Võimendi ahelate mõistmine

Üldiselt võib võimendit defineerida kui vooluahelat, mis on kavandatud rakendatud väikese võimsusega sisendsignaali võimendamiseks suure võimsusega väljundsignaaliks vastavalt komponentide määratletud nimiväärtusele.

Ehkki põhifunktsioon jääb samaks, võiks võimendid klassifitseerida erinevatesse kategooriatesse, sõltuvalt nende konstruktsioonist ja konfiguratsioonist.

Loogika sisendite võimendamise ahelad

Võimalik, et olete kohanud ühe transistori võimendeid, mis on konfigureeritud töötama ja võimendama madala signaaliloogikat sisendsensoritest, näiteks LDR-id, fotodioodid , IR-seadmed. Seejärel kasutatakse nende võimendite väljundit a plätu või relee ON / OFF vastusena anduriseadmete signaalidele.

Võib-olla olete näinud ka väikeseid võimendeid, mida kasutatakse muusika- või helisisendi eelvõimendamiseks või LED-lambi juhtimiseks.
Kõik need väikesed võimendid on liigitatud väikeste signaalivõimenditena.

Võimendite tüübid

Peamiselt on muusikasageduse võimendamiseks ühendatud võimendi ahelad, nii et sisestatud väike muusikasisend võimendatakse mitmeks voldiks, tavaliselt 100 kuni 1000 korda, ja taasesitatakse valjuhääldis.

Sõltuvalt võimsusest või võimsusest võivad sellised vooluahelad olla kujundatud, ulatudes väikestest opamp-põhistest väikestest signaalivõimenditest kuni suurte signaalivõimenditeni, mida nimetatakse ka võimsusvõimenditeks. Need võimendid on tehniliselt klassifitseeritud nende tööpõhimõtete, vooluahela etappide ja viisi järgi mille nad võivad olla konfigureeritud võimendusfunktsiooni töötlemiseks.

Järgmine tabel esitab võimendite klassifikatsiooni üksikasjad nende tehniliste näitajate ja tööpõhimõtte põhjal:

Põhivõimendi konstruktsioonis leiame, et see sisaldab enamasti mõnda etappi, millel on bipolaarsete transistoride või BJT-de, väljatransistoride (FET) või operatiivvõimendite võrgud.

Sellistel võimendiplokkidel või moodulitel võib olla paar klemmi sisendsignaali edastamiseks ja veel üks klemmipaar väljundis võimendatud signaali saamiseks ühendatud valjuhääldi kaudu.

Üks nendest kahest terminalist on maandusklemmid ja seda võib vaadelda kui ühist joont kogu sisendi ja väljundi etapis.

Kolm võimendi omadust

Ideaalse võimendi kolm olulist omadust peaksid olema:

• Sisendtakistus (Rin)
• Väljundtakistus (marsruut)
• Gain (A), mis on võimendi võimendusvahemik.

Ideaalse võimendi töö mõistmine

Võimendi signaali erinevust väljundi ja sisendi vahel nimetatakse võimendi võimenduseks. See on suurus või summa, mille võrra võimendi suudab oma väljundklemmide sisendsignaali võimendada.

Näiteks kui võimendi on määratud töötlema 1-voldine sisendsignaal 50-voldiseks võimendatud signaaliks, siis me ütleksime, et võimendi võimendus on 50, see on sama lihtne.
Seda madala sisendsignaali võimendamist kõrgema väljundsignaalina nimetatakse saada võimendi. Teise võimalusena võib seda mõista kui sisendsignaali suurendamist 50 korda.

Kasumite suhe Seega on võimendi võimendus põhimõtteliselt signaalitasemete väljund- ja sisendväärtuste suhe või lihtsalt väljundvõimsus jagatud sisendvõimsusega ja omistatakse tähega A, mis tähistab ka võimendi võimendusvõimsust.

