Войти
100-ваттный стереоусилитель звука, инструмент в домашних компонентных аудиосистемах в 1970-х. 
Усиление увеличения амплитуда (напряжение или ток) изменяющегося во времени сигнала с заданным коэффициентом, как показано здесь. На графике показано входное 
(синий) и выходное напряжение 
(красный) идеального линейного усилителя с произвольным сигналом на входе. В этом примере усилитель коэффициент усиления по напряжению , равный 3; то есть в любой момент 
усилитель, электронный усилитель или (неформально) amp - электронное устройство, которое может увеличивать мощность сигнала (изменяющееся во времени напряжение или ток ). Это двухпортовая электронная схема, которая использует электроэнергию от источника питания для увеличения амплитуды сигнала, подаваемого на его входные клеммы, создавая пропорционально сигнал большей амплитуды на его выходе. Величина усиления, обеспечиваемого усилителем, измеряется его усилением : отношением выходного напряжения, тока или мощности к входной. Усилитель - это схема, у которой коэффициент усиления мощности больше единицы.
Усилитель может быть либо устройством, либо электрической схемой, даннымся в другом устройстве.. Усиление используется современной электроники, и усилители широко используются во всем электронном оборудовании. Усилители можно разделить на разные категории. Один из них связан с усилением частоты электронного сигнала. Например, усилители звука усиливают сигналы в диапазоне audio (звук) менее 20 кГц, усилители RF усиливают частоты в диапазоне радиочастоты между 20 кГц. и 300, а сервоусилители и инструментальные усилители могут работать с очень низкими частотами до постоянного тока. Усилители также можно разделить на категории по их физическому размещению в сигнальной цепочке ; предусилитель может предшествовать, например, другим этапам обработки сигнала. Первым практическим электрическим звуком, способным усиливать, был триод электронная лампа, изобретенный в 1906 году Ли Де Форест, который привел к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. году. в большинстве усилителей используются транзисторы .
Первым практическим препаратом, которое могло усилить сигнал, был триод вакуумная лампа, изобретенная в 1906 году Ли Де Форест, которая привела к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Вакуумные лампы использовались почти во всех усилителях до 1960-1970-х годов, когда транзисторы заменил их. Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы, в некоторых приложениях штатные электронные лампы.
Прототип аудиоусилителя Де Фореста, 1914 год. Ламповая лампа Audion (триод) коэффициент усиления по напряжению около 5, общий коэффициент усиления около 125 для этого трехкаскадного усилителя. Развитие технологии аудиосвязи в форме телефона телефона, впервые запатентованного в 1876 году, привело к необходимости увеличения амплитуды сигналов для распространения сигналов на все более длинные расстояния. В телеграфии эта проблема была решена с помощью промежуточных устройств на станциях, которые восполняли рассеиваемую энергию, управляя записывающим сигналом и передатчиком последовательно, образуя реле, так что местный источник энергии на каждой промежуточной станции питал следующий участок передачи. Для дуплексной передачи, то есть отправка и прием в обоих направлениях, двунаправленные ретрансляционные повторители были разработаны, начиная с работы C. Варлей Ф. для телеграфной передачи. Дуплексная передача была важна для телефона, и проблема не была удовлетворительно решена до 1904 года, когда Е.П. Шрив из Американской телефонной и телеграфной компании усовершенствовал попытку создания телефонного ретранслятора, состоящего из обратных линий связи. к спине пары передатчика углерод-гранулы и электродинамического приемника. Ретранслятор Шрив был сначала испытан на линии между Бостоном и Эймсбери, Массачусетс, и более совершенные устройства оставались в эксплуатации в течение некоторого времени. На рубеже веков было обнаружено, что отрицательное сопротивление ртутные лампы можно усиливать, и они были также испытаны в ретрансляторах, но без особого успеха.
Разработка термоэмиссионных клапанов начиная примерно с 1902 года, появился полностью электронный метод усиления сигналов. Первой практической версией таких устройств был триод Audion , изобретенный в 1906 году Ли Форест, что привело к появлению первых усилителей примерно в 1912 году. Предыдущее устройство, которое широко использовалось для усиления, было реле, используемым в телеграфных системах, усиливающая вакуумная лампа сначала называлась электронным реле. Термины «усилитель» и «усиление», происходящие от латинского «ampificare» (увеличивать или расширять), были впервые использованы для этой новой возможности примерно в 1915 году, когда стали широко распространены триоды.
