должно быть бесконечным

В реальных условиях невозможно достичь рекомендованного выше импеданса усилителей тока. Но они используются только в качестве эталонных параметров для разработки почти идеальных схем усилителей тока. На приведенной ниже диаграмме показана модель идеального усилителя тока вместе с практической.

Обратите внимание на сопротивления на входе и выходе усилителя тока в реальном сценарии. Сопротивление, последовательно подключенное к входу, указывает на эффективное сопротивление, создаваемое схемой усиления. Сопротивление, параллельное выходу, означает, что часть выходного сигнала теряется либо из-за механизмов обратной связи, либо из-за внутренних потерь.

Схема усилителя тока

Ниже приведена принципиальная схема простой двухкаскадной схемы усилителя тока, в которой в качестве усилительного элемента используются транзисторы npn и pnp.

Фотодиод поглощает энергию света и высвобождает электроны, тем самым действуя как источник входного тока. Этот ток от фотодиода сначала усиливается транзистором Q1, а затем усиливается транзистором Q2.

Резисторы в основаниях обоих транзисторов используются для регулировки коэффициента усиления. Количество раз, когда сигнал усиливается, такое же, как каскады в усилителе. Здесь ток усиливается вдвое, так что это 2-каскадный усилитель тока.

Переходя к расчетной части, скажем, i _d — это ток, протекающий от фотодиода, а A _i1 , A _i2 — коэффициенты усиления транзисторов Q1 и Q2 соответственно.

Ток на выходе первого транзистора будет равен А _i1 i _d , и это будет вход на второй транзистор. Второй транзистор Q2 дополнительно усилит этот сигнал в A _i2 раз.

Итак, конечный выходной ток будет равен А _i2 A _i1 i _d , что делает коэффициент усиления всего двухкаскадного усилителя тока равным A _i2 A _i1 .

Применение усилителей тока

Ниже приведены некоторые практические применения усилителей тока:

• В системах усилителей усилители тока используются для получения лучшего басового выхода за счет увеличения интенсивности, с которой работают динамики.
• Усилители тока с переменным коэффициентом усиления используются во многих промышленных производственных системах, таких как станки для лазерной и гидроабразивной резки, для управления интенсивностью производства
• В сенсорных системах усилители тока используются для усиления слабых входных сигналов для использования в последующих схемах

[адсенс2]

Буфер тока

Введение

Буфер тока представляет собой электронную схему, которая используется для передачи электрического тока от входного источника с очень низким импедансом (действующее сопротивление) к выходным нагрузкам с высоким импедансом. Он предназначен для предотвращения воздействия на источники сигнала из-за любых различий в величине тока, потребляемого выходными нагрузками.

В большинстве сценариев он действует как мост между слабыми входными сигналами (например, сигналами от датчиков) и выходными нагрузками, которые могут потреблять большие токи. Ниже приведена схема идеального буфера тока.

В первую очередь предназначен для устранения влияния выходной нагрузки на входной источник. Таким образом, вы можете думать о буфере тока как о схеме, которая изолирует входные и выходные схемы, позволяя при этом обеспечить необходимый поток тока на выходную нагрузку, чтобы поддерживать на ней постоянное напряжение.

Практическое использование буфера тока

Рассмотрим схему, использующую датчик LDR для управления роботом. Ток, потребляемый двигателями робота, не является постоянным и зависит от наклона или шероховатости поверхности, т.е. нагрузки на двигатели.

Таким образом, если двигатели напрямую связаны с датчиком температуры с помощью усилителя тока или других подобных драйверов, двигатели иногда могут потреблять больший ток, что влияет на точность датчика. Напряжение на двигателях также изменится, что, в свою очередь, изменит скорость робота.

Чтобы этого не произошло, используются текущие буферы. Они могут обеспечивать требуемый ток для двигателей, не влияя на точность датчика, при этом поддерживая постоянное напряжение на клеммах двигателей, т. е. на выходных нагрузках.

Повторитель тока

Буферная схема тока с коэффициентом усиления 1 (т. е. входной и выходной токи одинаковы) называется повторителем тока. Это означает, что схема повторителя тока не обеспечивает усиления тока во входном сигнале.

Вам может быть интересно, почему используется схема повторителя тока, поскольку входной и выходной токи повторителя тока одинаковы. Причина в том, что повторитель тока не используется для увеличения выходного тока.

Но он используется для изоляции входных и выходных клемм, позволяя одинаковому количеству тока проходить на вход и на выход. По этой причине цепи повторителя тока также называются изолирующими буферами.

Схема цепи буфера тока

Ниже приведена принципиальная схема простого буфера тока MOSFET.

Такое расположение обеспечивает очень низкий импеданс входного сигнала и высокий импеданс на выходной клемме, что делает его почти идеальным буфером тока.

Применение буферов тока

Ниже приведены некоторые практические применения буферов тока:

• В цифровых логических элементах буферы тока используются для изоляции входных сигналов от последующих цепей
• Токовые буферы используются в высокоточных сенсорных системах для снижения влияния колебаний напряжения/тока из-за различных выходных импедансов
• В приводах двигателей и других электрических исполнительных системах

Усилители тока и буферы тока

На первый взгляд, усилители тока и буферы тока могут показаться похожими. Оба принимают слабый сигнал и выдают более сильный сигнал (с точки зрения тока) на выходе. Но основные отличия заключаются в способе усиления входного сигнала.

