산업용 전자 제품의 전자 증폭기

전기 신호의 전압, 전류 및 전력을 증폭하도록 설계된 장치입니다.

가장 간단한 증폭기는 트랜지스터 회로입니다. 증폭기의 사용은 일반적으로 전자 장치에 들어가는 전기 신호(전압 및 전류)의 진폭이 작고 추가 사용(변환, 전송, 부하에 대한 전원 공급)에 필요한 값으로 증가시켜야 한다는 사실 때문입니다. ).

그림 1은 증폭기 작동에 필요한 장치를 보여줍니다.

그림 1 — 증폭기 환경

앰프가 로드될 때 방출되는 전원은 전원 공급 장치의 변환된 전원이며 입력 신호는 앰프를 구동할 뿐입니다. 증폭기는 직류 소스에 의해 전원이 공급됩니다.

일반적으로 증폭기는 여러 증폭 단계로 구성됩니다(그림 2). 주로 신호 ​​전압을 증폭하도록 설계된 증폭의 첫 번째 단계를 전치 증폭기라고 합니다. 그들의 회로는 입력 신호 소스의 유형에 따라 결정됩니다.

신호의 힘을 증폭시키는 역할을 하는 단을 단자 또는 출력이라고 합니다.그들의 계획은 부하 유형에 따라 결정됩니다. 또한, 증폭기는 필요한 증폭을 얻도록 및/또는 증폭된 신호의 필요한 특성을 형성하도록 설계된 중간 단계를 포함할 수 있다.

그림 2 - 증폭기 구조

증폭기 분류:

1) 증폭 매개변수, 전압, 전류, 전력 증폭기에 따라 다름

2) 증폭된 신호의 특성에 따라:

• 고조파(연속) 신호 증폭기;

• 펄스 신호 증폭기(디지털 증폭기).

3) 증폭 주파수 범위에서:

• DC 증폭기;

• 교류 증폭기

• 저주파, 고주파, 초고주파 등

4) 주파수 응답의 특성에 따라:

• 공진(좁은 주파수 대역의 신호 증폭);

• 대역 통과(특정 주파수 대역을 증폭);

• 광대역(전체 주파수 범위를 증폭).

5) 보강 요소의 유형별:

• 전기 진공 램프;

• 반도체 장치;

• 집적 회로에서.

증폭기를 선택할 때 증폭기 매개변수를 종료합니다.

• 와트로 측정된 출력 전력. 출력 전력은 헤드폰의 밀리와트에서 오디오 시스템의 수십, 수백 와트에 이르기까지 사운드 증폭기의 경우와 같이 증폭기의 목적에 따라 크게 다릅니다.

• 헤르츠로 측정된 주파수 범위. 예를 들어, 동일한 오디오 증폭기는 일반적으로 20–20,000Hz의 주파수 범위에서 이득을 제공하고 텔레비전 신호 증폭기(이미지 + 사운드) — 20Hz — 10MHz 이상을 제공해야 합니다.

• 퍼센트%로 측정된 비선형 왜곡. 증폭된 신호의 모양 왜곡을 특징으로 합니다. 일반적으로 주어진 매개변수가 낮을수록 좋습니다.

• 효율성(효율 비율)은 퍼센트%로 측정됩니다.전원 공급 장치에서 부하로 전력을 분산시키는 데 사용되는 전력량을 보여줍니다. 사실 소스 전력의 일부가 낭비되고 대부분 열 손실입니다. 전류의 흐름은 항상 재료를 가열합니다. 이 매개변수는 자체 전원 장치(축전지 및 배터리에서)에 특히 중요합니다.

그림 3은 일반적인 바이폴라 트랜지스터 프리앰프 회로를 보여줍니다. 입력 신호는 전압원(Uin)에서 나오며 차단 커패시터(Cp1, Cp2)는 변수 ie를 통과시킨다. 증폭된 신호는 직류를 통과시키지 않으므로 직렬 연결된 증폭기 단계에서 직류에 대한 독립적인 작동 모드를 생성할 수 있습니다.

그림 3 - 바이폴라 트랜지스터의 증폭기 스테이지 다이어그램

저항 Rb1 및 Rb2는 트랜지스터 Ib0의 베이스에 시작 전류를 제공하는 주 분배기이며, 저항 Rk는 콜렉터 Ik0에 시작 전류를 제공합니다. 이러한 전류를 층류라고 합니다. 입력 신호가 없으면 일정합니다. 그림 4는 증폭기의 타이밍 다이어그램을 보여줍니다. 시간 도표는 시간 경과에 따른 매개변수의 변화입니다.

