Съществуват различни видове усилватели, използвани в радио и телевизия, звукови системи и друго
електронно оборудване. Усилвателите включват активни компоненти като вакуумна електронна лампа,
транзистори или интегрална схема.
Класификация:
По използвания активен електронен усилващ елемент:
•Лампови усилватели.
•Транзисторни усилватели.
•Усилватели изпълнени на интегрални схеми.
Според функциите, изпълнявани от електрическата схема:
•Усилватели на напрежение.
•Усилватели на мощност.
Според усилваният входен сигнал:
•Постояннотокови усилватели (те могат да усилват и променливотокови сигнали).
•Променливотокови усилватели.
•Усилватели за импулсни сигнали.
По основната схема на свързване:
За ламповите и транзисторните усилватели са разработени следните основни схеми на свързване:
•Усилватели с общ катод и съответно с общ емитер.
•Усилвател с обща решетка или съответно с обща база.
•Усилвател с общ анод или съответно с общ колектор.
Групиране в зависимост от работния честотен обхват:
•Нискочестотен усилвател (НЧУ).
•Високочестотен усилвател (ВЧУ).
•Междиночестотен усилвател (МЧУ).
•Усилватели работещи в микровълновия честотен обхват.
Групиране по усилваната честотна лента:
•Теснолентови – усилват дадена честота или тесен честотен обхват от честоти.
•Широколентови – равномерно усилват широк обхват от честоти
•Избирателни – чрез настройка усилват една честота или тесен обхват от честоти.
•Неизбирателни – честотния обхват се определя от нерегулируеми стойности на елементите.
Според конфигурацията на усилвателната схема и функциите на електронното устройство:
•DC усилвател (direct coupled) – усилвател с непосредствена връзка.
•DC усилвател (direct current) – постояннотоков усилвател.
•Диференциален усилвател.
•Операционен усилвател.
Тази класификация не може да определя еднозначно един усилвател. Обикновено усилвател може да се причисли
към повече от една от тези квалификационни групи. Например междиночестотният усилвател спада към групата
на избирателните усилватели усилващи променливотокови сигнали и може да се реализира със всички видове
активни електронни елементи.
Обратни връзки в усилвателите:
При усилвателите много често се прилагат отрицателни обратни връзки (ООВ), при която върнатият сигнал е обратен по фаза на входния. Коефициента на обратна връзка е по-малък или равен на единица. Когато върнатият сигнал UF съвпада по фаза с напрежението на сигнала от източника, ОВ е положителна (ПОВ). При ПОВ резултантният входен сигнал нараства и започва процес на генерация. В зависимост от това, какви елементи съдържа веригата за обратна връзка, те биват честотно независими и честотно зависими. Първите са изградени само от съпротивления, а вторите съдържат и реактивни елементи. Прилагането на ОВ в усилвателите оказва силно влияние върху техните параметри – коефициент на усилване, нелинейни изкривявания, честотна характеристика и др. — ООВ намалява коефициента на хармониците kh. Формата на изходния сигнал се изменя в резултат на възникващите висши хармоници, но въведената ООВ компенсира част от тях, тъй като те постъпват с обратна фаза на входа на усилвателя.
— ООВ подобрява честотната характеристика на усилвателя. Чрез подбор на честотнозависимите елементи във веригата на обратната връзка може да се внесе желано изменение на характеристиките и да се намалят честотните изкривявания. Намаляването на усилването при ООВ се компенсира чрез повишаване на входния сигнал или чрез увеличаване броя на усилвателните стъпала.
Класове усилватели:
(Според положението на работната точка на усилвателя )
*Физически смисъл на понятието работна точка.Транзисторът трябва да бъде поставен в подходящ постояннотоков режим на работа. Този ток се нарича още работна точка.