Võimendi võimenduse tüübid Eri tüüpi võimendi võimendused võib klassifitseerida järgmiselt:

1. Pinge võimendus (väljas)
2. Praegune võimendus (Ai)
3. Võimsuse kasv (Ap)

Valimite näited võimendi kasumi arvutamiseks Sõltuvalt ülaltoodud 3 tüüpi kasumist saab nende arvutamise valemeid õppida järgmistest näidetest:

1. Pinge võimendus (Av) = väljundpinge / sisendpinge = Vout / Vin
2. Voolutugevus (Ai) = väljundvool / sisendvool = Iout / Iin
3. Võimsuse kasv (Ap) = keskm i

Võimsuse kasvu arvutamiseks võite alternatiivina kasutada ka valemit:
Võimsuse kasv (Ap) = väljundvõimsus / sisendvõimsus = välja / Ain

Oluline oleks märkida, et alaindeks p, v, st kasutatakse võimsuse arvutamiseks, et tuvastada konkreetne signaali võimenduse tüüp, millega töötatakse.

Detsibellide väljendamine

Leiate veel ühe meetodi võimendi võimsuse suurenemise väljendamiseks, mis on detsibellides või (dB).
Mõõt või suurus Bel (B) on logaritmiline ühik (alus 10), millel puudub mõõtühik.
Detsibel võib siiski olla praktiliseks kasutamiseks liiga suur ühik, seetõttu kasutame võimendi arvutamiseks alandatud versiooni detsibelli (dB).
Siin on mõned valemid, mida saab kasutada võimendi võimenduse mõõtmiseks detsibellides:

1. Pinge suurenemine dB-des: väljas = 20 * log (väljas)
2. Voolutugevus dB-des: ai = 20 * log (Ai)
3. Võimsuse suurenemine dB-des: ap = 10 * log (Ap)

Mõned faktid dB mõõtmise kohta
Oluline oleks märkida, et võimendi alalisvoolutugevus on kümme korda suurem kui väljundi / sisendi suhe, samas kui voolu ja pinge suurenemine on 20 korda suurem kui nende suhe.

See tähendab, et kuna tegemist on logiskaalaga, ei saa 20dB võimendust pidada kahekordseks 10dB-st logiskaalade mittelineaarse mõõtmisomaduse tõttu.

Kui võimendust mõõdetakse dB-des, tähistavad positiivsed väärtused võimendi võimendust, samas kui negatiivne dB-väärtus näitab võimendi võimenduse kadu.

Näiteks kui tuvastatakse + 3dB võimendus, näitab see konkreetse võimendi väljundi kahekordset või x2 võimendust.

Ja vastupidi, kui tulemus on -3dB, näitab see, et võimendi kaotus on 50% või x0,5 kaotusvõime. Seda nimetatakse ka poolvõimsuspunktiks, mis tähendab -3dB madalamat kui maksimaalne saavutatav võimsus, 0dB suhtes, mis on võimendi maksimaalne võimalik väljund

Võimendite arvutamine

Arvutage võimendi pinge, vool ja võimendus järgmiste spetsifikatsioonidega: Sisendsignaal = 10mV @ 1mAVäljundsignaal = 1V @ 10mA. Lisaks saate teada võimendi võimendust detsibellide (dB) väärtuste abil.

Lahendus:

Rakendades ülaltoodud valemeid, saame hinnata võimendiga seotud erinevat tüüpi võimendusi vastavalt käes olevatele sisendväljunditele:

Pinge võimendus (Av) = väljundpinge / sisendpinge = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Voolutugevus (Ai) = väljundvool / sisendvool = Iout / Iin = 10/1 = 10
Võimsuse kasv (Ap) = Av. x A i = 100 x 10 = 1000

Tulemuste saamiseks detsibellides rakendame vastavaid valemeid, nagu allpool esitatud:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Võimendi alajaotised

Väikesed signaalivõimendid: Võimendi võimsuse ja pinge suurenemise näitajate osas on meil võimalik jagada need paariks erinevaks kategooriaks.

Esimest tüüpi nimetatakse väikeseks signaalivõimendiks. Neid väikeseid signaalivõimendeid kasutatakse tavaliselt eelvõimendi etappides, instrumentide võimendites jne.