저항 Re는 네거티브 전류 피드백(NF)을 제공합니다. 피드백(OC)은 출력 신호의 일부를 증폭기의 입력 회로로 전송하는 것입니다. 입력 신호와 피드백 신호의 위상이 반대이면 피드백이 음수라고 합니다. OOS는 게인을 줄이는 동시에 고조파 왜곡을 줄이고 앰프 안정성을 높입니다. 거의 모든 증폭기에 사용됩니다.

저항 Rf 및 커패시터 Cf는 필터 요소입니다.커패시터 Cf는 소스 Up에서 증폭기가 소비하는 전류의 가변 성분에 대한 저저항 회로를 형성합니다. 여러 증폭기 소스가 소스에서 공급되는 경우 필터링 요소가 필요합니다.

입력 신호 Uin이 가해지면 전류 Ib ~가 입력 회로와 출력 Ik ~에 나타납니다. 부하 Rn을 통한 전류 Ik ~에 의해 생성된 전압 강하는 증폭된 출력 신호가 됩니다.

전압 및 전류의 임시 다이어그램(그림 3)에서 캐스케이드의 입력 Ub ~ 및 출력 Uc ~ = Uout에서 전압의 가변 구성 요소가 역상임을 알 수 있습니다. OE 트랜지스터의 게인 스테이지는 입력 신호의 위상을 반대 방향으로 변경(반전)합니다.

그림 4 - 바이폴라 트랜지스터의 증폭기 단계에서 전류 및 전압의 타이밍 다이어그램

연산 증폭기(OU)는 이득이 높고 네거티브 피드백이 깊은 DC/AC 증폭기입니다.

그것은 많은 수의 전자 장치의 구현을 허용하지만 전통적으로 증폭기라고합니다.

연산 증폭기는 모든 아날로그 전자 장치의 중추라고 말할 수 있습니다. 연산 증폭기의 광범위한 사용은 유연성(아날로그 및 펄스 기반의 다양한 전자 장치를 기반으로 구축하는 기능), 넓은 주파수 범위(DC 및 AC 신호의 증폭), 외부 불안정화로부터 주요 매개변수의 독립성과 관련이 있습니다. 요인(온도 변화, 공급 전압 등). 집적 증폭기(IOU)가 주로 사용됩니다.

이름에 "작동"이라는 단어가 있다는 것은 이러한 증폭기가 더하기, 빼기, 미분, 적분 등 여러 수학적 연산을 수행할 수 있다는 가능성으로 설명됩니다.

그림 5는 UGO IEE를 보여줍니다.증폭기에는 두 개의 입력(순방향 및 역방향)과 하나의 출력이 있습니다. 입력 신호가 비반전(직접) 입력에 적용될 때 출력 신호는 동일한 극성(위상)을 가집니다 — 그림 5, a.

그림 5 - 연산 증폭기의 기존 그래픽 지정

반전 입력을 사용할 때 출력 신호의 위상은 입력 신호의 위상에 대해 180° 이동됩니다(극성 반전) — 그림 6, b. 반전 입력 및 출력은 원으로 표시됩니다.

그림 6 - 연산 증폭기의 시간 다이어그램: a) - 비반전, b) - 반전

벽지에 전압이 가해지면 출력 전압은 입력 전압의 차이에 비례합니다. 이것들. 반전 입력 신호는 «-« 기호로 허용됩니다. Uout = K(Uneinv — Uinv), 여기서 K는 이득입니다.

그림 7 - 연산 증폭기의 진폭 특성

연산 증폭기는 일반적으로 +15V 및 -15V의 바이폴라 소스로 전원을 공급받습니다.단극 전원 공급 장치도 허용됩니다. 나머지 IOU 결론은 사용되는 대로 표시됩니다.

연산 증폭기의 작동은 진폭 특성으로 설명됩니다 - 그림 8. 특성에서 출력 전압이 입력 전압의 증가에 비례하여 증가하는 선형 섹션과 두 개의 포화 섹션 U + 토 및 U-토. 입력 전압 Uin.max의 특정 값에서 증폭기는 포화 모드로 들어갑니다. 여기서 출력 전압은 최대값(Up = 15V, 대략 Uns = 13V의 값)을 가정하고 추가로 변경되지 않은 상태를 유지합니다. 입력 신호가 증가합니다. 포화 모드는 연산 증폭기를 기반으로 하는 펄스 장치에 사용됩니다.

전력 증폭기는 증폭의 마지막 단계에서 사용되며 부하에 필요한 전력을 생성하도록 설계되었습니다.

