Amplifier elektronik dalam elektronik industri

Ini adalah perangkat yang dirancang untuk memperkuat tegangan, arus, dan kekuatan sinyal listrik.

Penguat paling sederhana adalah rangkaian transistor. Penggunaan amplifier disebabkan oleh fakta bahwa biasanya sinyal listrik (tegangan dan arus) yang masuk ke perangkat elektronik memiliki amplitudo kecil dan perlu ditingkatkan ke nilai yang diperlukan yang cukup untuk penggunaan lebih lanjut (konversi, transmisi, catu daya ke beban ).

Gambar 1 menunjukkan perangkat yang diperlukan untuk mengoperasikan amplifier.

Gambar 1 — Lingkungan amplifier

Daya yang dilepaskan saat amplifier dimuat adalah daya yang diubah dari catu dayanya dan sinyal input hanya menggerakkannya. Amplifier ditenagai oleh sumber arus searah.

Biasanya amplifier terdiri dari beberapa tahap amplifikasi (Gbr. 2). Tahap pertama amplifikasi, yang dirancang terutama untuk memperkuat tegangan sinyal, disebut preamplifier. Sirkuit mereka ditentukan oleh jenis sumber sinyal input.

Tahap yang berfungsi untuk memperkuat kekuatan sinyal disebut terminal atau output.Skema mereka ditentukan oleh jenis beban. Juga, penguat dapat mencakup tahap perantara yang dirancang untuk memperoleh penguatan yang diperlukan dan (atau) untuk membentuk karakteristik yang diperlukan dari sinyal yang diperkuat.

Gambar 2 — Struktur penguat

Klasifikasi Penguat:

1) tergantung pada parameter yang diperkuat, tegangan, arus, power amplifier

2) berdasarkan sifat sinyal yang diperkuat:

• penguat sinyal harmonik (kontinu);

• penguat sinyal pulsa (penguat digital).

3) dalam rentang frekuensi yang diperkuat:

• Amplifier DC;

• Amplifier AC

• frekuensi rendah, tinggi, ultra tinggi dll.

4) berdasarkan sifat respons frekuensi:

• resonan (memperkuat sinyal dalam pita frekuensi sempit);

• bandpass (memperkuat pita frekuensi tertentu);

• pita lebar (memperkuat seluruh rentang frekuensi).

5) berdasarkan jenis elemen penguat:

• lampu vakum listrik;

• pada perangkat semikonduktor;

• pada sirkuit terpadu.

Saat memilih amplifier, keluar dari parameter amplifier:

• daya keluaran diukur dalam watt. Daya keluaran sangat bervariasi tergantung pada tujuan penguat, misalnya pada penguat suara — dari miliwatt di headphone hingga puluhan dan ratusan watt di sistem audio.

• Rentang frekuensi, diukur dalam hertz. Misalnya, penguat audio yang sama biasanya memberikan penguatan dalam rentang frekuensi 20–20.000 Hz, dan penguat sinyal televisi (gambar + suara) — 20 Hz — 10 MHz dan lebih tinggi.

• Distorsi nonlinier, diukur dalam persen%. Ini mencirikan distorsi bentuk dari sinyal yang diperkuat. Umumnya, semakin rendah parameter yang diberikan, semakin baik.

• Efisiensi (rasio efisiensi) diukur dalam persen%.Menunjukkan berapa banyak daya dari catu daya yang digunakan untuk membuang daya ke beban. Faktanya adalah bahwa sebagian dari daya sumber terbuang percuma, sebagian besar ini adalah kehilangan panas - aliran arus selalu menyebabkan pemanasan material. Parameter ini sangat penting untuk perangkat mandiri (dari akumulator dan baterai).

Gambar 3 menunjukkan rangkaian preamp transistor bipolar yang khas. Sinyal input berasal dari sumber tegangan Uin Kapasitor pemblokiran Cp1 dan Cp2 melewati variabel yaitu. sinyal yang diperkuat dan tidak melewatkan arus searah, yang memungkinkan untuk membuat mode operasi independen untuk arus searah dalam tahap amplifier yang terhubung seri.

Gambar 3 — Diagram tahap penguat transistor bipolar

Resistor Rb1 dan Rb2 adalah pembagi utama yang menyediakan arus awal ke basis transistor Ib0, resistor Rk menyediakan arus awal ke kolektor Ik0. Arus ini disebut arus laminar. Dengan tidak adanya sinyal input, mereka konstan. Gambar 4 menunjukkan diagram waktu penguat. Plot waktu adalah perubahan parameter dari waktu ke waktu.