Seda tüüpi võimendid on loodud minutisiseste signaalitasemete käsitsemiseks nende sisendites, mõne mikrovolti ulatuses, näiteks anduriseadmetest või väikestest helisignaalide sisenditest.

Suured signaalivõimendid: Teist tüüpi võimendeid nimetatakse suurteks signaalivõimenditeks ja nagu nimigi ütleb, kasutatakse neid võimsusvõimendi rakendustes tohutute võimendusvahemike saavutamiseks. Nendes võimendites on sisendsignaal suhteliselt suurem, nii et neid oleks võimatu võimendada võimsate valjuhääldite taasesitamiseks ja juhtimiseks.

Kuidas võimsusvõimendid töötavad

Kuna väikesed signaalivõimendid on ette nähtud väikeste sisendpingete töötlemiseks, nimetatakse neid väikesteks signaalivõimenditeks. Kui aga võimendi on vaja töötama suure väljundvoolu rakendustega, näiteks mootori või subwooferite abil, muutub võimsusvõimendi vältimatuks.

Kõige populaarsem on see, et võimsusvõimendeid kasutatakse helivõimenditena suurte valjuhääldite juhtimiseks ning tohutute muusikataseme võimenduste ja helitugevuse saavutamiseks.

Võimsusvõimendi tööks on vaja välist alalisvoolu ja seda alalisvõimsust kasutatakse nende väljundis kavandatud suure võimsusega võimenduse saavutamiseks. Alalisvoolu võimsus saadakse tavaliselt kõrgvoolu kõrgepinge toiteallikate kaudu trafode või SMPS-põhiste seadmete kaudu.

Kuigi võimsusvõimendid on võimelised suurendama madalamat sisendsignaali kõrgeks väljundiks, ei ole see protseduur tegelikult eriti tõhus. Sellepärast, et selle käigus raisatakse märkimisväärne osa alalisvoolu soojuse hajutamise näol.

Me teame, et ideaalne võimendi annaks väljundi, mis oleks peaaegu võrdne tarbitud võimsusega, mille tulemuseks oleks 100% efektiivsus. Kuid praktiliselt tundub see üsna kauge ja võib-olla pole see teostatav, kuna elektriseadmetele on omane alalisvoolu kadu soojusena.

Võimendi efektiivsus Ülaltoodud kaalutlustest võime väljendada võimendi efektiivsust järgmiselt:

Efektiivsus = võimendi väljundvõimsus / võimendi alalisvoolu tarbimine = Pout / Pin

Ideaalne võimendi

Viidates ülaltoodud arutelule, võib meil olla võimalik visandada ideaalse võimendi peamised omadused. Need on konkreetselt järgmised:

Ideaalvõimendi võimendus (A) peaks olema konstantne olenemata erinevast sisendsignaalist.

1. Võimendus jääb konstantseks sõltumata sisendsignaali sagedusest, võimaldades väljundi võimendust mõjutada.
2. Võimendi väljundis pole võimendusprotsessi ajal mingit müra, vastupidi, see sisaldab müra vähendamise funktsiooni, mis tühistab võimaliku sisendallika kaudu tekitatud müra.
3. Ümbritseva õhu või atmosfääri temperatuuri muutused ei mõjuta seda.
4. Pikaajalisel kasutamisel on võimendi jõudlusele minimaalne mõju või puudub see üldse ja see jääb püsivaks.

Elektroonilise võimendi klassifikatsioon

Ükskõik, kas see on pingevõimendi või võimsusvõimendi, liigitatakse need sisend- ja väljundsignaali omaduste põhjal. Seda tehakse, analüüsides voolu voogu sisendsignaali signaali ja selle väljundini jõudmiseks kuluva aja suhtes.

Nende vooluahela konfiguratsiooni põhjal saab võimsusvõimendeid kategoriseerida tähestikulises järjekorras. Neile määratakse erinevad operatsiooniklassid, näiteks:

A-klass
B-klass
C-klass
Klass 'AB' ja nii edasi.

