Elektroniniai stiprintuvai pramoninėje elektronikoje

Tai įrenginiai, skirti stiprinti elektros signalo įtampą, srovę ir galią.

Paprasčiausias stiprintuvas yra tranzistoriaus grandinė. Stiprintuvai naudojami dėl to, kad dažniausiai į elektroninius prietaisus patenkantys elektriniai signalai (įtampos ir srovės) yra mažos amplitudės ir būtina juos padidinti iki reikiamos vertės, kurios pakaktų tolesniam naudojimui (konvertavimui, perdavimui, apkrovos maitinimui). ).

1 paveiksle pavaizduoti įrenginiai, reikalingi stiprintuvui valdyti.

1 pav. – Stiprintuvo aplinka

Įkrovus stiprintuvą išsiskirianti galia yra konvertuota jo maitinimo šaltinio galia, o įvesties signalas jį tik varo. Stiprintuvai maitinami nuolatinės srovės šaltiniais.

Paprastai stiprintuvas susideda iš kelių stiprinimo pakopų (2 pav.). Pirmieji stiprinimo etapai, daugiausia skirti stiprinti signalo įtampą, vadinami išankstiniais stiprintuvais. Jų grandinės nustatomos pagal įvesties signalo šaltinio tipą.

Pakopa, skirta sustiprinti signalo galią, vadinama terminalu arba išėjimu.Jų schema nustatoma pagal apkrovos tipą. Taip pat stiprintuve gali būti tarpinių pakopų, skirtų gauti reikiamą stiprinimą ir (arba) suformuoti būtinas sustiprinto signalo charakteristikas.

2 pav. Stiprintuvo struktūra

Stiprintuvo klasifikacija:

1) priklausomai nuo sustiprinto parametro, įtampos, srovės, galios stiprintuvų

2) pagal sustiprintų signalų pobūdį:

• harmoninių (nepertraukiamų) signalų stiprintuvai;

• impulsinių signalų stiprintuvai (skaitmeniniai stiprintuvai).

3) sustiprintų dažnių diapazone:

• Nuolatinės srovės stiprintuvai;

• Kintamosios srovės stiprintuvai

• žemo dažnio, aukšto, itin aukšto ir kt.

4) pagal dažnio atsako pobūdį:

• rezonansinis (stiprinti signalus siauroje dažnių juostoje);

• juostos pralaidumas (stiprina tam tikrą dažnių juostą);

• plačiajuostis (stiprina visą dažnių diapazoną).

5) pagal armatūros elementų tipą:

• elektrinės vakuuminės lempos;

• puslaidininkiniuose įrenginiuose;

• ant integrinių grandynų.

Renkantis stiprintuvą, išeikite iš stiprintuvo parametrų:

• išėjimo galia matuojama vatais. Išėjimo galia labai skiriasi priklausomai nuo stiprintuvo paskirties, pavyzdžiui, garso stiprintuvuose – nuo ​​milivatų ausinėse iki dešimčių ir šimtų vatų garso sistemose.

• Dažnių diapazonas, matuojamas hercais. Pavyzdžiui, tas pats garso stiprintuvas paprastai turėtų stiprinti 20–20 000 Hz dažnių diapazone, o televizijos signalo stiprintuvas (vaizdas + garsas) – 20 Hz – 10 MHz ir didesnis.

• Netiesinis iškraipymas, matuojamas procentais. Jis apibūdina sustiprinto signalo formos iškraipymą. Paprastai kuo mažesnis nurodytas parametras, tuo geriau.

• Efektyvumas (efektyvumo koeficientas) matuojamas procentais.Rodo, kiek energijos iš maitinimo šaltinio sunaudojama energijai išsklaidyti į apkrovą. Faktas yra tas, kad dalis šaltinio galios yra švaistoma, daugiausia tai yra šilumos nuostoliai - srovės srautas visada sukelia medžiagos kaitinimą. Šis parametras ypač svarbus savarankiškai maitinamiems įrenginiams (iš akumuliatorių ir baterijų).

3 paveiksle parodyta tipiška bipolinio tranzistoriaus išankstinio stiprintuvo grandinė. Įvesties signalas gaunamas iš įtampos šaltinio Uin. Blokuojantys kondensatoriai Cp1 ir Cp2 perduoda kintamąjį ty. sustiprintas signalas ir nepraleidžia nuolatinės srovės, todėl galima sukurti nepriklausomus nuolatinės srovės veikimo režimus nuosekliai sujungtose stiprintuvo pakopose.

3 pav. Dvipolio tranzistoriaus stiprintuvo pakopos diagrama

Rezistoriai Rb1 ir Rb2 yra pagrindinis daliklis, tiekiantis paleidimo srovę į tranzistoriaus Ib0 pagrindą, rezistorius Rk suteikia paleidimo srovę kolektoriaus Ik0. Šios srovės vadinamos laminarinėmis srovėmis. Jei nėra įvesties signalo, jie yra pastovūs. 4 paveiksle parodytos stiprintuvo laiko diagramos. Laiko grafikas yra parametro pasikeitimas laikui bėgant.

