Ojačevalnik je dvovratna elektronska naprava, ki se uporablja za ojačanje signala ali povečanje moči signala s pomočjo napajalnika. Napajanje se napaja preko vhodnega priključka ojačevalnika. Izhod ojačevalnika je lahko povečana amplituda itd.
Ojačanje ojačevalnika določa njegovo ojačanje. To je glavni dejavnik, ki določa izhod naprave. Ojačevalniki se uporabljajo v skoraj vseh vrstah elektronskih komponent. Dobiček se izračuna kot razmerje med izhodnim parametrom (moč, tok ali napetost) in vhodnim parametrom.
Ojačevalniki se uporabljajo v različnih aplikacijah, kot so avtomatizacija, pomorstvo, senzorji itd. Povečanje moči ojačevalnika je na splošno večje od ena. Razumejmo nekaj osnovnih značilnosti idealnega ojačevalnika.
Tukaj bomo razpravljali idealen ojačevalnik, vrste ojačevalnikov, lastnosti, funkcije, in aplikacije ojačevalnikov .
Začnimo.
Idealen ojačevalec
Oglejmo si značilnosti idealnega ojačevalnika, ki so navedene spodaj:
- Vhodna impedanca: Neskončno
- Izhodna impedanca: Nič
- Dobiček pri različnih frekvencah: Popravljeno
Vhodna vrata ojačevalnika so lahko napetostni ali tokovni vir. Vir napetosti je odvisen le od vhodne napetosti in ne sprejema toka. Podobno tokovni vir sprejme tok in ne sprejme napetosti. Izhod bo sorazmeren z napetostjo ali tokom skozi vrata.
Izhod idealnega ojačevalnika je lahko odvisen vir toka ali odvisen vir napetosti. Upornost vira odvisnega vira napetosti je nič, medtem ko je upor odvisnega vira toka neskončen.
Napetost ali tok odvisnega vira je odvisen samo od vhodne napetosti ali toka. To pomeni, da bo izhodna napetost odvisna od vhodne napetosti, izhodni tok pa bo odvisen od neodvisnega napetostnega vira vhodnega toka oziroma tokovnega vira.
10 od 100
Idealni ojačevalniki so nadalje kategorizirani kot CCCS (Vir tokovnega nadzora toka), CCVS (Vir tokovne krmilne napetosti), VCVS (Vir napetosti nadzora napetosti) in VCCS (Vir toka krmiljenja napetosti).
Vhodna impedanca CCVS in CCCS je nič, medtem ko sta VCCS in VCVS neskončna. Podobno je izhodna impedanca CCCS in VCCS neskončna, medtem ko je izhodna impedanca CCVS in VCVS nič.
Vrste ojačevalcev
Pogovorimo se o različnih vrstah ojačevalnikov.
Operacijski ojačevalniki
Operacijski ojačevalniki ali operacijski ojačevalniki so direktno sklopljeni (DC) ojačevalniki z visokim ojačenjem, ki izvajajo različne matematične operacije, kot so seštevanje, diferenciacija, odštevanje, integracija itd.
Ima dva vhodna in en izhodni terminal. Vhodne sponke imenujemo invertirne in neinvertirne sponke. Signal, uporabljen na invertirajočem priključku, bo prikazan kot fazno obrnjen, signal, uporabljen na neinvertirajočem priključku, pa se prikaže brez inverzije faze na izhodnem priključku.
Napetost, uporabljena na invertiranem vhodu, je predstavljena kot V-, napetost na neinvertiranem vhodu pa kot V+.
Opomba: Izhodna impedanca in odmik idealnega operacijskega ojačevalnika sta 0. Ojačanje napetosti, vhodna impedanca in pasovna širina idealnega operacijskega ojačevalnika so neskončni.
Operacijski ojačevalniki so nadalje kategorizirani kot invertirajoči in neinvertirajoči ojačevalniki. Oglejmo si podrobneje zgornji dve vrsti operacijskih ojačevalnikov.
Aplikacije
Operacijski ojačevalniki se uporabljajo v različnih aplikacijah v elektroniki. na primer
- Filtri
- Primerjalnik napetosti
- Integrator
- Pretvornik toka v napetost
- Poletni ojačevalec
- Fazni zamik
Spodaj je prikazan invertni in neinvertirani vhod ojačevalnika:
Invertni ojačevalnik
Spodaj je prikazan invertni ojačevalnik:
To je konfiguracija povratne informacije napetostnega šanta operacijskega ojačevalnika. Napetost signala, uporabljena na obračalnem vhodu operacijskega ojačevalnika, povzroči pretok toka I1 v operacijski ojačevalnik. Vemo, da je vhodna impedanca operacijskega ojačevalnika neskončna. Ne bo dovolil, da tok teče v ojačevalnik. Tok bo tekel skozi izhodno zanko (skozi upor R2) do izhodnega terminala operacijskega ojačevalnika.
