Un amplificador és un dispositiu electrònic de dos ports utilitzat per amplificar el senyal o augmentar la potència d'un senyal amb l'ajuda d'una font d'alimentació. L'alimentació es subministra a través del terminal d'entrada de l'amplificador. La sortida de l'amplificador pot ser l'augment de l'amplitud, etc.
El guany de l'amplificador determina la seva amplificació. És el factor principal que determina la sortida d'un dispositiu. Els amplificadors s'utilitzen en gairebé tots els tipus de components electrònics. El guany es calcula com la relació entre el paràmetre de sortida (potència, corrent o tensió) al paràmetre d'entrada.
Els amplificadors s'utilitzen en diverses aplicacions, com ara l'automatització, la marina, els sensors, etc. El guany de potència d'un amplificador és generalment superior a un. Entendrem algunes característiques bàsiques d'un amplificador ideal.
Aquí, en parlarem un amplificador ideal, tipus d'amplificadors, propietats, funcions, i aplicacions dels amplificadors .
Comencem.
Amplificador ideal
Considerem les característiques d'un amplificador ideal, que s'enumeren a continuació:
- Impedància d'entrada: Infinit
- Impedància de sortida: Zero
- Guany a diferents freqüències: Arreglat
El port d'entrada d'un amplificador pot ser la font de tensió o la font de corrent. La font de tensió només depèn de la tensió d'entrada i no accepta corrent. De la mateixa manera, la font de corrent accepta el corrent i cap tensió. La sortida serà proporcional a la tensió o corrent a tot el port.
La sortida d'un amplificador ideal pot ser una font de corrent dependent o una font de tensió dependent. La resistència de la font de tensió dependent és zero, mentre que la de la font de corrent dependent és infinita.
La tensió o corrent de la font dependent només depèn de la tensió o corrent d'entrada. Significa que la tensió de sortida dependrà de la tensió d'entrada i el corrent de sortida dependrà de la font de tensió independent del corrent d'entrada i la font de corrent, respectivament.
Els amplificadors ideals es classifiquen a més com a CCCS (Font de corrent de control actual), CCVS (Font de tensió de control actual), VCVS (Font de tensió de control de voltatge) i VCCS (Font de corrent de control de tensió).
La impedància d'entrada de CCVS i CCCS és zero, mentre que VCCS i VCVS són infinites. De la mateixa manera, la impedància de sortida de CCCS i VCCS és infinita, mentre que la de CCVS i VCVS és zero.
Tipus d'amplificadors
Parlem dels diferents tipus d'amplificadors.
Amplificadors operacionals
Els amplificadors operacionals o amplificadors operacionals són amplificadors d'acoblament directe (DC) d'alt guany que realitzen diverses operacions matemàtiques, com ara la suma, la diferenciació, la resta, la integració, etc.
Té dos terminals d'entrada i un terminal de sortida. Els terminals d'entrada s'anomenen terminals inversors i no inversors. El senyal aplicat al terminal inversor apareixerà com a fase invertida i el senyal aplicat al terminal no inversor apareix sense cap inversió de fase al terminal de sortida.
La tensió aplicada a l'entrada inversora es representa com a V- i la tensió a l'entrada no inversora es representa com a V+.
Nota: La impedància de sortida i la deriva d'un amplificador operacional ideal són 0. El guany de tensió, la impedància d'entrada i l'amplada de banda d'un amplificador operacional ideal són infinits.
Els amplificadors operacionals es classifiquen a més en amplificadors inversors i no inversors. Anem a discutir en detall els dos tipus d'amplificadors operacionals anteriors.
Aplicacions
Els amplificadors operacionals s'utilitzen en diverses aplicacions en electrònica. Per exemple,
- Filtres
- Comparador de voltatge
- Integrador
- Convertidor de corrent a tensió
- Amplificador d'estiu
- Canviador de fase
A continuació es mostra l'entrada inversora i no inversora d'un amplificador:
Amplificador inversor
A continuació es mostra l'amplificador inversor:
mb vs gb
És la configuració de retroalimentació de derivació de tensió de l'amplificador operatiu. Una tensió de senyal aplicada a l'entrada inversora de l'amplificador operacional produeix el flux de corrent I1 a l'amplificador operatiu. Sabem que la impedància d'entrada de l'amplificador operatiu és infinita. No permetrà que el corrent flueixi a l'amplificador. El corrent fluirà pel bucle de sortida (a través de la resistència R2) fins al terminal de sortida de l'amplificador operatiu.