Nende omadused võivad varieeruda peaaegu lineaarsest väljundreaktsioonist, kuid üsna madalast efektiivsusest kuni mittelineaarse suure efektiivsusega väljundreaktsioonini.

Ühtegi neist võimendite klassidest ei saa eristada üksteisest viletsamate või parematena, kuna mõlemal on nõudest sõltuvalt oma konkreetne rakendusala.

Kõigi nende jaoks võite leida optimaalse teisendustõhususe ja nende populaarsuse saab kindlaks teha järgmises järjekorras:

A-klassi võimendid: efektiivsus on madalam, tavaliselt alla 40%, kuid võib näidata paremat lineaarset signaali väljundit.

B-klassi võimendid: Efektiivsus võib olla A-klassi omast kaks korda suurem, praktiliselt umbes 70%, kuna energiat tarbivad ainult võimendi aktiivsed seadmed, mis tarbivad energiat vaid 50%.

AB-klassi võimendid: selle kategooria võimendite efektiivsuse tase on kuskil A-klassi ja B-klassi vahel, kuid signaali taasesitamine on A-klassiga võrreldes kehvem.

C-klassi võimendid: neid peetakse energiatarbimise seisukohast erakordselt tõhusaks, kuid signaali taasesitamine on kõige halvem ja palju moonutusi, põhjustades sisendsignaali omaduste väga halba replikatsiooni.

Kuidas A-klassi võimendid töötavad:

A-klassi võimenditel on aktiivpiirkonnas ideaalselt kallutatud transistorid, mis võimaldab sisendsignaali väljundis täpselt võimendada.

Tänu sellele täiuslikule kallutamisfunktsioonile ei lubata transistoril kunagi triivida nende äralõigatud või küllastunud piirkondade poole, mille tulemusel signaali võimendus on õigesti optimeeritud ja tsentreeritud signaali ülemise ja alumise piirangu vahele, nagu on näidatud järgmises pilt:

A-klassi konfiguratsioonis rakendatakse väljundlaine kahele poolele ühesuguseid transistorite komplekte. Ja sõltuvalt sellest, millist eelarvamust see rakendab, renderdatakse väljundvõimsuse transistorid alati sisselülitatud asendis, olenemata sellest, kas sisendsignaal on rakendatud või mitte.

Seetõttu saavad A-klassi võimendid energiatarbimise seisukohast äärmiselt kehva efektiivsuse, kuna seadme hajumise kaudu tekkiva üleliigse raiskamise tõttu on energia tegelik tarnimine väljundisse takistatud.

Eespool selgitatud olukorra korral võib klassi võimenditel näha, et väljundvõimsusega transistorid on alati üle kuumenenud isegi sisendsignaali puudumisel.

Isegi kui sisendsignaali pole, lastakse toiteallikast alalisvoolul (Ic) voolata läbi toitetransistoride, mis võib olla võrdne valjuhääldi kaudu voolava vooluga, kui sisendsignaal oli olemas. See toob kaasa pidevad 'kuumad' transistorid ja energia raiskamise.

B-klassi võimendi töö

Erinevalt A-klassi võimendi konfiguratsioonist, mis sõltub ühest võimsustransistorist, kasutab klass B ahela mõlemas pooles paari täiendavaid BJT-sid. Need võivad olla kujul NPN / PNP või N-kanaliga mosfet / P-kanaliga mosfet).

Siin lastakse ühel transistoridel juhtida vastusena sisendsignaali ühele poolele lainekuju tsüklile, samal ajal kui teine ​​transistor tegeleb lainekuju teise poole tsükliga.

See tagab, et iga transistor paaris juhib pool ajast aktiivses piirkonnas ja pool ajast eraldatud piirkonnas, võimaldades seega signaali võimendamisel osaleda ainult 50% ulatuses.

Erinevalt A-klassi võimenditest ei ole B-klassi võimendites toitetransistoreid otsese alalisvooluga, selle asemel tagab konfiguratsioon nende juhtimise ainult siis, kui sisendsignaal läheb kõrgemaks kui emitteri baaspinge, mis võib ränist BJT-de korral olla umbes 0,6 V.

