Vahvistin on kaksiporttinen elektroninen laite, jota käytetään vahvistamaan signaalia tai lisäämään signaalin tehoa virtalähteen avulla. Teho syötetään vahvistimen tuloliittimen kautta. Vahvistimen lähtö voi olla lisätty amplitudi jne.
Vahvistimen vahvistus määrää sen vahvistuksen. Se on tärkein tekijä, joka määrittää laitteen tehon. Vahvistimia käytetään lähes kaikissa elektronisissa komponenteissa. Vahvistus lasketaan lähtöparametrin (teho, virta tai jännite) suhteeksi tuloparametriin.
Vahvistimia käytetään erilaisissa sovelluksissa, kuten automaatiossa, laivassa, antureissa jne. Vahvistimen tehonlisäys on yleensä suurempi kuin yksi. Ymmärrämme joitakin ihanteellisen vahvistimen perusominaisuuksia.
Täällä keskustellaan ihanteellinen vahvistin, vahvistimien tyypit, ominaisuudet, toiminnot, ja vahvistimien sovellukset .
Aloitetaan.
minun elävä krikettini
Ihanteellinen vahvistin
Tarkastellaan ideaalivahvistimen ominaisuuksia, jotka on lueteltu alla:
- Tuloimpedanssi: Ääretön
- Lähtöimpedanssi: Nolla
- Vahvistus eri taajuuksilla: Korjattu
Vahvistimen tuloportti voi olla jännite- tai virtalähde. Jännitelähde riippuu vain tulojännitteestä eikä hyväksy virtaa. Samoin virtalähde hyväksyy virran eikä jännitettä. Lähtö on verrannollinen jännitteeseen tai virtaan koko portissa.
Ihanteellisen vahvistimen lähtö voi olla joko riippuvainen virtalähde tai riippuvainen jännitelähde. Riippuvan jännitelähteen lähderesistanssi on nolla, kun taas riippuvaisen virtalähteen resistanssi on ääretön.
Riippuvaisen lähteen jännite tai virta riippuu vain tulojännitteestä tai -virrasta. Se tarkoittaa, että lähtöjännite riippuu tulojännitteestä ja lähtövirta riippuu tulovirrasta riippumattomasta jännitelähteestä ja virtalähteestä, vastaavasti.
Ihanteelliset vahvistimet luokitellaan edelleen CCCS (Nykyinen ohjausvirtalähde), CCVS (Nykyinen ohjausjännitelähde), VCVS (Voltage Control Voltage Source) ja VCCS (Voltage Control Current Source).
CCVS:n ja CCCS:n tuloimpedanssi on nolla, kun taas VCCS ja VCVS ovat äärettömiä. Vastaavasti CCCS:n ja VCCS:n lähtöimpedanssi on ääretön, kun taas CCVS:n ja VCVS:n lähtöimpedanssi on nolla.
Vahvistimen tyypit
Keskustelemme erityyppisistä vahvistimista.
Operaatiovahvistimet
Operaatiovahvistimet tai op-vahvistimet ovat suuritehoisia suorakytkentäisiä (DC) vahvistimia, jotka suorittavat erilaisia matemaattisia operaatioita, kuten yhteenlaskua, differentiointia, vähennyslaskua, integrointia jne.
Siinä on kaksi tuloliitintä ja yksi lähtöliitin. Tuloliittimiä kutsutaan invertoiviksi ja ei-invertoiviksi liittimiksi. Invertoivaan liittimeen syötetty signaali näyttää vaiheinvertoidulta ja ei-invertoivaan liittimeen syötetty signaali ilman vaiheenvaihtoa lähtöliittimessä.
Invertoivaan tuloon syötetty jännite esitetään muodossa V- ja ei-invertoivan tulon jännite V+.
Huomautus: Ihanteellisen operaatiovahvistimen lähtöimpedanssi ja poikkeama ovat 0. Ihanteellisen operaatiovahvistimen jännitteen vahvistus, tuloimpedanssi ja kaistanleveys ovat äärettömät.