El guany de tensió al terminal de sortida de l'amplificador inversor es calcula com:
A =Vo/Vs = -R2/R1
On,
Vo i Vs són la tensió de sortida i el senyal.
El signe negatiu indica que la sortida de l'amplificador està 180 graus fora de fase amb l'entrada.
L'amplificador inversor és un dels amplificadors operacionals més utilitzats. Té impedàncies d'entrada i sortida molt baixes.
Amplificador no inversor
L'amplificador no inversor es mostra a continuació:
La configuració anterior és la connexió de retroalimentació de la sèrie de tensió. Una tensió de senyal aplicada a l'entrada no inversora de l'amplificador operacional produeix el flux de corrent I1 cap a l'amplificador operatiu i el corrent I2 fora de l'amplificador operatiu.
Segons el concepte de curtcircuit virtual, I1 = I2 i Vx =Vs.
El guany de tensió de l'amplificador no inversor es pot calcular com:
A = A + (R2/R1)
Els amplificadors no inversors tenen una alta impedància d'entrada i baixa impedància de sortida. També es considera l'amplificador de tensió.
Amplificadors de corrent continu
Els amplificadors de corrent continu o acoblats directes s'utilitzen per amplificar senyals de baixa freqüència i acoblats directes. Les dues etapes d'un amplificador de corrent continu es poden interconnectar mitjançant un acoblament directe entre aquestes etapes.
L'acoblament directe és un tipus de connexió senzill i fàcil. Es pot calcular connectant directament el col·lector del transistor de la primera etapa a la base del transistor de la segona etapa, esmentada com a T1 i T2.
Però, els amplificadors de corrent continu provoquen dos problemes anomenats desplaçaments de deriva i desplaçaments de nivell. El disseny de l'amplificador diferencial va eliminar aquests problemes. Parlem de l'amplificador diferencial.
Amplificadors diferencials
L'estructura de l'amplificador diferencial va resoldre el problema de la deriva i el canvi de nivell. L'estructura consta de dos BJT (Transistor d'unió bipolar) amplificadors connectats només a través de les línies d'alimentació. S'anomena amplificador diferencial perquè la sortida de l'amplificador és la diferència entre les entrades individuals, tal com es representa a continuació:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
On,
la cadena conté
Vo és la sortida i Vi1 i Vi2 són les dues entrades.
A és el guany de l'amplificador diferencial.
Ara, si
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
L'operació anterior s'anomena a manera diferencial funcionament. Aquí, els senyals d'entrada estan fora de fase entre si. Aquests senyals fora de fase es coneixen com a senyals de mode de diferència (DM).
Si,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
En = 0
Aquesta operació es coneix com mode comú (CM) perquè els senyals d'entrada estan en fase entre si. La sortida zero d'aquests senyals indica que no hi haurà deriva a l'amplificador.
Amplificadors de potència
També s'anomenen amplificadors de potència amplificadors de corrent . Aquests amplificadors són necessaris per augmentar el nivell actual d'un senyal entrant per conduir fàcilment les càrregues. Els tipus d'amplificadors de potència inclouen amplificadors de potència d'àudio, amplificadors de potència de radiofreqüència, etc.
Els amplificadors de potència es classifiquen com a amplificadors de classe A, classe AB, classe B i classe C. Més endavant en aquest tema parlarem de les classes d'amplificadors de potència.
Amplificadors de mode de canvi
Els amplificadors de mode de commutació són un tipus d'amplificador no lineal d'alta eficiència.
Un exemple comú d'aquest tipus d'amplificadors són els amplificadors de classe D.
Amplificador instrumental
L'amplificador instrumental s'utilitza en instruments de mesura i detecció analògics. Considerem un exemple.