Povečanje napetosti na izhodnem priključku invertirnega ojačevalnika se izračuna kot:
A =Vo/Vs = -R2/R1
Kje,
Vo in Vs sta izhodna in signalna napetost.
Negativni predznak prikazuje, da je izhod ojačevalnika 180 stopinj zunaj faze od vhoda.
Invertni ojačevalnik je eden najpogosteje uporabljanih operacijskih ojačevalnikov. Ima zelo nizke vhodne in izhodne impedance.
Neinvertirajoči ojačevalnik
Neinvertirajoči ojačevalnik je prikazan spodaj:
Zgornja konfiguracija je povratna povezava napetostnega niza. Napetost signala, uporabljena na neinvertiranem vhodu operacijskega ojačevalnika, povzroči pretok toka I1 v operacijski ojačevalnik in tok I2 iz operacijskega ojačevalnika.
naklep intent
Po konceptu navideznega kratkega stika je I1 = I2 in Vx =Vs.
Povečanje napetosti neinvertirajočega ojačevalnika se lahko izračuna kot:
A = A + (R2/R1)
Neinvertirajoči ojačevalniki imajo visoko vhodno in nizko izhodno impedanco. Velja tudi za napetostni ojačevalnik.
DC ojačevalniki
DC ali neposredno sklopljeni ojačevalniki se uporabljajo za ojačanje nizkofrekvenčnih in neposredno sklopljenih signalov. Dve stopnji enosmernega ojačevalnika je mogoče med seboj povezati z uporabo neposredne sklopitve med tema stopnjama.
Neposredna spojka je preprosta in enostavna vrsta povezave. Izračuna se lahko z neposredno povezavo zbiralnika tranzistorja prve stopnje z bazo tranzistorja druge stopnje, omenjeno kot T1 in T2.
Toda ojačevalniki enosmernega toka povzročajo dve težavi, imenovani premikanje nihanja in premikanje ravni. Zasnova diferencialnega ojačevalnika je te težave odpravila. Pogovorimo se o diferencialnem ojačevalniku.
Diferencialni ojačevalniki
Struktura diferencialnega ojačevalnika je rešila problem zanašanja in premika nivoja. Struktura je sestavljena iz dveh BJT (Bipolar Junction Transistor) ojačevalniki, povezani samo prek napajalnih vodov. Imenuje se kot diferencialni ojačevalnik, ker je izhod ojačevalnika razlika med posameznimi vhodi, kot je prikazano spodaj:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Kje,
Vo je izhod, Vi1 in Vi2 pa dva vhoda.
A je ojačanje diferencialnega ojačevalnika.
Zdaj, če
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
Zgornja operacija se imenuje a diferencialni način delovanje. Tukaj so vhodni signali med seboj v nefazi. Takšni signali, ki niso v fazi, so znani kot signali diferenčnega načina (DM).
če,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
V = 0
Ta operacija je znana kot skupni način (CM), ker so vhodni signali v fazi med seboj. Ničelni izhod takšnih signalov kaže, da v ojačevalniku ne bo odmika.
Ojačevalniki moči
Imenujejo se tudi ojačevalniki moči tokovni ojačevalniki . Ti ojačevalniki so potrebni za zvišanje trenutne ravni dohodnega signala, da enostavno poganjajo obremenitve. Vrste ojačevalnikov moči vključujejo zvočne ojačevalnike moči, radiofrekvenčne ojačevalnike moči itd.
Ojačevalniki moči so razvrščeni kot ojačevalniki razreda A, razreda AB, razreda B in razreda C. O razredih ojačevalnikov moči bomo razpravljali kasneje v tej temi.
Ojačevalniki preklopnega načina
Preklopni ojačevalniki so vrsta nelinearnih ojačevalnikov z visokim izkoristkom.
Pogost primer takšne vrste ojačevalnikov so ojačevalniki razreda D.
Instrumentalni ojačevalnik
Instrumentalni ojačevalnik se uporablja v analognih senzorskih in merilnih instrumentih. Poglejmo primer.