Resistor Re memberikan umpan balik arus negatif (NF). Umpan balik (OC) adalah transfer sebagian dari sinyal output ke rangkaian input amplifier. Jika sinyal input dan sinyal umpan balik berlawanan fase, umpan balik dikatakan negatif. OOS mengurangi penguatan, tetapi pada saat yang sama mengurangi distorsi harmonik dan meningkatkan stabilitas amplifier. Ini digunakan di hampir semua amplifier.

Resistor Rf dan kapasitor Cf adalah elemen filter.Kapasitor Cf membentuk rangkaian resistansi rendah untuk komponen variabel arus yang dikonsumsi oleh penguat dari sumber Naik. Elemen penyaringan diperlukan jika beberapa sumber penguat diumpankan dari sumber.

Ketika sinyal input Uin diterapkan, arus Ib ~ muncul di rangkaian input, dan di output Ik ~. Penurunan tegangan yang diciptakan oleh arus Ik ~ melalui beban Rn akan menjadi sinyal keluaran yang diperkuat.

Dari diagram tegangan dan arus sementara (Gbr. 3) terlihat bahwa komponen variabel tegangan pada input Ub ~ dan output Uc ~ = Ukeluar dari kaskade adalah antifase, mis. tahap penguatan transistor OE mengubah (membalikkan) fase sinyal input ke arah yang berlawanan.

Gambar 4 — Diagram pengaturan waktu arus dan tegangan pada tahap penguat transistor bipolar

Penguat operasional (OU) adalah penguat DC/AC dengan gain tinggi dan umpan balik negatif yang dalam.

Ini memungkinkan penerapan sejumlah besar perangkat elektronik, tetapi secara tradisional disebut amplifier.

Kita dapat mengatakan bahwa penguat operasional adalah tulang punggung dari semua elektronik analog. Penggunaan amplifier operasional yang luas dikaitkan dengan fleksibilitasnya (kemampuan untuk membangun berbagai perangkat elektronik atas dasar mereka, baik analog maupun pulsa), rentang frekuensi yang luas (amplifikasi sinyal DC dan AC), kemandirian parameter utama dari destabilisasi eksternal faktor (perubahan suhu, tegangan suplai, dll.). Penguat terintegrasi (IOU) terutama digunakan.

Kehadiran kata "operasional" dalam namanya dijelaskan oleh kemungkinan bahwa amplifier ini dapat melakukan sejumlah operasi matematika - penjumlahan, pengurangan, diferensiasi, integrasi, dll.

Gambar 5 menunjukkan UGO IEE.Amplifier memiliki dua input - maju dan mundur dan satu output. Ketika sinyal input diterapkan ke input (langsung) non-pembalik, sinyal output memiliki polaritas (fase) yang sama — Gambar 5, a.

Gambar 5 — Penunjukan grafis konvensional dari penguat operasional

Saat menggunakan input pembalik, fase sinyal output akan bergeser 180 ° relatif terhadap fase sinyal input (polaritas terbalik) — Gambar 6, b. Input dan output terbalik dilingkari.

Gambar 6 — Diagram waktu op-amp: a) — non-pembalik, b) — pembalik

Ketika tegangan diterapkan ke wallpaper, tegangan output sebanding dengan perbedaan antara tegangan input. Ini. sinyal input pembalik diterima dengan tanda «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), dimana K adalah gain.

Gambar 7 — Karakteristik amplitudo op-amp

Op-amp ditenagai oleh sumber bipolar, biasanya +15V dan -15V. Catu daya unipolar juga diperbolehkan. Kesimpulan IOU lainnya ditunjukkan saat digunakan.

Pengoperasian op-amp dijelaskan oleh karakteristik amplitudo - Gambar 8. Pada karakteristik, bagian linier dapat dibedakan, di mana tegangan keluaran meningkat secara proporsional dengan peningkatan tegangan input, dan dua bagian saturasi U + duduk dan U-duduk. Pada nilai tertentu dari tegangan input Uin.max, amplifier beralih ke mode saturasi, di mana tegangan output mengasumsikan nilai maksimum (pada nilai Up = 15 V, kira-kira Uns = 13 V) dan tetap tidak berubah dengan tegangan lebih lanjut peningkatan sinyal masukan. Mode saturasi digunakan dalam perangkat pulsa berdasarkan penguat operasional.

Penguat daya digunakan pada tahap akhir amplifikasi dan dirancang untuk menciptakan daya yang dibutuhkan dalam beban.

