Elektronický zesilovač

Zesilovací stupeň - zesilovací stupeň obsahující jeden nebo více zesilovacích prvků, zatěžovací obvody a propojení s předchozími nebo následujícími stupni.

Jako zesilovací prvky se obvykle používají elektronky nebo tranzistory (bipolární, s efektem pole), v některých případech lze použít i bipolární zařízení , např. tunelové diody (využívá se vlastnosti záporného odporu) apod. Polovodičové zesilovací prvky (a někdy i vakuové) nemusí být pouze diskrétní (oddělené), ale i integrované (jako součást mikroobvodů ), často je v jednom mikroobvodu implementován kompletně hotový zesilovač.

Podle způsobu zapnutí zesilovacího prvku existují kaskády se společnou bází, společným emitorem , společným kolektorem ( emitorovým sledovačem ) (pro bipolární tranzistor), se společným hradlem, společným zdrojem, společným kolektorem ( sledovač zdroje) (pro tranzistor s efektem pole) a se společnou mřížkou, společnou katodou, společnou anodou (pro lampy)

• Kaskáda se společným emitorem (zdroj, katoda) - nejběžnější způsob zapnutí, umožňuje zesílit signál pro proud a napětí současně, posouvá fázi o 180 °, to znamená, že je invertující.
• Kaskáda se společnou bází (hradlo, mřížka) - zesiluje pouze v napětí, používá se zřídka, je nejvyšší frekvence, neposouvá fázi.
• Kaskáda se společným kolektorem (odtok, anoda) - nazývaná také sledovač (emitor, zdroj, katoda), zesiluje proud, přičemž napětí signálu zůstává rovné původnímu . Používá se jako vyrovnávací zesilovač . Důležitými vlastnostmi opakovače jsou jeho vysoká vstupní a nízká výstupní impedance , nedochází k fázovému posunu.
• Kaskáda s rozloženou zátěží je kaskáda, která zaujímá mezipolohu mezi spínacím obvodem se společným emitorem a společným kolektorem. Jako varianta stupně s rozloženou zátěží je koncový stupeň koncového zesilovače "dvouzávěsný". Důležitými vlastnostmi jsou pevné napěťové zesílení nastavené prvky obvodu a nízké nelineární zkreslení. Výstupní signál je rozdílový.

Cascode zesilovač  - zesilovač obsahující dva aktivní prvky, z nichž první je zapojen podle společného obvodu emitoru (zdroj, katoda) a druhý - podle společného základního obvodu (brána, mřížka). Cascode zesilovač má vysokou stabilitu a nízkou vstupní kapacitu . Název zesilovače pochází z fráze "CASCade through cathODE" ( anglicky CASCade  to cathODE ) [2]

Zesilovací stupně mohou být jednocyklové a push-pull.

• Jednokoncový zesilovač je zesilovač, ve kterém je vstupní signál přiváděn do vstupního obvodu jednoho zesilovacího prvku nebo jedné skupiny prvků zapojených paralelně.
• Push-pull zesilovač  je zesilovač, ve kterém je vstupní signál přiváděn současně do vstupních obvodů dvou zesilovacích prvků nebo dvou skupin zesilovacích prvků zapojených paralelně, s fázovým posunem o 180°.

Režimy (třídy) výkonných zesilovacích stupňů

Vlastnosti výběru režimu výkonných kaskád jsou spojeny s úkoly zvyšování účinnosti napájení a snižování nelineárních zkreslení. V závislosti na způsobu umístění počátečního pracovního bodu zesilovacího zařízení na statické a dynamické charakteristiky se rozlišují následující režimy zesílení

• Režim A

• Režim B

• Režim B, kaskáda push-pull

• Režim C

• Úhly přerušení signálu půlvlny v různých režimech

Klasifikace

Analogové zesilovače a digitální zesilovače

• V analogových zesilovačích je analogový vstupní signál bez digitální konverze zesílen analogovými zesilovacími stupni. Výstupní analogový signál bez digitální konverze je přiváděn do analogové zátěže.
• V digitálních zesilovačích, po analogovém zesílení vstupního analogového signálu analogovými zesilovacími stupni na hodnotu dostatečnou pro analogově-digitální převod analogově-digitálním převodníkem (ADC, ADC), analogově-digitální převod přechází analogová hodnota (napětí) na digitální hodnotu - číslo (kód), odpovídající hodnotě napětí vstupního analogového signálu. Digitální hodnota (číslo, kód) je buď přímo přiváděna přes zesilovací stupně řízení vyrovnávací paměti do akčního členu digitálního výstupu, nebo je přiváděna do výkonného digitálně-analogového převodníku (DAC, DAC), jehož výkonný analogový výstupní signál je přiváděn do analogového výstupní akční člen.