Rezistorius Re suteikia neigiamą srovės grįžtamąjį ryšį (NF). Grįžtamasis ryšys (OC) – tai dalies išėjimo signalo perdavimas į stiprintuvo įvesties grandinę. Jei įvesties signalo ir grįžtamojo ryšio signalo fazė yra priešinga, grįžtamasis ryšys yra neigiamas. OOS sumažina stiprinimą, bet tuo pačiu sumažina harmoninius iškraipymus ir padidina stiprintuvo stabilumą. Jis naudojamas beveik visuose stiprintuvuose.

Rezistorius Rf ir kondensatorius Cf yra filtro elementai.Kondensatorius Cf sudaro mažos varžos grandinę kintamajai srovės, kurią stiprintuvas suvartoja iš šaltinio Up, komponentui. Filtravimo elementai būtini, jei iš šaltinio tiekiami keli stiprintuvo šaltiniai.

Kai įvedamas įvesties signalas Uin, įvesties grandinėje atsiranda srovė Ib ~, o išėjime Ik ~. Įtampos kritimas, kurį sukuria srovė Ik ~ per apkrovą Rn, bus sustiprintas išėjimo signalas.

Iš laikinų įtampų ir srovių diagramų (3 pav.) matyti, kad įėjimo Ub ~ ir išėjimo Uc ~ = U kaskados įtampų kintamieji komponentai yra priešfaziniai, t.y. OE tranzistoriaus stiprinimo pakopa keičia (invertuoja) įvesties signalo fazę priešinga kryptimi.

4 pav. Srovių ir įtampų laiko diagramos dvipolio tranzistoriaus stiprintuvo pakopoje

Operacinis stiprintuvas (OU) yra nuolatinės srovės / kintamosios srovės stiprintuvas, turintis didelį stiprinimą ir gilų neigiamą grįžtamąjį ryšį.

Tai leidžia įdiegti daugybę elektroninių prietaisų, tačiau tradiciškai vadinamas stiprintuvu.

Galime pasakyti, kad operaciniai stiprintuvai yra visos analoginės elektronikos pagrindas. Platus operacinių stiprintuvų naudojimas siejamas su jų lankstumu (galimybe jų pagrindu kurti įvairius elektroninius įrenginius, tiek analoginius, tiek impulsinius), plačiu dažnių diapazonu (DC ir AC signalų stiprinimas), pagrindinių parametrų nepriklausomumu nuo išorinio destabilizavimo. veiksniai (temperatūros pokytis, maitinimo įtampa ir kt.). Dažniausiai naudojami integruoti stiprintuvai (IOU).

Žodžio „operatyvinis“ buvimas pavadinime paaiškinamas galimybe, kad šie stiprintuvai gali atlikti daugybę matematinių operacijų – sudėties, atimties, diferencijavimo, integravimo ir kt.

5 paveiksle pavaizduotas UGO IEE.Stiprintuvas turi du įėjimus - pirmyn ir atgal bei vieną išėjimą. Kai įvesties signalas nukreipiamas į neinvertuojančią (tiesioginę) įvestį, išėjimo signalo poliškumas (fazė) yra toks pat – 5 pav., a.

5 pav. Įprasti grafiniai operacinių stiprintuvų žymėjimai

Naudojant invertuojamąjį įvestį, išėjimo signalo fazė bus pasislinkusi 180 ° įvesties signalo fazės atžvilgiu (poliarumas pakeistas) — 6 pav., b. Atvirkštiniai įėjimai ir išėjimai apibraukti.

6 pav. Operatyvinio stiprintuvo laiko diagramos: a) – neinvertuojantis, b) – invertuojantis

Kai įtampa yra taikoma tapetui, išėjimo įtampa yra proporcinga skirtumui tarp įėjimo įtampų. Šie. invertuojantis įvesties signalas priimamas su «-« ženklu. Uout = K (Uneinv - Uinv), kur K yra padidėjimas.

7 pav. Operatyvinio stiprintuvo amplitudės charakteristika

Operatyvinis stiprintuvas maitinamas dvipoliu šaltiniu, dažniausiai +15V ir -15V. Taip pat leidžiamas vienpolis maitinimo šaltinis. Likusios IOU išvados nurodytos taip, kaip jos naudojamos.

Operatyvinio stiprintuvo veikimas paaiškinamas amplitudės charakteristika - 8 pav. Charakteristikoje galima išskirti tiesinę sekciją, kurioje išėjimo įtampa didėja proporcingai didėjant įėjimo įtampai, ir dvi soties U + dalis. sėdėjo ir U- sat. Esant tam tikram įėjimo įtampos Uin.max dydžiui, stiprintuvas pereina į soties režimą, kuriame išėjimo įtampa įgauna didžiausią vertę (esant Up = 15 V, apytiksliai Uns = 13 V) ir lieka nepakitusi. įvesties signalo padidėjimas. Sodrumo režimas naudojamas impulsiniuose įrenginiuose, pagrįstuose operaciniais stiprintuvais.