Operaatiovahvistimet luokitellaan edelleen invertoiviksi ja ei-invertoiviksi vahvistiksiksi. Käsitellään yksityiskohtaisesti yllä olevia kahta operaatiovahvistintyyppiä.
Sovellukset
Op-vahvistimia käytetään erilaisissa elektroniikan sovelluksissa. Esimerkiksi,
- Suodattimet
- Jännitevertailija
- Integraattori
- Virta-jännite-muunnin
- Kesäinen vahvistin
- Vaiheen vaihtaja
Vahvistimen invertoiva ja ei-invertoiva sisääntulo on esitetty alla:
Invertoiva vahvistin
Invertoiva vahvistin näkyy alla:
Se on op-vahvistimen jänniteshunttipalautteen konfiguraatio. Operaatiovahvistimen invertoivaan tuloon syötetty signaalijännite johtaa virran I1 virtaamiseen operaatiovahvistimeen. Tiedämme, että op-vahvistimen tuloimpedanssi on ääretön. Se ei anna virran virrata vahvistimeen. Virta kulkee lähtösilmukan kautta (resistanssin R2 kautta) operaatiovahvistimen lähtöliittimeen.
Jännitteen vahvistus invertoivan vahvistimen lähtöliittimessä lasketaan seuraavasti:
A = Vo/Vs = -R2/R1
Missä,
Vo ja Vs ovat lähtö- ja signaalijännite.
Negatiivinen etumerkki kuvaa, että vahvistimen lähtö on 180 astetta eri vaiheesta tuloon nähden.
Invertoiva vahvistin on yksi eniten käytetyistä op-vahvistimista. Siinä on erittäin alhaiset tulo- ja lähtöimpedanssit.
Ei-invertoiva vahvistin
Ei-invertoiva vahvistin näkyy alla:
Yllä oleva konfiguraatio on jännite-sarjan takaisinkytkentäliitäntä. Operaatiovahvistimen ei-invertoivaan tuloon syötetty signaalijännite johtaa virran I1 virtaamiseen operaatiovahvistimeen ja virran I2 ulos operaatiovahvistimesta.
Virtuaalisen oikosulun käsitteen mukaan I1 = I2 ja Vx = Vs.
Ei-invertoivan vahvistimen jännitevahvistus voidaan laskea seuraavasti:
A = A + (R2/R1)
Ei-invertoivilla vahvistimilla on korkea tulo- ja matala lähtöimpedanssi. Sitä pidetään myös jännitevahvistimena.
DC vahvistimet
DC- tai Direct Coupled -vahvistimia käytetään matalataajuisten ja suoraan kytkettyjen signaalien vahvistamiseen. Tasavirtavahvistimen kaksi porrasta voidaan kytkeä toisiinsa käyttämällä näiden asteiden välistä suoraa kytkentää.
Suorakytkentä on yksinkertainen ja helppo liitäntätyyppi. Se voidaan laskea kytkemällä ensimmäisen asteen transistorin kollektori suoraan toisen asteen transistorikantaan, jota kutsutaan T1 ja T2.
Mutta DC-vahvistimet aiheuttavat kaksi ongelmaa, joita kutsutaan ajelehtimiseksi ja tason vaihtamiseksi. Differentiaalivahvistimen suunnittelu poisti tällaiset ongelmat. Keskustellaan differentiaalivahvistimesta.
Differentiaalivahvistimet
Differentiaalivahvistimen rakenne ratkaisi ajautumisen ja tasonsiirron ongelman. Rakenne koostuu kahdesta BJT (Bipolar Junction Transistor) -vahvistimet, jotka on kytketty vain virtajohtojen kautta. Se on nimetty differentiaalivahvistimeksi, koska vahvistimen lähtö on yksittäisten tulojen välinen ero, kuten alla on esitetty:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Missä,
Vo on lähtö, ja Vi1 ja Vi2 ovat kaksi tuloa.
A on differentiaalivahvistimen vahvistus.