Typy zesilovačů podle základny prvků

• Ventilový zesilovač ( angl.  Valve zesilovač ) - zesilovač, jehož zesilovacími prvky jsou elektronky
• Polovodičový zesilovač je zesilovač, jehož zesilovacími prvky jsou polovodičová zařízení (tranzistory, mikroobvody atd.)
• Hybridní zesilovač - zesilovač, jehož část kaskád je sestavena na lampách, část - na polovodičích
• Kvantový zesilovač  je zařízení pro zesilování elektromagnetických vln stimulovanou emisí excitovaných atomů, molekul nebo iontů.

Typy zesilovačů podle frekvenčního rozsahu

• DC zesilovač (UPT) - zesilovač vstupních napětí nebo proudů, jehož spodní mezní frekvence je rovna nule. Uplatňuje se v automatických zařízeních , měřicí a analogové výpočetní technice .
• Nízkofrekvenční zesilovač (ULF, audiofrekvenční zesilovač, UZCH) - zesilovač určený pro provoz v audiofrekvenčním rozsahu (někdy též spodní část ultrazvuku, do 200 kHz). Používá se především v technice záznamu zvuku, reprodukce zvuku, dále v automatizaci, měření a analogových výpočtech.
• Vysokofrekvenční zesilovač (UHF, radiofrekvenční zesilovač, URF) - zesilovač signálu na rádiových frekvencích. Používá se především v rádiových přijímačích a rádiových vysílačích v radiokomunikacích , rozhlasovém a televizním vysílání, radaru , radionavigaci a radioastronomii , jakož i v měřicí technice a automatizaci
• Pulzní zesilovač - zesilovač určený k zesilování proudových nebo napěťových impulsů s minimálním zkreslením jejich tvaru. Vstupní signál se mění tak rychle, že přechodové jevy v zesilovači jsou rozhodující pro nalezení výstupního tvaru vlny. Hlavní charakteristikou je přenosová charakteristika zesilovače. Spínané zesilovače mají velmi velkou šířku pásma: horní mezní frekvence je několik set kilohertzů - několik megahertzů, spodní mezní frekvence je obvykle od nula hertzů, ale někdy od několika desítek hertzů, v takovém případě je konstantní složka na výstup zesilovače je uměle obnoven. Pro přesnou reprodukci tvaru pulsu musí mít zesilovače velmi nízké fázové a dynamické zkreslení. Protože je vstupní napětí v takových zesilovačích zpravidla odebíráno z modulátorů šířky pulzů (PWM), jejichž výstupní výkon je desítky miliwattů , musí mít velmi vysoký výkonový zisk. Používají se v pulzních zařízeních radarových, radionavigačních, automatizačních a měřicích zařízení.

Typy zesilovačů podle frekvenčního pásma

• Širokopásmový (aperiodický) zesilovač - zesilovač, který dává stejný zisk v širokém frekvenčním rozsahu
• Pásmový zesilovač - zesilovač, který pracuje na pevné průměrné frekvenci spektra signálu a přibližně rovnoměrně zesiluje signál v daném frekvenčním pásmu
• Selektivní zesilovač - zesilovač, jehož zisk je maximální v úzkém frekvenčním rozsahu a minimální za ním.

Typy zesilovačů podle typu zátěže

• s odporovým;
• s kapacitní;
• s indukčním;
• s rezonančním;
• s výstupním transformátorem ;
• s aktivní zátěží [3] .