Galios stiprintuvai naudojami paskutiniuose stiprinimo etapuose ir yra skirti sukurti reikiamą galią apkrovoje.

Pagrindinė jų savybė yra darbas esant dideliam įvesties signalo lygiui ir didelėms išėjimo srovėms, todėl reikia naudoti galingus stiprintuvus.

Stiprintuvai gali veikti A, AB, B, C ir D režimais.

A režimu stiprintuvo įrenginio (tranzistoriaus arba elektroninio vamzdžio) išėjimo srovė yra atvira visą sustiprinto signalo laikotarpį (ty nuolat) ir juo teka išėjimo srovė. A klasės galios stiprintuvai įveda minimalų sustiprinto signalo iškraipymą, tačiau turi labai mažą efektyvumą.

B režimu išėjimo srovė yra padalinta į dvi dalis, vienas stiprintuvas sustiprina teigiamą signalo pusbangį, antrasis neigiamas. Dėl to didesnis efektyvumas nei A režime, bet ir dideli netiesiniai iškraipymai, atsirandantys tranzistorių perjungimo momentu.

AB režimas kartoja B režimą, tačiau perėjimo iš vienos pusės bangos į kitą momentu abu tranzistoriai yra atviri, o tai leidžia sumažinti iškraipymus išlaikant aukštą efektyvumą. AB režimas yra labiausiai paplitęs analoginiams stiprintuvams.

Režimas C naudojamas tais atvejais, kai stiprinant nėra bangos formos iškraipymo, nes stiprintuvo išėjimo srovė teka trumpiau nei pusę periodo, o tai, žinoma, sukelia didelius iškraipymus.

D režimas naudoja įvesties signalų konvertavimą į impulsus, tuos impulsus sustiprina ir konvertuoja atgal.Šiuo atveju išvesties tranzistoriai veikia rakto režimu (tranzistorius yra visiškai uždarytas arba visiškai atidarytas), todėl stiprintuvo efektyvumas priartėja prie 100% (AV režimu efektyvumas neviršija 50%). D režimu veikiantys stiprintuvai vadinami skaitmeniniais stiprintuvais.

Stūmimo grandinėje stiprinimas (B ir AB režimai) vyksta dviem laikrodžio ciklais. Pirmosios pusės ciklo metu įvesties signalas sustiprinamas vienu tranzistoriumi, o kitas per šį pusciklą ar jo dalį uždaromas. Antroje ciklo pusėje signalą sustiprina antrasis tranzistorius, o pirmasis išjungiamas.

Tranzistoriaus stiprintuvo slankioji grandinė parodyta 8 pav. Tranzistoriaus pakopa VT3 stumia išėjimo tranzistorius VT1 ir VT2. Rezistoriai R1 ir R2 nustato pastovų tranzistorių veikimo režimą.

Atėjus neigiamam pusbangiui Uin, kolektoriaus srovė VT3 didėja, todėl tranzistorių VT1 ir VT2 bazėse padidėja įtampa. Šiuo atveju VT2 užsidaro ir per VT1 kolektoriaus srovė praeina per grandinę: + Aukštyn, perėjimas K-E VT1, C2 (įkrovimo metu), Rn, korpusas.

Kai ateina teigiama pusbanga, Uin VT3 užsidaro, dėl to sumažėja įtampa tranzistorių VT1 ir VT2 bazėse - VT1 užsidaro, o per VT2 per grandinę teka kolektoriaus srovė: + C2, perėjimas EK VT2 , atvejis, Rn, -C2 . T

Taip užtikrinama, kad per apkrovą tekėtų abiejų įėjimo įtampos pusbangių srovė.

8 pav. Galios stiprintuvo schema

D režimu stiprintuvai veikia su impulsų pločio moduliacija (PWM)… Įvesties signalas moduliuoja stačiakampiai impulsaikeičiant jų trukmę.Tokiu atveju signalas paverčiamas tos pačios amplitudės stačiakampiais impulsais, kurių trukmė proporcinga signalo reikšmei bet kuriuo laiko momentu.

Impulsų seka tiekiama į tranzistorių (-ius) sustiprinti. Kadangi sustiprintas signalas yra impulsinis, tranzistorius veikia rakto režimu. Veikimas rakto režimu yra susijęs su minimaliais nuostoliais, nes tranzistorius yra arba uždarytas, arba visiškai atidarytas (turi minimalų pasipriešinimą). LPF) ir paduodamas į krovinį.

9 pav. D klasės stiprintuvo blokinė schema

D klasės stiprintuvai naudojami nešiojamųjų kompiuterių garso sistemose, mobiliuosiuose ryšiuose, variklio valdymo įrenginiuose ir kt.

Šiuolaikiniai stiprintuvai pasižymi plačiu integrinių grandynų naudojimu.