工業電子中的電子放大器

這些設備旨在放大電信號的電壓、電流和功率。

最簡單的放大器是晶體管電路。放大器的使用是由於通常進入電子設備的電信號（電壓和電流）的振幅很小，因此有必要將它們增加到足以進一步使用（轉換，傳輸，負載供電）的必要值).

圖 1 顯示了操作放大器所需的設備。

圖 1 — 放大器環境

放大器負載時釋放的功率是其電源轉換後的功率，輸入信號僅驅動它。放大器由直流電源供電。

通常，放大器由幾個放大級組成（圖 2）。放大的第一級主要用於放大信號電壓，稱為前置放大器。它們的電路由輸入信號源的類型決定。

用於放大信號功率的級稱為終端或輸出。他們的方案由負載類型決定。此外，放大器可以包括設計用於獲得必要的放大和（或）形成放大信號的必要特性的中間級。

圖 2 — 放大器結構

功放分類：

1）取決於放大參數，電壓，電流，功放

2）按放大信號的性質：

• 諧波（連續）信號放大器；

• 脈衝信號放大器（數字放大器）。

3）在放大頻率範圍內：

• 直流放大器；

• 交流放大器

• 低頻、高頻、超高頻等

4）按頻率響應的性質：

• 諧振（放大窄頻帶中的信號）；

• 帶通（放大某個頻段）；

• 寬帶（放大整個頻率範圍）。

5）按增強元件類型：

• 電真空燈；

• 在半導體設備上；

• 在集成電路上。

選擇功放時，退出功放參數：

• 以瓦特為單位的輸出功率。輸出功率根據放大器的用途而有很大差異，例如在聲音放大器中——從耳機中的毫瓦到音頻系統中的數十瓦和數百瓦。

• 頻率範圍，以赫茲為單位。例如，同一音頻放大器通常應提供 20–20,000 Hz 頻率範圍內的增益，而電視信號放大器（圖像 + 聲音）通常應提供 20 Hz 至 10 MHz 及更高頻率範圍內的增益。

• 非線性失真，以百分比 % 衡量。它表徵放大信號的形狀失真。通常，給定參數越低越好。

• 效率（效率比）以百分比%衡量。顯示電源中有多少功率用於將功率耗散到負載中。事實上，源的部分功率被浪費了，在更大程度上這些是熱損失——電流的流動總是導致材料加熱。此參數對於自供電設備（來自蓄電池和電池）尤為重要。

圖 3 顯示了一個典型的雙極晶體管前置放大器電路。輸入信號來自電壓源Uin，隔直電容Cp1和Cp2傳遞變量ie。放大後的信號不通過直流電，這使得在串聯放大器級中創建獨立的直流電工作模式成為可能。

圖 3——雙極晶體管放大級示意圖

電阻Rb1和Rb2為主分壓器，為三極管Ib0的基極提供啟動電流，電阻Rk為集電極Ik0提供啟動電流。這些電流稱為層流。在沒有輸入信號的情況下，它們是恆定的。圖 4 顯示了放大器的時序圖。時間圖是參數隨時間的變化。

電阻 Re 提供負電流反饋 (NF)。反饋 (OC) 是將輸出信號的一部分傳輸到放大器的輸入電路。如果輸入信號和反饋信號相位相反，則稱反饋為負。 OOS 會降低增益，但同時會降低諧波失真並提高放大器穩定性。幾乎所有放大器都使用它。

電阻Rf和電容Cf是濾波元件。電容器Cf為放大器從源Up消耗的電流的可變分量形成低電阻電路。如果從源饋送多個放大器源，則需要濾波元件。

當施加輸入信號 Uin 時，電流 Ib ~ 出現在輸入電路和輸出 Ik ~ 中。電流 Ik ~ 通過負載 Rn 產生的電壓降將是放大的輸出信號。

從臨時的電壓和電流圖（圖 3）可以看出，級聯輸入 Ub ~ 和輸出 Uc ~ = Uout 處的電壓可變分量是反相的，即OE 晶​​體管的增益級以相反的方向改變（反轉）輸入信號的相位。

圖 4——雙極晶體管放大級電流和電壓的時序圖

運算放大器 (OU) 是具有高增益和深度負反饋的 DC/AC 放大器。

它允許實現大量電子設備，但傳統上稱為放大器。

可以說運算放大器是所有模擬電子產品的支柱。運算放大器的廣泛使用與它們的靈活性（能夠在其基礎上構建各種模擬和脈衝電子設備的能力）、寬頻率範圍（直流和交流信號的放大）、主要參數不受外部不穩定因素的影響有關因素（溫度變化、電源電壓等）。主要使用集成放大器（IOU）。