Un voltímetre utilitzat per mesurar tensions molt baixes requereix un amplificador instrumental per al seu bon funcionament. Té diverses característiques, com ara guany de tensió molt alt, bon aïllament, molt baix soroll, baix consum d'energia, gran ample de banda, etc.
Feedback negatiu
La retroalimentació negativa és una de les característiques essencials per controlar la distorsió i l'ample de banda dels amplificadors. L'objectiu principal de la retroalimentació negativa és reduir el guany del sistema. La part de la sortida en la fase oposada retorna a l'entrada. El valor es resta encara més de l'entrada. En el senyal de sortida distorsionat, la sortida amb distorsió es retroalimenta en la fase oposada. Es resta de l'entrada; podem dir que la retroalimentació negativa en els amplificadors redueix les no linealitats i els senyals no desitjats.
La imatge següent representa comentaris negatius:
Amb l'ajuda de la retroalimentació negativa, també es poden eliminar la distorsió creuada i altres errors físics. Els altres avantatges d'utilitzar retroalimentació negativa són l'extensió de l'ample de banda, la rectificació dels canvis de temperatura, etc.
La retroalimentació negativa pot ser una retroalimentació negativa de tensió o una retroalimentació negativa actual. En ambdós casos, la retroalimentació de tensió o corrent és proporcional a la sortida.
No ens hem de confondre entre comentaris positius i negatius. La retroalimentació positiva tendeix a amplificar el canvi, mentre que la retroalimentació negativa tendeix a reduir el canvi. Una altra diferència és que els senyals d'entrada i sortida en retroalimentació positiva estan en fase i s'afegeixen. En el cas de retroalimentació negativa, els senyals d'entrada i sortida estan fora de fase i es resten.
Dispositius actius a l'amplificador
L'amplificador està format per uns dispositius actius que s'encarreguen del procés d'amplificació. Pot ser un únic transistor, un tub de buit, un component d'estat sòlid o qualsevol part dels circuits integrats.
Parlem dels dispositius actius i el seu paper en el procés d'amplificació.
BJT
BJT es coneix comunament com a controlat per corrent dispositiu. Els transistors d'unió bipolar s'utilitzen com a interruptors per amplificar el corrent dels amplificadors.
MOSFET
MOSFET o Transistors d'efecte de camp semiconductors d'òxid metàl·lic s'utilitzen habitualment en l'amplificació de senyals electrònics. Els MOSFET es poden utilitzar per canviar la conductivitat controlant la tensió de la porta. MOSFET també pot millorar la força del senyal feble. Per tant, els MOSFET es poden utilitzar com a amplificador.
Amplificadors de tubs de buit
L'amplificador de tubs de buit utilitza tubs de buit com a dispositiu font. S'utilitza per augmentar l'amplitud del senyal. Per sota de les freqüències de microones, els amplificadors de tubs van ser substituïts per amplificadors d'estat sòlid cap a finals del 19.thsegle.
Amplificadors de microones
Els amplificadors de microones s'utilitzen habitualment en sistemes de microones. S'utilitza per augmentar el nivell del senyal d'entrada amb molt poca distorsió. També pot canviar o augmentar l'energia elèctrica. Proporciona una millor sortida d'un sol dispositiu en comparació amb els dispositius d'estat sòlid a freqüències de microones.
Amplificadors magnètics
Els amplificadors magnètics es van desenvolupar als anys 20thsegle per superar els inconvenients (alta capacitat i força de corrent) dels amplificadors de tubs de buit. Els amplificadors magnètics són semblants als transistors. Controla la força magnètica del nucli activant la bobina de control (una altra bobina de bobinat).
Circuits integrats
Els circuits integrats poden contenir diversos dispositius electrònics, com ara condensadors i transistors. La popularitat de l'IC també ha estès els dispositius electrònics per tot el món.
Classes d'amplificadors de potència
Les classes d'amplificadors de potència es classifiquen com classe A, classe B, classe AB, i classe C . Parlem d'una breu descripció de les classes d'amplificadors de potència.