Для усилителей тока величина тока на выходных клеммах всегда кратна величине входного тока. Таким образом, зная величину тока входного сигнала, мы можем легко рассчитать ток на выходе, умножив входной ток на коэффициент усиления усилителя.

Это не относится к текущим буферам. Разница в том, что токовые буферы предназначены для обеспечения такого тока, которого требует нагрузка, при поддержании постоянного напряжения на ней. Поэтому, если мы не знаем, какой ток потребляет выходная нагрузка, мы не можем определить, с каким коэффициентом усилитель тока усиливает входной сигнал.

Проще говоря, коэффициент усиления по току буфера тока непостоянен и изменяется в зависимости от тока, потребляемого выходной нагрузкой, в то время как коэффициент усиления усилителя тока постоянен независимо от выходного устройства. Транзистор в качестве усилителя

Буферный усилитель представляет собой схему, преобразующую электрическое сопротивление одной цепи в другую. Основная цель буфера — предотвратить загрузку предыдущей цепи последующей. Например, датчик может иметь возможность производить напряжение или ток, соответствующие определенной физической величине, которую он измеряет, но он может не иметь мощности для управления схемой, к которой он подключен. В таких случаях можно использовать буфер. Буфер, подключенный между датчиком и последующей схемой, легко управляет схемой по току или напряжению в соответствии с выходным сигналом датчика. Буферы подразделяются на буферы напряжения и буферы тока. Символы идеального буфера напряжения и буфера тока показаны на рис. 1 и рис. 2 соответственно.

Буфер напряжения.

Цепь, передающая напряжение от цепи с высоким выходным сопротивлением к цепи с низким входным сопротивлением, называется буфером напряжения. Буфер напряжения, подключенный между этими двумя цепями, предотвращает нагрузку на первую цепь с низким входным сопротивлением (вторая). Бесконечный входной импеданс, нулевой выходной импеданс, абсолютная линейность, высокая скорость и т. д. — вот особенности идеального буфера напряжения.

Если напряжение передается от первой цепи ко второй цепи без изменения амплитуды, то такая цепь называется буфером напряжения с единичным коэффициентом усиления или повторителем напряжения. Выходное напряжение просто отслеживает или следует за входным напряжением. Коэффициент усиления повторителя напряжения равен единице (Av = 1). Даже при отсутствии усиления по напряжению будет достаточное усиление по току. Поэтому, когда повторитель напряжения подключен между двумя цепями, он будет передавать напряжение с первой на вторую без какого-либо изменения амплитуды и управлять второй схемой, не нагружая первую цепь.

Буфер напряжения может быть реализован с использованием операционных усилителей, BJT или MOSFET. Повторитель напряжения с использованием транзистора (BJT) показан на рис. 3. Повторитель напряжения с использованием BJT также известен как эмиттерный повторитель. +Vcc — это напряжение коллектора транзистора, Vin — входное напряжение, Vout — выходное напряжение, а Re — эмиттерный резистор транзистора.

Повторитель напряжения, реализованный с использованием операционного усилителя, показан на рис. 2. Это достигается путем применения полной последовательной отрицательной обратной связи к операционному усилителю, т. е. подключив выходной контакт к инвертирующему входному контакту. Здесь операционный усилитель настроен в неинвертирующем режиме (см. рис. 2). Таким образом, уравнение для коэффициента усиления: Av= 1 + (Rf/R1).

Поскольку выход и инвертирующий вход закорочены, Rf=0 .

Поскольку заземление R1 отсутствует, цепь можно рассматривать как разомкнутую, поэтому R1 = ∞

Следовательно, (Rf/R1) = (0/∞)  = 0.

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению Av = 1 + (Rf/R1) = 1+0 =1.

Текущий буфер.

Буфер тока представляет собой схему, которая используется для передачи тока из цепи с низким входным сопротивлением в цепь с высоким входным сопротивлением. Буферная схема тока, подключенная между двумя цепями, предотвращает загрузку первой схемы второй схемой. Характеристики идеального буфера тока — бесконечное входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, высокая линейность и быстрая реакция. Текущий буфер с единичным усилением (B=1) называется текущим буфером с единичным усилением или повторителем тока. Здесь выходной ток просто отслеживает или следует за входным током. Буфер тока может быть реализован с использованием транзистора (BJT или MOSFET).

Цепь усилителя тока.

Схема усилителя тока представляет собой схему, которая усиливает входной ток с фиксированным коэффициентом и подает его на следующую схему. Усилитель тока чем-то похож на буфер напряжения, но разница в том, что идеальный буфер напряжения будет пытаться обеспечить любой ток, необходимый для нагрузки, сохраняя при этом входное и выходное напряжения одинаковыми, где усилитель тока подает на последующий каскад ток, который является фиксированным кратным входному току. Усилитель тока можно реализовать на транзисторах. Схема схемы усилителя тока на транзисторах показана на рисунке ниже. В этой схеме используются два транзистора. β1 и β2 — коэффициенты усиления по току транзисторов Q1 и Q2 соответственно.