Fitur utamanya adalah pengoperasian pada level sinyal input tinggi dan arus output tinggi, yang memerlukan penggunaan amplifier yang kuat.

Amplifier dapat beroperasi dalam mode A, AB, B, C dan D.

Dalam mode A, arus keluaran perangkat penguat (transistor atau tabung elektronik) terbuka untuk seluruh periode sinyal yang diperkuat (yaitu, terus-menerus) dan arus keluaran mengalir melaluinya. Penguat daya Kelas A memperkenalkan distorsi minimal ke dalam sinyal yang diperkuat, tetapi memiliki efisiensi yang sangat rendah.

Dalam mode B, arus keluaran dibagi menjadi dua bagian, satu penguat menguatkan setengah gelombang positif dari sinyal, yang kedua negatif. Akibatnya, efisiensi lebih tinggi daripada dalam mode A, tetapi juga distorsi non-linier besar yang terjadi pada saat peralihan transistor.

Mode AB mengulangi mode B, tetapi pada saat transisi dari satu setengah gelombang ke gelombang lainnya, kedua transistor terbuka, yang memungkinkan untuk mengurangi distorsi sambil mempertahankan efisiensi tinggi. Mode AB adalah yang paling umum untuk amplifier analog.

Mode C digunakan dalam kasus di mana tidak ada distorsi bentuk gelombang selama amplifikasi, karena arus keluaran amplifier mengalir kurang dari setengah periode, yang tentu saja menyebabkan distorsi besar.

Mode D menggunakan pengubahan sinyal input menjadi pulsa, memperkuat pulsa tersebut, dan kemudian mengubahnya kembali.Dalam hal ini, transistor keluaran bekerja dalam mode kunci (transistor tertutup penuh atau terbuka penuh), yang membawa efisiensi penguat mendekati 100% (dalam mode AV, efisiensi tidak melebihi 50%). Amplifier yang beroperasi dalam mode D disebut amplifier digital.

Dalam rangkaian push-pull, amplifikasi (mode B dan AB) terjadi dalam dua siklus clock. Selama setengah siklus pertama, sinyal input diperkuat oleh satu transistor, dan transistor lainnya ditutup selama setengah siklus ini atau sebagian darinya. Pada setengah siklus kedua, sinyal diperkuat oleh transistor kedua sedangkan yang pertama dimatikan.

Rangkaian geser penguat transistor ditunjukkan pada Gambar 8. Tahap transistor VT3 memberikan dorongan ke transistor keluaran VT1 dan VT2. Resistor R1 dan R2 mengatur mode operasi transistor yang konstan.

Dengan datangnya Uin setengah gelombang negatif, arus kolektor VT3 meningkat, yang menyebabkan peningkatan tegangan pada basis transistor VT1 dan VT2. Dalam hal ini, VT2 menutup dan melalui VT1 arus kolektor melewati rangkaian: + Naik, transisi K-E VT1, C2 (selama pengisian), Rn, kasing.

Ketika setengah gelombang positif tiba, Uin VT3 menutup, yang menyebabkan penurunan tegangan pada basis transistor VT1 dan VT2 — VT1 menutup, dan melalui VT2 arus kolektor mengalir melalui rangkaian: + C2, transisi EK VT2 , kasus, Rn, -C2 . T

Ini memastikan bahwa arus dari kedua setengah gelombang tegangan input mengalir melalui beban.

Gambar 8 — Skema penguat daya

Dalam mode D, amplifier beroperasi dengan modulasi lebar pulsa (PWM)… Sinyal input memodulasi pulsa persegi panjangdengan mengubah durasinya.Dalam hal ini, sinyal diubah menjadi pulsa persegi panjang dengan amplitudo yang sama, durasinya sebanding dengan nilai sinyal setiap saat.

Kereta pulsa diumpankan ke transistor untuk amplifikasi. Karena sinyal yang diperkuat berdenyut, transistor beroperasi dalam mode kunci. Operasi dalam mode kunci dikaitkan dengan kerugian minimal, karena transistor tertutup atau terbuka penuh (memiliki resistansi minimal) Setelah amplifikasi, komponen frekuensi rendah (sinyal asli yang diperkuat) diekstraksi dari sinyal menggunakan filter low-pass ( LPF) dan diumpankan ke beban.

Gambar 9 — Diagram blok penguat kelas D

Amplifier Kelas D digunakan dalam sistem audio laptop, komunikasi seluler, perangkat kontrol motor, dan banyak lagi.

Amplifier modern dicirikan oleh meluasnya penggunaan sirkuit terintegrasi.