Voltmeter, ki se uporablja za merjenje zelo nizkih napetosti, za pravilno delovanje potrebuje instrumentalni ojačevalnik. Ima različne lastnosti, kot so zelo visoko napetostno ojačenje, dobra izolacija, zelo nizek hrup, nizka poraba energije, velika pasovna širina itd.
Negativne povratne informacije
Negativna povratna informacija je ena bistvenih lastnosti za nadzor popačenja in pasovne širine v ojačevalnikih. Primarni namen negativne povratne informacije je zmanjšati dobiček sistema. Del izhoda v nasprotni fazi se vrne nazaj v vhod. Vrednost se nadalje odšteje od vnosa. Pri popačenem izhodnem signalu se izhod s popačenjem vrne nazaj v nasprotni fazi. Odšteje se od vnosa; lahko rečemo, da negativna povratna zveza v ojačevalnikih zmanjša nelinearnosti in neželene signale.
Spodnja slika predstavlja negativne povratne informacije:
S pomočjo negativne povratne zveze je mogoče odpraviti tudi križno popačenje in druge fizične napake. Druge prednosti uporabe negativnih povratnih informacij so razširitev pasovne širine, popravljanje temperaturnih sprememb itd.
Negativna povratna informacija je lahko napetostna negativna povratna informacija ali tokovna negativna povratna informacija. V obeh primerih je povratna napetost napetosti ali toka sorazmerna z izhodom.
Ne smemo zamenjati pozitivnih in negativnih povratnih informacij. Pozitivne povratne informacije ponavadi povečajo spremembo, medtem ko negativne povratne informacije ponavadi zmanjšajo spremembo. Druga razlika je, da sta vhodni in izhodni signal v pozitivni povratni zvezi v fazi in se seštevata. V primeru negativne povratne zveze sta vhodni in izhodni signal nefazna in se odštejeta.
Aktivne naprave v ojačevalniku
Ojačevalnik je sestavljen iz nekaterih aktivnih naprav, ki so odgovorne za proces ojačanja. Lahko je en sam tranzistor, vakuumska cev, polprevodniška komponenta ali kateri koli del integriranega vezja.
Pogovorimo se o aktivnih napravah in njihovi vlogi v procesu ojačanja.
BJT
BJT je splošno znan kot a tokovno nadzorovana napravo. Bipolarni spojni tranzistorji se uporabljajo kot stikala za ojačanje toka v ojačevalnikih.
MOSFET
MOSFET oz Polprevodniški tranzistorji s kovinskim oksidom z učinkom polja se običajno uporabljajo pri ojačanju elektronskih signalov. MOSFET-je je mogoče uporabiti za spreminjanje prevodnosti s krmiljenjem napetosti vrat. MOSFET lahko poveča tudi moč šibkega signala. Zato se MOSFET lahko uporablja kot ojačevalnik.
Ojačevalniki z vakuumskimi elektronkami
Vakuumski cevni ojačevalnik uporablja vakuumske cevi kot izvorno napravo. Uporablja se za povečanje amplitude signala. Pod mikrovalovnimi frekvencami so cevne ojačevalnike nadomestili s polprevodniškimi ojačevalniki okoli poznega 19.thstoletja.
Mikrovalovni ojačevalniki
Mikrovalovni ojačevalniki se običajno uporabljajo v mikrovalovnih sistemih. Uporablja se za dvig nivoja vhodnega signala z zelo majhnim popačenjem. Lahko tudi preklopi ali poveča električno moč. Zagotavlja boljši izhod posamezne naprave v primerjavi s polprevodniškimi napravami pri mikrovalovnih frekvencah.
Magnetni ojačevalci
Magnetni ojačevalniki so bili razviti v 20thstoletju, da bi odpravili pomanjkljivosti (visoka tokovna zmogljivost in moč) ojačevalnikov z vakuumskimi cevmi. Magnetni ojačevalniki so podobni tranzistorjem. Nadzoruje magnetno moč jedra tako, da napaja krmilno tuljavo (drugo navijalno tuljavo).
Integrirana vezja
Integrirana vezja lahko vsebujejo več elektronskih naprav, kot so kondenzatorji in tranzistorji. Priljubljenost IC je razširila tudi elektronske naprave po vsem svetu.