주요 기능은 높은 입력 신호 레벨과 높은 출력 전류에서 작동하므로 강력한 증폭기를 사용해야 합니다.

증폭기는 A, AB, B, C 및 D 모드에서 작동할 수 있습니다.

모드 A에서 증폭 장치(트랜지스터 또는 전자관)의 출력 전류는 증폭된 신호의 전체 주기 동안(즉, 일정하게) 열려 있고 출력 전류가 이를 통해 흐릅니다. 클래스 A 전력 증폭기는 증폭된 신호에 왜곡을 최소화하지만 효율이 매우 낮습니다.

모드 B에서 출력 전류는 두 부분으로 나뉘며 하나의 증폭기는 신호의 양의 반파를 증폭하고 두 번째는 음의 반파를 증폭합니다. 그 결과 모드 A보다 효율이 높지만 트랜지스터 스위칭 순간에 발생하는 비선형 왜곡도 크다.

AB 모드는 B 모드를 반복하지만 한 반파에서 다른 반파로 전환하는 순간 두 트랜지스터가 모두 개방되어 고효율을 유지하면서 왜곡을 줄일 수 있습니다. AB 모드는 아날로그 앰프에서 가장 일반적입니다.

모드 C는 증폭기의 출력 전류가 반주기 미만으로 흐르기 때문에 증폭 중에 파형의 왜곡이 없는 경우에 사용되며, 이는 물론 큰 왜곡을 초래합니다.

D 모드는 입력 신호를 펄스로 변환하고 해당 펄스를 증폭한 다음 다시 변환합니다.이 경우 출력 트랜지스터는 키 모드(트랜지스터가 완전히 닫히거나 완전히 열림)에서 작동하여 증폭기의 효율을 100%에 가깝게 만듭니다(AV 모드에서 효율은 50%를 초과하지 않음). D 모드에서 작동하는 증폭기를 디지털 증폭기라고 합니다.

푸시-풀 회로에서 증폭(모드 B 및 AB)은 2개의 클록 주기에서 발생합니다. 첫 번째 반주기 동안 입력 신호는 하나의 트랜지스터에 의해 증폭되고 다른 하나는 이 반주기 또는 그 일부 동안 닫힙니다. 두 번째 반주기에서 신호는 두 번째 트랜지스터에 의해 증폭되고 첫 번째 트랜지스터는 꺼집니다.

트랜지스터 증폭기의 슬라이딩 회로는 그림 8에 나와 있습니다. 트랜지스터 스테이지 VT3은 출력 트랜지스터 VT1 및 VT2에 푸시를 제공합니다. 저항 R1 및 R2는 트랜지스터의 일정한 작동 모드를 설정합니다.

음의 반파 Uin이 도착하면 콜렉터 전류 VT3이 증가하여 트랜지스터 VT1 및 VT2의베이스에서 전압이 증가합니다. 이 경우 VT2가 닫히고 VT1을 통해 콜렉터 전류가 + Up, 전환 K-E VT1, C2(충전 중), Rn, 케이스를 통과합니다.

양의 반파가 도착하면 Uin VT3이 닫히고 트랜지스터 VT1 및 VT2 — VT1의베이스에서 전압이 감소하고 VT2를 통해 콜렉터 전류가 회로를 통해 흐릅니다. + C2, 전환 EK VT2 , 경우, Rn, -C2 . 티

이렇게 하면 입력 전압의 두 반파 전류가 부하를 통해 흐르게 됩니다.

그림 8 - 전력 증폭기의 개략도

모드 D에서 증폭기는 다음과 같이 작동합니다. 펄스 폭 변조(PWM)… 입력 신호 변조 직사각형 펄스기간을 변경하여.이 경우 신호는 동일한 진폭의 직사각형 펄스로 변환되며 지속 시간은 임의의 순간에 신호 값에 비례합니다.

펄스 트레인은 증폭을 위해 트랜지스터에 공급됩니다. 증폭된 신호가 펄스화되기 때문에 트랜지스터는 키 모드에서 작동합니다. 키 모드에서의 작동은 트랜지스터가 닫히거나 완전히 열려 있기 때문에 손실이 최소화됩니다(저항이 최소임). 증폭 후 저주파 성분(증폭된 원래 신호)은 저역 통과 필터를 사용하여 신호에서 추출됩니다( LPF) 및 부하에 공급됩니다.

그림 9 - 클래스 D 증폭기의 블록 다이어그램

클래스 D 증폭기는 노트북 오디오 시스템, 모바일 통신, 모터 제어 장치 등에 사용됩니다.

최신 증폭기는 집적 회로의 광범위한 사용이 특징입니다.