名稱中“操作”一詞的存在是因為這些放大器可能執行許多數學運算 - 加法、減法、微分、積分等。

圖 5 顯示了 UGO IEE。放大器有兩個輸入——正向和反向以及一個輸出。當輸入信號應用於同相（直接）輸入時，輸出信號具有相同的極性（相位）——圖 5，a。

圖 5 — 運算放大器的傳統圖形名稱

當使用反相輸入時，輸出信號的相位將相對於輸入信號的相位偏移 180°（極性反轉）——圖 6，b。反向輸入和輸出被圈出。

圖 6 — 運算放大器的時間圖：a) — 同相，b) — 反相

當向牆紙施加電壓時，輸出電壓與輸入電壓之差成正比。這些。反相輸入信號以 «-« 符號接受。 Uout = K (Uneinv - Uinv)，其中 K 是增益。

圖 7 — 運算放大器的幅度特性

運算放大器由雙極性電源供電，通常為+15V 和-15V。也允許使用單極性電源。其餘的 IOU 結論在使用時註明。

運算放大器的操作由振幅特性解釋 - 圖 8。在該特性上，可以區分線性部分，其中輸出電壓隨輸入電壓的增加成比例增加，以及飽和 U + 的兩個部分sat 和 U-sat。輸入電壓 Uin.max 達到某個特定值時，放大器進入飽和模式，輸出電壓呈現最大值（Up = 15 V，大約 Uns = 13 V）並保持不變增加輸入信號。飽和模式用於基於運算放大器的脈衝設備。

功率放大器用於放大的最後階段，旨在在負載中產生所需的功率。

它們的主要特點是在高輸入信號電平和高輸出電流下運行，這需要使用強大的放大器。

放大器可以在 A、AB、B、C 和 D 模式下運行。

在模式A中，放大器器件（晶體管或電子管）的輸出電流在放大信號的整個週期內（即恆定）是打開的，並且輸出電流流過它。 A 類功率放大器在放大信號中引入的失真最小，但效率非常低。

在模式 B 中，輸出電流分為兩部分，一個放大器放大信號的正半波，第二個放大負半波。因此，效率高於模式 A，但在開關晶體管的瞬間也會發生較大的非線性失真。

AB 模式重複 B 模式，但在從一個半波過渡到另一個半波的瞬間，兩個晶體管都打開，這樣可以在保持高效率的同時減少失真。 AB 模式是模擬放大器最常見的模式。

模式C用於放大過程中波形沒有失真的情況，因為放大器的輸出電流流過的時間不到半個週期，這當然會導致較大的失真。

D 模式使用將輸入信號轉換為脈衝，放大這些脈衝，然後再將它們轉換回來。在這種情況下，輸出晶體管工作在關鍵模式（晶體管完全關閉或完全打開），這使放大器的效率接近100%（在AV模式下，效率不超過50%）。在 D 模式下工作的放大器稱為數字放大器。

在推挽電路中，放大（模式 B 和 AB）發生在兩個時鐘週期內。在第一個半週期內，輸入信號由一個晶體管放大，另一個在這個半週期或其中的一部分內關閉。在第二個半週期中，信號由第二個晶體管放大，同時第一個晶體管關閉。

晶體管放大器的滑動電路如圖8所示。晶體管級VT3為輸出晶體管VT1和VT2提供推動力。電阻器 R1 和 R2 設置晶體管的恆定工作模式。

隨著負半波Uin的到來，集電極電流VT3增加，導致三極管VT1、VT2基極電壓升高。在這種情況下，VT2 關閉，集電極電流通過 VT1 流過電路：+ Up，轉換 K-E VT1，C2（充電期間），Rn，case。

當正半波到達時，Uin VT3 關閉，這導致晶體管 VT1 和 VT2 的基極電壓降低 - VT1 關閉，集電極電流通過 VT2 流過電路： + C2，轉換 EK VT2 ，案例，Rn，-C2。噸

這確保了輸入電壓的兩個半波的電流都流過負載。

圖 8 — 功率放大器示意圖

在模式 D 中，放大器與 脈衝寬度調製 (PWM)… 輸入信號調製 矩形脈衝通過改變他們的持續時間。在這種情況下，信號被轉換為相同幅度的矩形脈衝，其持續時間與任何時刻的信號值成正比。

脈衝序列被饋送到晶體管進行放大。由於放大信號是脈衝信號，因此晶體管以按鍵模式工作。在鍵模式下操作與最小損耗相關，因為晶體管要么關閉要么完全打開（具有最小電阻）。放大後，使用低通濾波器從信號中提取低頻分量（放大的原始信號）（ LPF ）並饋送到負載。

圖 9 — D 類放大器的框圖

D 類放大器用於筆記本電腦音頻系統、移動通信、電機控制設備等。

現代放大器的特點是廣泛使用集成電路。