Nyt jos
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
Yllä olevaa toimintoa kutsutaan a differentiaalitila operaatio. Tässä tulosignaalit ovat epävaiheisia keskenään. Tällaisia vaiheen ulkopuolisia signaaleja kutsutaan differentiaalimuotoisiksi (DM) signaaleiksi.
Jos,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
In = 0
Tämä operaatio tunnetaan nimellä yhteinen tila (CM), koska tulosignaalit ovat samassa vaiheessa toistensa kanssa. Tällaisten signaalien nollalähtö kuvaa, että vahvistimessa ei tapahdu ryömimiä.
Tehovahvistimet
Tehovahvistimia kutsutaan myös virtavahvistimet . Näitä vahvistimia tarvitaan nostamaan tulevan signaalin virtatasoa kuormien ohjaamiseksi helposti. Tehovahvistintyyppejä ovat audiotehovahvistimet, radiotaajuiset tehovahvistimet jne.
tkinter-painiketta
Tehovahvistimet luokitellaan luokan A, luokan AB, luokan B ja luokan C vahvistimiin. Keskustelemme tehovahvistinluokista myöhemmin tässä aiheessa.
Vaihda tilavahvistimet
Switch-mode-vahvistimet ovat eräänlainen ei-lineaarinen vahvistin, jolla on korkea hyötysuhde.
Yleinen esimerkki tämäntyyppisistä vahvistimista ovat D-luokan vahvistimet.
Instrumentaalinen vahvistin
Instrumentaalivahvistinta käytetään analogisissa anturi- ja mittauslaitteissa. Tarkastellaanpa esimerkkiä.
Erittäin alhaisten jännitteiden mittaamiseen käytettävä volttimittari vaatii instrumentaalivahvistimen toimiakseen kunnolla. Siinä on useita ominaisuuksia, kuten erittäin korkea jännitteen vahvistus, hyvä eristys, erittäin alhainen kohina, alhainen virrankulutus, suuri kaistanleveys jne.
Negatiivinen palaute
Negatiivinen takaisinkytkentä on yksi tärkeimmistä ominaisuuksista vahvistimien säröjen ja kaistanleveyden hallinnassa. Negatiivisen palautteen ensisijainen tarkoitus on vähentää järjestelmän voittoa. Vastakkaisessa vaiheessa oleva lähdön osa syötetään takaisin sisääntuloon. Arvo vähennetään edelleen syötteestä. Vääristyneessä lähtösignaalissa säröinen lähtö syötetään takaisin vastakkaiseen vaiheeseen. Se vähennetään syötteestä; voimme sanoa, että negatiivinen takaisinkytkentä vahvistimissa vähentää epälineaarisuutta ja ei-toivottuja signaaleja.
Alla oleva kuva edustaa negatiivista palautetta:
takaisinsoitto helvetti javascriptissä
Negatiivisen palautteen avulla voidaan myös eliminoida jakovääristymät ja muut fyysiset virheet. Muita negatiivisen palautteen käytön etuja ovat kaistanleveyden laajentaminen, lämpötilan muutosten oikaisu jne.
Negatiivinen takaisinkytkentä voi olla jännitteen negatiivinen takaisinkytkentä tai virran negatiivinen takaisinkytkentä. Molemmissa tapauksissa jännitteen tai virran takaisinkytkentä on verrannollinen lähtöön.
Meidän ei pidä sekoittaa positiivisen ja negatiivisen palautteen välillä. Positiivinen palaute pyrkii vahvistamaan muutosta, kun taas negatiivinen palaute pyrkii vähentämään muutosta. Toinen ero on, että positiivisen palautteen tulo- ja lähtösignaalit ovat samassa vaiheessa ja ne lisätään. Negatiivisen takaisinkytkennän tapauksessa tulo- ja lähtösignaalit ovat epävaiheisia ja ne vähennetään.
Aktiiviset laitteet vahvistimessa
Vahvistin koostuu joistakin aktiivisista laitteista, jotka vastaavat vahvistusprosessista. Se voi olla yksittäinen transistori, tyhjiöputki, puolijohdekomponentti tai mikä tahansa osa integroituja piirejä.