От избора на схемната реализация на един усилвател и определянето на неговата работна точка от волтамперната му
характеристика, входният сигнал се обработва по различен начин и се различават следните видове усилватели:
•Усилватели клас А – работната точка се намира в линейната част на характеристиката, което означава, че нелинеините изкривявания са малки, но и КПД също е малко. Затова се използва само в първите стъпала на усилвателя, там където нивото на сигналите е ниско, при по-големи входни сигнали има опасност от ограничаване на изходния сигнал и до поява на големи нелинейни изкривявания.Това е усилвател , при който токът на покой по-голям от 1 / 2 номиналния ток на усилвателя . Този клас усилватели е признат лидер на високото качество , но е изключително “разточителен” . КПД е много под 50% , огромна част от консумираната мощност се превръща в топлина в транзисторите на крайното стъпало . Поради горните причини клас А се използва за малки мощности примерно от 20-30W до 100W рядко повече.
•Усилватели клас АВ – работната точка се намира между клас А и клас В така, че се избягва закривената част на характеристиката. Нелинейните изкривявания са по-големи от клас А и по-малки от клас В. КПД също е голямо, но по-малко от клас В. Най-често използвания клас усилватели. Токът на покой се подбира около 0.005 до 0.1 от номиналния изходен ток на стъпалото ( най-често 0.01-0.02 ) . Сравнено с клас “А” този клас усилватели са далеч “по-икономични “ , при “допустими” изкривявания в крайното стъпало , компенсиращи се от по-дълбока ООВ . КПД е примерно (теоретично) 75 % .
•Усилватели клас В – работната точка се намира в началото на характеристиката, следователно изкривяванията са големи. Ъгълът на отсечка е Θ=90°. Характерно за класа е наличието на четни хармоници, поради което се използва при двутактните усилвателните стъпала, като те се компенсират. Средният КПД за режим клас В е голям. Или клас при, който транзисторите в крайното стъпало са все пак отпушени , токът на покой е под 0.01 от номиналния . Не се преподпочита и рядко се използва този клас , макар да е най-икономичен , защото има големи изкривявания.
•Усилватели клас С – Режимът клас С се характеризира с това, че ъгълът на отсечка е Θ<90°. Токовият импулс е много богат на хармонични съставки, които предизвикват големи нелинейни изкривявания.За да се отделят тези хармоници, в изходната верига на усилвателния елемент се включва трептящ кръг, настроен на основната честота, поради което нейните хармоници затихват в достатъчна степен.Тези предпоставки предопределят приложението на режим клас С в резонансните усилватели.КПД на този клас е значително по-голям в сравнение с този при останалите режими. Транзисторите на крайното стъпало в режим на покой ( без сигнал ) са напълно запушени , няма ток на покой . Най-икономичният клас , но няма приложение в “чист” вид в аудиото , поради изключително големите изкривявания , които не могат да се компенсират от ООВ.
•Усилватели клас ВС – Представлява аналогово-импулсен режим с комутиране на захранващото напрежение, който се използва в двутактни схеми с 4 усилващи транзистора. За слаби сигнали работи едната двойка транзистори в клас В с понижено захранващо напрежение. При силни сигнали се включва втората двойка транзистори в клас С който са захранени с номиналната стойност на захранващото напрежение. КПД е по-висок от този при режим клас В.
•Усилватели клас D – Този клас е от групата на високоефективните усилватели на мощност с КПД η≈1. При усилване на непрекъснати сигнали е необходимо преобразуването им в импулси. Усилвателният елемент е поставен да работи в ключов режим и усилва импулсите. В този режим отделяната топлинна мощност от усилвателният елемент е минимална. След усилването е нужно сигнала да се демодулира за да се възстанови непрекъснатата му форма. Това е т.нар. цифров усилвател . Работи на принципа на ШИМ , на носеща честота ( 20 – 400 кHz) . Най-често се използва полумост с двуполярно захранване , но също и пълен мост с еднополярно . Ползата е добро КПД – транзисторите работят в ключов режим . След ШИМ –а следва филтрация и товара . Отрицателните страни са ясни – използва се за ниски честоти (субуфер) , по-големи изкривявания в сравнение с АБ и А , трудно може да се нарече Хи-Фи .
КПД на този клас усилватели варира от 70-80% до малко под 100% .
•Усилватели класове G, Н: представлява комбинация от усилвател и метод за управление на захранването му. Целта на упражнението е да се ползва ниско напрежение при малки и средни изходни нива, с което се постига по-голямо к.п.д. в сравнение с “класическа” схема с фиксирано захранване.