See tähendab, et kui sisendsignaali pole, jäävad BJT-d välja ja väljundvool on null. Seetõttu lubatakse ainult 50% sisendsignaalist igal juhul väljundisse siseneda, võimaldades nende võimendite jaoks palju paremat kasutegurit. Tulemust saab näha järgmiselt diagrammilt:

Kuna B-klassi võimendite võimsustransistoride kallutamisel ei ole alalisvoolu otsest osalust, muutub juhtivuse algatamiseks vastusena igale poolele +/- lainekuju tsüklile nende baasi / emitteri jaoks hädavajalik Vbe suurema potentsiaali saamiseks kui 0,6 V (BJT-de standardne baasväärtus)

Eeltoodud asjaolu tõttu tähendab see, et kuigi väljundlaine on alla 0,6 V märgi, ei saa seda võimendada ja taasesitada.

See tekitab väljundi lainekuju jaoks moonutatud piirkonna just sel perioodil, kui üks BJT-d lülitatakse välja ja ootab, kuni teine ​​uuesti sisse lülitub.

Selle tulemuseks on lainekuju väike lõik ristmiku ajal või üleminekuperioodil nullpunkti lähedal väikeste moonutustega, täpselt siis, kui üleminek ühelt transistorilt teisele toimub komplementaarsete paaride ulatuses.

AB klassi võimendi töö

AB-klassi võimendi ehitamisel kasutatakse A- ja B-klassi vooluahela disainilahenduste f omadusi, sellest ka nimi AB.

Kuigi AB-klassi disain töötab ka paari täiendavate BJT-dega, tagab väljundjärk sisendsignaali puudumisel võimsuse BJT-de kallutamise piiramise künnise lähedal.

Selles olukorras, niipea kui sisendsignaal on tajutud, töötavad negintransistorid oma aktiivses piirkonnas normaalselt, takistades seega ristmoonutuste tekkimise võimalust, mis on tavaliselt levinud B-klassi konfiguratsioonides. Siiski võib BJT-de vahel juhtida vähest kogujavoolu, mida võib pidada tühiseks võrreldes A-klassi konstruktsioonidega.

AB-klassi võimendi efektiivsusmäär ja lineaarne reageerimine on vastupidiselt klassi A analoogile palju parem.

AB klassi võimendi väljundi lainekuju

Võimendi klass on oluline parameeter, mis sõltub võimendusprotsessi rakendamiseks transistoride sisendsignaali amplituudist kallutamisest.

See sõltub sellest, kui palju sisendsignaali lainekuju suurust kasutatakse transistoride juhtimiseks, ja ka tõhusustegurit, mille määrab väljundi edastamiseks tegelikult kasutatud ja / või hajutamise teel raisatud võimsuse hulk.

Nende tegurite osas saame lõpuks luua võrdlusaruande, mis näitab erinevates võimendiklassides erinevusi, nagu on esitatud järgmises tabelis.

Seejärel saame järgmises tabelis võrrelda kõige tavalisemate võimendite klassifikatsioonide tüüpe.

Võimendi klassid

Lõpumõtted

Kui võimendi ei ole õigesti konstrueeritud, nagu näiteks A-klassi võimendi konstruktsioon, võib operatsioonide jaoks nõuda elektriseadmetel märkimisväärset jahutust ja jahutusventilaatoreid. Sellised konstruktsioonid vajavad ka suuremat toiteallika sisendit, et kompenseerida tohutut soojuses raisatud energiat. Kõik sellised puudused võivad muuta sellised võimendid väga ebaefektiivseteks, mis omakorda võib põhjustada seadmete järkjärgulist riknemist ja lõpuks tõrkeid.

Seetõttu võib olla soovitav valida B-klassi võimendi, mis on kavandatud suurema efektiivsusega, umbes 70%, erinevalt 40% -st A-klassi võimendist. Nagu öeldud, võib A-klassi võimendi lubada lineaarsemat vastust koos oma võimenduse ja laiema sagedusreaktsiooniga, ehkki sellega kaasneb märkimisväärne elektrienergia raiskamise hind.