Keskustellaan aktiivisista laitteista ja niiden roolista vahvistusprosessissa.
BJT
BJT tunnetaan yleisesti nimellä a virtaohjattu laite. Bipolaarisia liitostransistoreja käytetään kytkiminä vahvistimien virran vahvistamiseen.
MOSFET
MOSFET tai Metallioksidipuolijohdekenttätehotransistorit käytetään yleisesti elektronisten signaalien vahvistamiseen. MOSFETeillä voidaan muuttaa johtavuutta säätämällä hilajännitettä. MOSFET voi myös parantaa heikon signaalin voimakkuutta. Siksi MOSFETejä voidaan käyttää vahvistimena.
Tyhjiöputkivahvistimet
Tyhjiöputkivahvistin käyttää tyhjiöputkia lähdelaitteena. Sitä käytetään lisäämään signaalin amplitudia. Mikroaaltotaajuuksien alapuolella putkivahvistimet korvattiin puolijohdevahvistimilla 19-luvun lopulla.thvuosisadalla.
Mikroaaltouunin vahvistimet
Mikroaaltovahvistimia käytetään yleisesti mikroaaltojärjestelmissä. Sitä käytetään nostamaan tulosignaalin tasoa hyvin pienellä säröllä. Se voi myös vaihtaa tai nostaa sähkötehoa. Se tarjoaa paremman yhden laitteen ulostulon verrattuna puolijohdelaitteisiin mikroaaltotaajuuksilla.
Magneettiset vahvistimet
Magneettiset vahvistimet kehitettiin 20-luvullathvuosisadalla tyhjiöputkivahvistimien haittojen (suuri virrankapasiteetti ja voimakkuus) voittamiseksi. Magneettiset vahvistimet ovat samanlaisia kuin transistorit. Se ohjaa sydämen magneettista voimakkuutta aktivoimalla ohjauskelan (toisen käämin).
Integroidut piirit
Integroidut piirit voivat sisältää useita elektronisia laitteita, kuten kondensaattoreita ja transistoreita. IC:n suosio on levittänyt myös elektronisia laitteita ympäri maailmaa.
Tehovahvistinluokat
Tehovahvistinluokat luokitellaan luokka A, luokka B, luokka AB, ja luokka C . Keskustellaan lyhyestä kuvauksesta tehovahvistinluokista.
A-luokan tehovahvistimet
A-luokan vahvistimen tulo on pieni, minkä vuoksi myös lähtö on pieni. Siksi se ei tuota paljon tehovahvistusta. Transistoreilla sitä voidaan käyttää jännitevahvistimina. Luokan A vahvistimet, joissa on tyhjiöpentodeja, voivat myös tarjota yhden tehonvahvistusasteen kuormien, kuten kaiuttimien, ohjaamiseen.
Luokan B tehovahvistimet
BJT:t vaativat yleensä B-luokan tehovahvistimia kuormien, kuten kaiuttimien, ohjaamiseen. Luokan B vahvistimien tulo on suuri, minkä vuoksi myös lähtö on erittäin suuri. Siten se tuottaa suuren vahvistuksen. Mutta yhden transistorin tapauksessa vain puolet tulosignaalista vahvistetaan.
Luokan AB tehovahvistimet
AB-tehovahvistimien kokoonpano on A- ja B-luokan vahvistimien välissä. Luokan AB vahvistimet tuotetaan yhdistämällä luokan B tehovahvistimien korkea teho ja A-luokan tehovahvistimien vähäinen särö.
Pienten lähtöjen tapauksessa luokan AB tehovahvistin voi toimia luokan A mukaisesti. Se voi toimia luokan B tehovahvistimena erittäin suurten lähtöjen tapauksessa.
C-luokan tehovahvistimet
C-luokan tehovahvistimien johtavuuselementti on transistorit. Sillä on parempi hyötysuhde, mutta alle puolijakson johtavuuden vuoksi se aiheuttaa suuria vääristymiä. Tästä syystä C-luokan tehovahvistimia ei suositella audiosovelluksissa. Tällaisten vahvistimien yleisiä sovelluksia ovat radiotaajuuspiirit.