Speciální typy zesilovačů

• Diferenciální zesilovač  je zesilovač, jehož výstup je úměrný rozdílu mezi dvěma vstupy, má dva vstupy a obvykle symetrický výstup.
• Operační zesilovač  je vícestupňový stejnosměrný zesilovač s vysokým ziskem a vstupní impedancí , diferenciálním vstupem a jednostranným výstupem s nízkou výstupní impedancí, navržený pro provoz v zařízeních s hlubokou negativní zpětnou vazbou.
• Instrumentační zesilovač  - Navržen pro aplikace vyžadující přesné zesílení s vysokou věrností signálu
• Scale zesilovač - zesilovač, který mění úroveň analogového signálu v daném počtu časů s vysokou přesností
• Logaritmický zesilovač  je zesilovač, jehož výstupní signál je přibližně úměrný logaritmu vstupního signálu.
• Kvadratický zesilovač - zesilovač, jehož výstupní signál je přibližně úměrný druhé mocnině vstupního signálu
• Integrační zesilovač je zesilovač, jehož výstupní signál je úměrný integrálu vstupního signálu.
• Invertující zesilovač - zesilovač, který mění fázi harmonického signálu o 180° nebo polaritu pulzního signálu na opačnou ( invertor )
• Parafázový (fázově invertovaný) zesilovač - zesilovač sloužící k vytvoření dvou protifázových napětí
• Nízkošumový zesilovač - zesilovač, ve kterém jsou přijímána speciální opatření ke snížení úrovně vlastního šumu , který může maskovat slabý zesilovaný signál
• Izolační zesilovač je zesilovač, ve kterém jsou vstupní a výstupní obvody galvanicky odděleny. Slouží k ochraně před vysokým napětím, které může být aplikováno na vstupní obvody, a k ochraně před rušením šířícím se podél zemních obvodů

Některé funkční typy zesilovačů

• Předzesilovač (předzesilovač) - zesilovač určený k zesílení signálu na hodnotu nezbytnou pro normální provoz koncového zesilovače.
• Koncový zesilovač (výkonový zesilovač) - zesilovač, který poskytuje při určitém externím zatížení zesílení výkonu elektromagnetických kmitů na předem stanovenou hodnotu.
• Mezifrekvenční zesilovač (IFA) - úzkopásmový zesilovač signálu o určité frekvenci (456 kHz, 465 kHz, 4 MHz, 5,5 MHz, 6,5 MHz, 10,7 MHz atd.) přicházející z radiofrekvenčního měniče .
• Rezonanční zesilovač  je zesilovač signálů s úzkým frekvenčním spektrem ležící v šířce pásma rezonančního obvodu, který je jeho zátěží.
• Video zesilovač je pulsní zesilovač navržený pro zesilování video pulsů složitého tvaru ( viz Video signál ), se širokým spektrálním složením. Navzdory svému názvu se používá nejen ve video a televizní technice, ale také v radarech, zpracování signálů z různých detektorů , modemů atd. Základní vlastností tohoto zesilovače je provoz až do 0 Hz (stejnosměrný proud). Také signál tohoto spektra se obvykle nazývá video signál, i když to nemá nic společného s přenosem obrazu.
• Magnetický záznamový zesilovač - zesilovač naložený na magnetické záznamové hlavě .
• Reprodukční zesilovač - nízkošumový zesilovač elektrických signálů pocházejících z reprodukční magnetické hlavy magnetofonu , videorekordéru , disketové jednotky , jednotky pevného disku nebo z fotodiody v systémech přehrávání optických signálů ( systém pro čtení zvuku filmového projektoru , optické disky ). Stejně jako záznamový zesilovač obsahuje frekvenční korekční obvody pro zajištění maximální možné linearity frekvenční odezvy cesty záznam-přehrávání.
• Mikrofonní zesilovač - zesiluje elektrické signály zvukových frekvencí přicházející z mikrofonu na hodnotu, při které je lze zpracovat a upravit. Profesionální mikrofonní zesilovače mají diferenciální vstup ( symetrické připojení , XLR konektory ) pro snížení rušení a šumu.
• Zesilovač-korektor (korekční zesilovač) je elektronické zařízení pro změnu parametrů video nebo audio signálu. Korektor videosignálu například umožňuje upravit sytost barev, barevný tón, jas, kontrast a rozlišení, zesilovač korektoru audio signálu je určen pro zesílení a korekci signálů ze snímače gramofonového přehrávače ( viz Phono ekvalizér ) existují i ​​jiné typy korekčních zesilovačů.