Razredi ojačevalnikov moči
Razredi ojačevalnikov moči so razvrščeni kot razred A, razred B, razred AB, in razred C . Pogovorimo se o kratkem opisu razredov ojačevalnikov moči.
java vrne int v niz
Ojačevalniki moči razreda A
Vhod ojačevalnika razreda A je majhen, zaradi česar je majhen tudi izhod. Zato ne proizvaja veliko ojačanja moči. S tranzistorji se lahko uporablja kot napetostni ojačevalnik. Ojačevalniki razreda A z vakuumskimi pentodami lahko zagotovijo tudi eno stopnjo ojačenja moči za pogon bremen, kot so zvočniki.
Ojačevalniki moči razreda B
BJT na splošno zahtevajo močnostne ojačevalnike razreda B za pogon bremen, kot so zvočniki. Vhod ojačevalnikov razreda B je velik, zaradi česar je tudi izhod zelo velik. Tako ustvari veliko ojačanje. Toda v primeru enega samega tranzistorja se ojača samo polovica vhodnega signala.
Ojačevalniki moči razreda AB
Konfiguracija močnostnih ojačevalnikov AB je med ojačevalniki razreda A in razreda B. Ojačevalniki razreda AB so proizvedeni s kombiniranjem visokega izhoda močnostnih ojačevalnikov razreda B z nizkim popačenjem močnostnih ojačevalnikov razreda A.
V primeru majhnih izhodov se lahko ojačevalnik moči razreda AB obnaša kot razred A. V primeru zelo velikih izhodov se lahko obnaša kot ojačevalnik moči razreda B.
Ojačevalniki moči razreda C
Prevodni element močnostnih ojačevalnikov razreda C so tranzistorji. Ima boljši izkoristek, vendar zaradi prevajanja, krajšega od pol cikla, povzroča velika popačenja. Zato močnostni ojačevalniki razreda C niso prednostni v avdio aplikacijah. Običajne uporabe takih ojačevalnikov vključujejo radiofrekvenčna vezja.
Lastnosti ojačevalnika
Ojačevalniki so definirani glede na njihove vhodne in izhodne lastnosti. Ojačanje ojačevalnika določa njegovo ojačanje. Zato sta faktor ojačanja in množenja dve bistveni lastnosti ojačevalnikov.
Pogovorimo se o lastnostih, ki so opredeljene z različnimi parametri, ki so navedeni spodaj:
Dobiček ojačevalnika se izračuna kot razmerje med izhodom (moč, tok ali napetost) in vhodom. Določa ojačanje ojačevalnika. Na primer, signal z vhodno napetostjo 10 voltov in izhodno napetostjo 60 voltov bo imel ojačanje 6.
Dobiček = izhod/vhod
Dobiček = 60/10
Dobiček = 6
Dobiček je izražen v enoti dB (decibelih). Pasivne komponente imajo na splošno ojačenje manjše od ena, medtem ko imajo aktivne komponente ojačenje večje od 1.
Pasovna širina je opredeljena kot širina, izmerjena v Hertz uporabnega frekvenčnega območja.
Frekvenčni razpon - Frekvenčno območje je na splošno določeno glede na frekvenčni odziv ali pasovno širino.
Šum je definiran kot vsak nezaželen signal, ki deluje kot motnja v sistemu.
Večji izkoristek ojačevalnika bi povzročil manjšo proizvodnjo toplote in večjo izhodno moč. Izračuna se kot razmerje med izhodno močjo in izkoriščenostjo celotne moči.
Hitrost obračanja se meri v voltih na mikrosekundo. Opredeljena je kot največja stopnja spremembe proizvodnje. Hitrost padanja nad zvočnim obsegom ojačevalnika bi povzročila manj popačenja in napak.
Opredeljena je kot sposobnost ojačevalnika, da ustvari natančne kopije vhodnega signala.
Ojačevalna vezja morajo biti stabilna pri vseh razpoložljivih frekvencah. Opredeljena je kot sposobnost izogibanja neželenim nihanjem v elektronski napravi.
Funkcije različnih ojačevalnikov
Druge vrste ojačevalnikov imajo drugačne značilnosti. Razpravljajmo o funkciji različnih vrst ojačevalnikov, ki se danes uporabljajo.
- The linearni ojačevalniki ne zagotavljajo popolne linearne zmogljivosti, ker noben ojačevalnik ni popoln. To je zaradi uporabe ojačevalnih naprav, kot so tranzistorji, ki so po naravi nelinearni. Te naprave lahko povzročijo nekaj nelinearnosti. Linearni ojačevalniki so manj nagnjeni k popačenju. To pomeni, da linearni ojačevalniki ustvarjajo manj popačenja.
- Posebej oblikovana avdio ojačevalci lahko poveča zvočno frekvenco.