Vahvistimen ominaisuudet
Vahvistimet määritellään niiden tulo- ja lähtöominaisuuksien mukaan. Vahvistimen vahvistus määrää sen vahvistuksen. Näin ollen vahvistus- ja kertoimet ovat vahvistimien kaksi olennaista ominaisuutta.
Keskustellaan ominaisuuksista, jotka määritetään eri parametreilla, jotka on lueteltu alla:
Vahvistimen vahvistus lasketaan lähdön (tehon, virran tai jännitteen) ja tulon suhteena. Se määrittää vahvistimen vahvistuksen. Esimerkiksi signaalin, jonka sisääntulo on 10 volttia ja lähtöjännite 60 volttia, vahvistus on 6.
Vahvistus = lähtö/tulo
Voitto = 60/10
voitto = 6
Vahvistus ilmaistaan yksikköinä dB (desibeleinä). Passiivisten komponenttien vahvistus on yleensä pienempi kuin yksi, kun taas aktiivisten komponenttien vahvistus on suurempi kuin 1.
Kaistanleveys määritellään leveydeksi mitattuna Hertz hyödyllisestä taajuusalueesta.
Taajuusalue - Taajuusalue määritellään yleensä taajuusvasteen tai kaistanleveyden perusteella.
Kohina määritellään ei-toivotuksi signaaliksi, joka toimii häiriönä järjestelmässä.
Vahvistimen korkeampi hyötysuhde johtaisi pienempään lämmöntuotantoon ja suurempaan lähtötehoon. Se lasketaan lähtötehon ja kokonaistehon käytön välisenä suhteena.
Muutosnopeus mitataan voltteina mikrosekunnissa. Se määritellään lähdön maksimimuutosnopeudeksi. Muutosnopeus vahvistimen äänialueen yläpuolella johtaisi vähemmän vääristymiin ja virheisiin.
Se määritellään vahvistimen kyvyksi tuottaa tarkkoja kopioita tulosignaalista.
Vahvistinpiirien on oltava stabiileja kaikilla käytettävissä olevilla taajuuksilla. Se määritellään kyvyksi välttää ei-toivotut värähtelyt elektronisessa laitteessa.
Eri vahvistimien toiminnot
Muilla vahvistimilla on erilaiset ominaisuudet. Keskustellaan erityyppisten nykyisten vahvistimien toiminnasta.
- The lineaariset vahvistimet eivät tarjoa täydellistä lineaarista kykyä, koska mikään vahvistin ei ole täydellinen. Se johtuu vahvistimien, kuten transistorien, käytöstä, jotka ovat luonteeltaan epälineaarisia. Nämä laitteet voivat tuottaa jonkin verran epälineaarisuutta. Lineaariset vahvistimet ovat vähemmän alttiita särölle. Tämä tarkoittaa, että lineaarivahvistimet tuottavat vähemmän säröä.
- Erityisesti suunniteltu äänen vahvistimet voi vahvistaa äänen taajuutta.
- Kapeakaistainen vahvistin vahvistaa kapealla taajuuskaistalla, kun taas laajakaistaiset vahvistimet vahvistavat laajalla taajuusalueella.
- The epälineaariset vahvistimet aiheuttaa vääristymiä lineaarisiin laitteisiin verrattuna. Mutta epälineaariset laitteet ovat edelleen käytössä. Esimerkkejä epälineaarisista vahvistimista ovat RF (Radiofrequency) -vahvistimet jne.
- Rakenne logaritminen vahvistin tuottaa tulonsa verrannollisen syötteensä logaritmiseen. Piiri koostuu kahdesta diodista ja kahdesta operaatiovahvistimesta (operaatiovahvistin).
Vahvistimen sovellukset
Vahvistimia käytetään erilaisissa sovelluksissa. Keskustellaan siitä yksityiskohtaisesti.