Друга полза е, че изходните транзистори на основния усилвател се използват по-ефективно, което позволява да се намали общият им брой за постигане на една и съща изходна мощност, пак в сравнение с “класическа” схема. По-малки са и радиаторите.
Необходими термини :
•Амплитудночестотна характеристика. Отразява усилването на усилвателя в целият му работен диапазон. Качествените нискочестотни усилватели трябва да имат равномерна амплитудночестотна характеристика в честотна лента от 20 Hz до 20 000 kHz. При усилватели с непосредствена връзка амплитудно честотната характеристика е значително по-широка от усилване по постоянен ток и е от няколко Hz до 100 kHz и повече.
•Коефициент на усилване по напрежение. Това е отношението на изходното напрежение към това на входа на усилвателя за една честота или за целия честотен диапазон.
•Коефициент на усилване по мощност. Това е отношението между входната мощност към изходната мощност на усилвателя. В случая трябва да се измерят входното и изходното напрежение и входния импеданс и товарното съпротивление на усилвателя.
•Пропускана мощност в определена честотна лента. Този параметър е важен, защото амплитудночестотната характеристика може да е равномерна до 100 kHz, но изходната мощност върху нормален товар да е равномерна в диапазон например до 20 kHz.
•Чувствителност на усилвателя към промени на товара. Важен параметър за усилвателите по мощност. Един усилвател има максимална изходна мощност, когато неговия изходен импеданс е равен на товарното му съпротивление.
•Нелинейни изкривявания. След усилването на входния сигнал може да формата му да се видоизмени. Това се дължи на нелинейните характеристики на усилвателните елементи. Определят се с помощта на синусоидален сигнал, като се следи формата на изходния сигнал с формата на входния сигнал. След усилването се появяват хармонични съставки. Нелинейните изкривявания се оценяват с коефициент на нелинейни изкривявания – k.
k=SQRT(U22+U32+…)/U1
,където U1 e амплитудата на първия хармоник, U2 e амплитудата на втория хармоник…
•Честотни изкривявания на правоъгълни сигнали. За такива изкривявания се анализира влиянието на хармоничните върху фронтовете и формата на амплитудата на изходния сигнал.
•Фонов шум на усилвателя. За определяне фоновия шум на усилвателя се измерва изходното напрежение при липса на входен сигнал, а регулиращият потенциометър е поставен в положение максимум. Колкото е по-малко изходното напрежение, толкова усилвателят е по-качествен. Има разработени специални електронни схеми за потискане на фоновия шум при липса на сигнал.
•Амплитудна характеристика. Тя показва зависимостта на изходното от входното напрежение.
•Динамичен обхват. Той се определя от отношението на максималното ниво на входа(при условие че коефициента на нелинейни изкривявания не превишава зададена стойност), към нивото което е необходимо сигнала да се различава добре от шумовете.
•Ток на покой. Постоянен ток през транзисторите на крайното стъпало при липса на входен сигнал ( само за аналоговите класове ) . Този ток е “необходимо зло” и е характерен за повечето усилватели . С правилния му подбор може да се намалят изкривяванията в крайното стъпало ( тип “стъпало”), без да е неоходима прекалено дълбока ООВ , оказва изключително влияние на звученето на усилвателя като цяло . Токът на покой обаче води до загуби , ток който тече “напразно” и не се използва практически за получаване на изходна мощност , води до понижаване на КПД .
•Номинален изходен ток. Изходния ток на усилвателя , при който се получава номинална (предписана от производителя) мощност върху товар с номинален импеданс .
•КПД. Често използвана мярка – коефициент на полезно действие . Представлява отношение на полезната (подавана към високоговорителя) мощност към консумираната(цяла , пълна) мощност , умножено по 100 , измерва се в проценти . Винаги за жалост е по-малко от 100 .
•ШИМ. Широчинно импулсна модулация . В контекста на усилвателите – начин на управление на крайните транзистори на стъпалото така че те във всеки един момент заемат само едно състояние : напълно отпушени и напълно запушени. Променяйки времето за отпушено/запушено състояние на една група транзистори (едното рамо) и съответно запушено/отпушено състояние на група транзистори от другото рамо се получава модулиран със звука сигнал . Точно последното се нарича ШИМ .