- Ozkopasovni ojačevalnik ojača v ozkem frekvenčnem pasu, medtem ko širokopasovni ojačevalnik ojača v širokem razponu frekvenc.
- The nelinearni ojačevalniki povzročajo popačenje v primerjavi z linearnimi napravami. Toda nelinearne naprave so še danes v uporabi. Primeri nelinearnih ojačevalnikov so RF (radiofrekvenčni) ojačevalniki itd.
- Struktura logaritemski ojačevalnik proizvede izhod, ki je sorazmeren z logaritemom njegovega vhoda. Vezje je sestavljeno iz dveh diod in dveh operacijskih ojačevalnikov (operacijski ojačevalnik).
Uporaba ojačevalnika
Ojačevalniki se uporabljajo v različnih aplikacijah. Pogovorimo se o tem podrobno.
Sledilec napetosti je znan tudi kot ojačevalnik enotnega ojačanja . Ima zelo veliko vhodno impedanco in zelo nizko izhodno impedanco, kar je osnovni princip medpomnjenje ukrepanje. Inverterski priključek operacijskega ojačevalnika je kratek z izhodnim priključkom.
To pomeni, da je izhod enak vložku. Imenuje se sledilnik napetosti, ker izhod ojačevalnika sledi vhodu.
Sledilnik napetosti ne zagotavlja obremenitvenih učinkov, moči in tokovnega ojačanja, kar so njegove prednosti.
Konstrukcija pretvornika toka v napetost je prikazana spodaj:
Kje,
RT: Termistor ali od svetlobe odvisen upor.
IT: Trenutno
RF: Povratni upor
ČE: Povratni tok
GLAS: Izhodna napetost
Termistor poganja operacijski ojačevalnik v njegovem obračalnem načinu. Sprememba temperature povzroči spremembo upora termistorja. Nadalje spreminja tok, ki teče skozenj. Tok teče v izhod skozi povratni upor kot povratni tok, ki razvija izhodno napetost. Ker je tok termistorja enak povratnemu toku, lahko rečemo, da je izhodna napetost sorazmerna s tokom termistorja.
Tako se vhodni tok pretvori v izhodno napetost.
TWTA in Klistron so pogoste naprave, ki se uporabljajo kot mikrovalovni ojačevalniki. Ojačevalnik potujočih valov (TWTA) zagotavlja dobro ojačanje tudi pri nizkih mikrovalovnih frekvencah. To pomeni, da je TWTA prednostna za ojačitev velike moči. Toda klistroni so bolje nastavljivi v primerjavi s TWTA.
Klistroni se uporabljajo tudi na mikrovalovnih frekvencah za aplikacije z visoko močjo. Vendar pa zagotavlja široko nastavljivo ojačanje v primerjavi s TWTA. V primerjavi s TWTA ima tudi ozko pasovno širino.
Polprevodniške naprave , kot so MOSFET, diode, polprevodniški materiali (silicij, galij itd.), se uporabljajo pri nizki moči in mikrovalovnih frekvencah v različnih aplikacijah. na primer mobilni telefoni, prenosni radiofrekvenčni terminali , itd. V takšnih aplikacijah sta velikost in učinkovitost glavna dejavnika, ki določata njegovo zmogljivost in uporabo. Uporaba polprevodniških naprav v mikrovalovnih ojačevalnikih prav tako zagotavlja široko pasovno širino.
Ojačevalci se uporabljajo v različnih glasbenih inštrumentih, kot so kitare in bobni, za pretvorbo signala iz različnih virov (strune v kitari itd.) v močan elektronski signal (ojačevalnik moči), ki proizvaja zvok. Zvok je dovolj slišen občinstvu ali ljudem v bližini. Izhod nekaterih glasbil je povezan z zvočniki za glasnejši zvok.
Instrumentalni ojačevalci v glasbilih imajo tudi funkcijo uglaševanja signala, ki izvajalcu omogoča spreminjanje tona signala.
Oscilatorska vezja se uporabljajo za ustvarjanje električnih valovnih oblik katere koli želene frekvence, oblike in moči. Uporaba ojačevalnikov v oscilatorjih zagotavlja konstantno izhodno amplitudo in poveča povratno frekvenco.
Ojačevalnik, ki je prisoten v video ojačevalniku, ojača signal, sestavljen iz visokofrekvenčnih komponent. Prav tako preprečuje kakršno koli popačenje. Video ojačevalniki imajo različne pasovne širine glede na kakovost video signala, kot so SDTV, HDTV, 1080pi itd.