Amplificadors de potència de classe A
L'entrada de l'amplificador de classe A és petita, per la qual cosa la sortida també és petita. Per tant, no produeix molta amplificació de potència. Amb transistors, es pot utilitzar com a amplificador de tensió. Els amplificadors de classe A amb pentodes al buit també poden proporcionar una única etapa d'amplificació de potència per conduir càrregues, com ara altaveus.
Amplificadors de potència de classe B
Els BJT generalment requereixen amplificadors de potència de classe B per conduir càrregues, com ara altaveus. L'entrada dels amplificadors de classe B és gran, per la qual cosa la sortida també és molt gran. Per tant, produeix una gran amplificació. Però, en el cas d'un únic transistor, només s'amplifica la meitat del senyal d'entrada.
Amplificadors de potència de classe AB
La configuració dels amplificadors de potència AB es troba entre els amplificadors de classe A i de classe B. Els amplificadors de classe AB es produeixen combinant l'alta sortida dels amplificadors de potència de classe B amb la baixa distorsió dels amplificadors de potència de classe A.
En el cas de sortides petites, l'amplificador de potència de classe AB pot comportar-se com a classe A. Pot comportar-se com un amplificador de potència de classe B en el cas de sortides molt grans.
cadena a char java
Amplificadors de potència de classe C
L'element de conducció dels amplificadors de potència de classe C són els transistors. Té una millor eficiència, però a causa de la conducció de menys del mig cicle, provoca una gran distorsió. Per tant, els amplificadors de potència de classe C no són preferits en aplicacions d'àudio. Les aplicacions habituals d'aquests amplificadors inclouen els circuits de radiofreqüència.
Propietats de l'amplificador
Els amplificadors es defineixen segons les seves propietats d'entrada i sortida. El guany de l'amplificador determina la seva amplificació. Per tant, els factors de guany i multiplicació són les dues propietats essencials dels amplificadors.
Anem a discutir les propietats que es defineixen per diferents paràmetres, que s'enumeren a continuació:
El guany d'un amplificador es calcula com la relació entre la sortida (potència, corrent o tensió) a l'entrada. Determina l'amplificació de l'amplificador. Per exemple, un senyal amb una entrada de 10 volts i una sortida de 60 volts tindrà un guany de 6.
Guany = Sortida/Entrada
Guany = 60/10
Guany = 6
El guany s'expressa en la unitat dB (decibels). Els components passius generalment tenen un guany inferior a un, mentre que els components actius tenen un guany superior a 1.
L'amplada de banda es defineix com l'amplada mesurada en Hertz del rang de freqüències útils.
Rang de freqüència - El rang de freqüències s'especifica generalment en termes de resposta en freqüència o ample de banda.
El soroll es defineix com qualsevol senyal no desitjat que actua com una pertorbació en el sistema.
La major eficiència d'un amplificador donaria lloc a menys generació de calor i més potència de sortida. Es calcula com la relació entre la potència de sortida i la utilització de la potència total.
La velocitat de canvi es mesura en volts per microsegon. Es defineix com la velocitat màxima de canvi de la producció. Una velocitat de variació per sobre del rang audible d'un amplificador donaria lloc a menys distorsió i errors.
Es defineix com la capacitat de l'amplificador de produir còpies precises del senyal d'entrada.
Els circuits amplificadors requereixen ser estables a totes les freqüències disponibles. Es defineix com la capacitat d'evitar oscil·lacions no desitjades en un dispositiu electrònic.
Funcions dels diferents amplificadors
Altres tipus d'amplificadors tenen característiques diferents. Parlem de la funció dels diferents tipus d'amplificadors que s'utilitzen avui dia.
- El amplificadors lineals no proporcionen una capacitat lineal perfecta perquè cap amplificador és perfecte. És a causa de l'ús de dispositius amplificadors, com els transistors, que són de naturalesa no lineal. Aquests dispositius poden produir certa no linealitat. Els amplificadors lineals són menys propensos a la distorsió. Significa que els amplificadors lineals generen menys distorsió.
- Dissenyat especialment amplificadors d'àudio pot amplificar la freqüència d'àudio.