Zesilovače jako nezávislá zařízení

• Audio frekvenční zesilovače
  • Audiofrekvenční zesilovače pro kabelové vysílací systémy.
  • Audiofrekvenční zesilovače pro ozvučení otevřených a uzavřených prostor.
  • Domácí frekvenční zesilovače. V této skupině zařízení je největší zájem o Hi-Fi s nejvyšší věrností a o zesilovače nejvyšší věrnosti High-end . Existují předřazené, koncové (výkonové zesilovače) a kompletní zesilovače, které kombinují vlastnosti předběžných a koncových.
• Přístrojové zesilovače  jsou určeny k zesilování signálů pro účely měření.
  • Biopotenciální zesilovače  jsou typem měřicích zesilovačů používaných v elektrofyziologii .
• Anténní zesilovače - určené k zesílení slabých signálů z antény před jejich přivedením na vstup rádiového přijímače , existují obousměrné zesilovače (pro transceivery), které také zesilují signál přicházející z koncového stupně vysílače do antény. Anténní zesilovač se obvykle instaluje přímo na anténu nebo v její blízkosti.

• Lampa ULF

• předzesilovač

• Hi-Fi ULF McIntosh MA6800

• Výkonový zesilovač Aleph 3

Hlavní normalizované parametry

• Frekvenční rozsah
• Získat
• Nerovnoměrnost frekvenční odezvy
• Citlivost
• Úroveň hluku
• THD
• Vstupní impedance
• výstupní impedance
• Maximální výstupní napětí
• Maximální výstupní výkon

Viz také

• Generátor signálu
• Kritérium stability Nyquist-Michajlov
• Použití operačních zesilovačů

Poznámky

1. ↑ Mitrofanov O. V., Simonov B. M., Koledov L. A. Fyzikální základy fungování mikroelektronických produktů // Vyšší škola M. - 1987. - S. 110
2. ↑ Hickman, RW a Hunt, FV, "On Electronic Voltage Stabilizers," Review of Scientific Instruments , sv. 10, str. 6-21 (leden 1939)
3. ↑ Podrobnosti viz například článek Current Mirror , Operational Amplifier 741#Differential Input Stage .

Literatura

• Simonov Yu.L. Středofrekvenční zesilovače. - M .: Sovětský rozhlas, 1973
• Bukreev S.S. Nízkofrekvenční tranzistorové zesilovače se zpětnou vazbou. - M .: Sovětský rozhlas, 1972
• Voishvillo GV Amplifying devices: Učebnice pro univerzity. 2. vyd. - M .: Rádio a komunikace. 1983
• Příručka elektronických zařízení: svazek 1 / Ed. D. P. Linde - M.: Energie, 1978
• Ramm G.S. Elektronické zesilovače.
• Shamshin V. G. Historie technických komunikačních prostředků, 2003.
• Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. a další Generování kmitů a vytváření rádiových signálů. - M. : MPEI, 2008. - 416 s. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

• GOST 23849-87. Zařízení je radioelektronické pro domácnost. Metody měření elektrických parametrů zesilovačů audio signálu.
• GOST 24388-88. Zesilovače signálů zvukové frekvence jsou v domácnosti. Obecné Specifikace.
• GOST 29180-91. Kompatibilita technických prostředků je elektromagnetická. Mikrovlnná zařízení. Zesilovače jsou nízkošumové. Parametry a charakteristiky. Metody měření.
• OST4-203.007-84. Zvuková aparatura pro otevřené i uzavřené prostory. Audio frekvenční zesilovače. Obecné Specifikace.
• OST45-138-99. Audio koncové zesilovače pro drátové vysílací stanice. Hlavní parametry. Metody měření.
• IEC 60527 (1975). DC zesilovače. Charakteristika a zkušební metody.
• IEC 60581-6 (1979). Akustická zařízení a systémy reprodukce s vysokou věrností (Hi-Fi). Minimální požadavky na parametry. Část 6. Zesilovače.
• IEC 61305-3 (1995). Audio zařízení a audio systémy s vysokou věrností pro domácí použití. Metody měření a stanovení výkonnostních charakteristik. Část 3: Zesilovače.
• IEC 60268-3 (2000). Zvukové zařízení. Část 3. Zesilovače.

Odkazy

• Nová generace vysokofrekvenčních zesilovačů
• VHF anténní zesilovač
• Elektronické zesilovače