Jänniteseuraaja tunnetaan myös nimellä Unity Gain vahvistin . Sillä on erittäin suuri tuloimpedanssi ja erittäin pieni lähtöimpedanssi, mikä on perusperiaate puskurointi toiminta. Operaatiovahvistimen invertoiva liitin on oikosulussa lähtöliittimen kanssa.
Se tarkoittaa, että lähtö on yhtä suuri kuin tulo. Sitä kutsutaan jänniteseuraajaksi, koska vahvistimen lähtö seuraa tuloa.
Jänniteseuraaja ei tuota kuormitusvaikutuksia, ei teho- ja virtavahvistusta, mikä on sen etuja.
Virta-jännite-muuntimen rakenne on esitetty alla:
Missä,
RT: Termistori tai valoriippuvainen vastus.
SE: Nykyinen
RF: Palautevastus
JOS: Palautevirta
VO: Ulostulojännite
Termistori ohjaa operaatiovahvistinta sen invertoivassa tilassa. Lämpötilan muutos johtaa termistorin resistanssin vaihteluun. Se muuttaa edelleen sen läpi kulkevaa virtaa. Virta kulkee lähtöön takaisinkytkentävastuksen kautta takaisinkytkentävirtana, joka kehittää lähtöjännitettä. Koska termistorin virta on yhtä suuri kuin takaisinkytkentävirta, voidaan sanoa, että lähtöjännite on verrannollinen termistorin virtaan.
Siten tulovirta muunnetaan lähtöjännitteeksi.
TWTA ja Klystron ovat yleisiä laitteita, joita käytetään mikroaaltouunin vahvistimina. Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) tarjoaa hyvän vahvistuksen myös matalilla mikroaaltouunitaajuuksilla. Se tarkoittaa, että TWTA:ta suositellaan suuritehoiseen vahvistimeen. Mutta klystronit ovat paremmin viritettävissä TWTA:han verrattuna.
Klystroneja käytetään myös mikroaaltotaajuuksilla suuritehoisissa sovelluksissa. Mutta se tarjoaa laajan viritettävän vahvistuksen verrattuna TWTA:han. Sillä on myös kapea kaistanleveys verrattuna TWTA:han.
Puolijohdelaitteet , kuten MOSFET, diodeja, puolijohdemateriaaleja (pii, gallium jne.), käytetään pienillä tehoilla ja mikroaaltouunien taajuuksilla erilaisissa sovelluksissa. Esimerkiksi, matkapuhelimet, kannettavat radiotaajuuspäätelaitteet jne. Tällaisissa sovelluksissa koko ja tehokkuus ovat tärkeimmät tekijät, jotka määräävät sen kyvyn ja käytön. Puolijohdelaitteiden käyttö mikroaaltovahvistimissa tarjoaa myös laajan kaistanleveyden.
Vahvistimia käytetään erilaisissa soittimissa, kuten kitaroissa ja rumpukoneissa, muuntamaan eri lähteistä tuleva signaali (kitaran kielet jne.) voimakkaaksi elektroniseksi signaaliksi (tehovahvistin), joka tuottaa ääntä. Ääni kuuluu tarpeeksi yleisölle tai lähellä oleville ihmisille. Joidenkin musiikki-instrumenttien lähtö on kytketty kaiuttimiin kovempaa ääntä varten.
Soittimien soitinvahvistimissa on myös signaalin viritystoiminto, jonka avulla esiintyjä voi muuttaa signaalin ääntä.
Oskillaattoripiirejä käytetään minkä tahansa halutun taajuuden, muodon ja tehon sähköisten aaltomuotojen tuottamiseen. Vahvistimien käyttö oskillaattorissa tarjoaa vakiolähtöamplitudin ja vahvistaa takaisinkytkentätaajuutta.
Videovahvistimessa oleva vahvistin vahvistaa suurtaajuisista komponenteista koostuvaa signaalia. Se myös estää sitä vääristymästä. Videovahvistimilla on erilaisia kaistanleveyksiä videosignaalin laadun mukaan, kuten SDTV, HDTV, 1080pi jne.