- L'amplificador de banda estreta amplifica sobre la banda estreta de freqüències, mentre que els amplificadors de banda ampla s'amplifica en una àmplia gamma de freqüències.
- El amplificadors no lineals produeixen distorsió en comparació amb els dispositius lineals. Però, els dispositius no lineals encara s'utilitzen avui dia. Exemples d'amplificadors no lineals són els amplificadors de RF (radiofreqüència), etc.
- L'estructura de la amplificador logarítmic produeix una sortida proporcional a la logarítmica de la seva entrada. El circuit consta de dos díodes i dos amplificadors operacionals (amplificador operacional).
Aplicacions de l'amplificador
Els amplificadors s'utilitzen en diferents aplicacions. Parlem-ho en detall.
També es coneix com a seguidor de voltatge amplificador de guany d'unitat . Té una impedància d'entrada molt gran i una impedància de sortida molt baixa, que és el principi bàsic amortiment acció. El terminal inversor de l'amplificador operacional és curt amb el terminal de sortida.
Vol dir que la sortida és igual a l'entrada. S'anomena seguidor de tensió perquè la sortida de l'amplificador segueix l'entrada.
El seguidor de tensió no proporciona efectes de càrrega, ni potència ni guany de corrent, que són els seus avantatges.
La construcció d'un convertidor de corrent a tensió es mostra a continuació:
On,
RT: Termistor o resistència depenent de la llum.
IT: Actual
RF: Resistència de retroalimentació
SI: Corrent de retroalimentació
VO: Tensió de sortida
El termistor condueix l'amplificador operacional en el seu mode d'inversió. El canvi de temperatura provoca una variació de la resistència del termistor. Varia encara més el corrent que la travessa. El corrent flueix a la sortida a través de la resistència de retroalimentació com a corrent de retroalimentació desenvolupant la tensió de sortida. Com que el corrent del termistor és igual al corrent de retroalimentació, podem dir que la tensió de sortida és proporcional al corrent del termistor.
Així, un corrent d'entrada es converteix en una tensió de sortida.
TWTA i Klystron són els dispositius comuns utilitzats com a amplificadors de microones. Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) proporciona una bona amplificació fins i tot a freqüències baixes de microones. Significa que es prefereix TWTA per a l'amplificació d'alta potència. Però, els klystrons són millor ajustables en comparació amb TWTA.
Els klystrons també s'utilitzen a freqüències de microones per a aplicacions d'alta potència. Però, proporciona una àmplia amplificació sintonitzable en comparació amb TWTA. També té una amplada de banda estreta en comparació amb TWTA.
Dispositius d'estat sòlid , com ara MOSFET, díodes, materials semiconductors (silici, gal·li, etc.), s'utilitzen a baixa potència i freqüències de microones en diverses aplicacions. Per exemple, telèfons mòbils, terminals portàtils de radiofreqüència , etc. En aquestes aplicacions, la mida i l'eficiència són els principals factors que determinen la seva capacitat i ús. L'ús de dispositius d'estat sòlid en amplificadors de microones també proporciona ample de banda ampli.
Els amplificadors s'utilitzen en diversos instruments musicals, com guitarres i tambors, per convertir el senyal de diferents fonts (cordes a la guitarra, etc.) en el potent senyal electrònic (amplificador de potència) que produeix so. El so és prou audible per al públic o persones properes. La sortida d'alguns instruments musicals està connectada als altaveus per obtenir un so més fort.
Els amplificadors d'instruments d'instruments musicals també tenen la funció d'afinació del senyal que permet a l'intèrpret canviar el to del senyal.
Els circuits oscil·ladors s'utilitzen per generar formes d'ona elèctriques de qualsevol freqüència, forma i potència desitjades. L'ús d'amplificadors en oscil·ladors proporciona l'amplitud de sortida constant i amplifica la freqüència de retroalimentació.
L'amplificador present a l'amplificador de vídeo amplifica el senyal format per components d'alta freqüència. També evita qualsevol distorsió. Els amplificadors de vídeo tenen diferents amplades de banda segons la qualitat del senyal de vídeo, com ara SDTV, HDTV, 1080pi, etc.