Усиливающая электронная лампа произвела революцию в электрических технологиях, создавая новую область электроники, технология активных электрических устройств. Это сделало возможными междугородные телефонные линии, системы громкой связи, радиовещание, говорящие фильмы, практические аудиозаписи, радар, телевидение и первые компьютеры. В течение 50 лет практически во всех устройств бытовой электроники использовались электронные лампы. Ранние ламповые усилители имели положительную обратную связь (регенерацию ), которая могла увеличивать коэффициент усиления, но также делала усилитель нестабильным и часто склонным к колебаниям. Большая часть математической теории усилителей была увеличена в Bell Telephone Laboratories в период с 1920-х по 1940-е годы. Уровни искажений в ранних усилителях были высокими, обычно около 5%, до 1934 года, когда Гарольд Блэк развил отрицательную обратную ; это способствует снижению уровня развития за счет более низкого усиления. Другие успехи в усилении были сделаны Гарри Найквистом и Хендриком Уэйдом Бодом.
. Вакуумная лампа была практически единственным усилительным устройством, кроме устройств силовых устройств, таких как магнитный усилитель и ampidyne, в течение 40 лет. В управлении мощностью использовались магнитные схемные усилители до второй половины двадцатого века, когда силовые полупроводниковые устройства стали более экономичными и имели более высокие рабочие скорости. Старые электроакустические угольные повторители Shreeve использовались в регулируемых усилителях в телефонных абонентских аппаратах для людей с нарушениями слуха, пока в 1950-х годах транзисторы не стали требовать усилители меньшего и более высокого качества.
Первые работающие транзистор был транзистором с точечным контактом, изобретенным Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1947 году в Bell Labs, где Уильям Шокли позже изобрел транзистор с биполярным соединением (BJT) в 1948 году. За ними последовало изобретение полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET).) от Мохамеда М. Аталлы и Давона Канга из Bell Labs в 1959 году. масштабирования MOSFET, возможности масштабирования до всех более малых размеров, MOSFET с тех пор стал наиболее широко используемым усилителем.
Замена громоздких электронных ламп транзисторами в 1960-х и 1970-х годах произвела революцию в электронике, сделав Возможен большой класс портативных электронных устройств, таких как транзисторный радиоприемник, в 1954 году. Сегодня использование электронных ламп ограничено для некоторых приложений с большой мощностью, таких как радиопередатчики.
Начиная с 1970-х годов, все больше и больше транзисторов было подключено к одному кристаллу, тем самым создавая более высокий уровень интеграции (например, мелкомасштабную, среднюю и крупномасштабную интеграцию ) в интегральные схемы. Многие коммерчески доступные сегодня усилители основаны на интегральных схемах.
Для специальных целей использовались другие активные элементы. Например, на заре спутниковой связи использовались параметры усилителя . Сердечник представлял собой диод, емкость которого изменялась локально созданным радиочастотным сигналом. При определенных РЧ-сигнал давал данные условиях, которая модулирована слабым спутниковым сигналом, принимаемым земной станцией.
Достижения в цифровом электронике с конца 20-го века предоставили новые альтернативы традиционным усилителям с линейным усилением формы использования цифрового переключения для изменений импульса сигналов с фиксированной амплитудой, в результате чего появились такие устройства. как усилитель класса D.
Четыре типа зависимых источников - управляющая переменная слева, выходная переменная справа В принципе, усилитель представляет собой электрическую двухпортовую сеть, который создает сигнал на выходном порту, который является копией сигнала, запрашиваемого на входной порт, но с увеличенной амплитудой.
Входной порт можно идеализировать как входное напряжение, который не принимает ток, с выходом, пропорциональным напряжением на порте; или токовый вход напряжения без на нем, в котором выход пропорционален току через порт. Выходной порт может быть идеализирован как зависимый источник напряжения с нулевым сопротивлением источника и его выходное напряжение, зависящее от входа; или зависимый источник тока с бесконечным сопротивлением источника и выходным током, зависящим от входа. Комбинация этих вариантов приводит к четырем типам идеальных усилителей. В идеализированной форме они представлены в каждом из четырех типов зависимого источника, используются в линейном анализе, как показано на рисунке, а именно:
| Вход | Выход | Зависимый источник | Тип усилителя | Единицы усиления |
|---|---|---|---|---|
| I | I | Источник тока, управляемый током, CCCS | Усилитель тока | Безразмерный |
| I | V | Источник напряжения, управляемый током, CCVS | Трансрезистивный усилитель | Ом |
| V | I | Источник тока, управляемый напряжением, VCCS | Крутизна усилитель | Siemens |
| V | V | Источник напряжения, управляемый напряжением, VCVS | Усилитель напряжения | Безразмерный |
Каждый тип усилителя в его идеальной форме имеет идеальное входное и выходное сопротивление, такое же, как у соответствующего зависимого источника:
| Тип усилителя | Зависимый источник | Входной импеданс | Выходной импеданс |
|---|---|---|---|
| Ток | CCCS | 0 | ∞ |
| Transresistance | CCVS | 0 | 0 |
| Transconductance | VCCS | ∞ | ∞ |
| Напряжение | VCVS | ∞ | 0 |
В реальных усилителях идеального импеданса невозможно, но эти идеальные элементы можно использовать для построения эквивалентных реальных усилителей путем добавления импедансов (сопротивления, емкости и индуктивности) ко входу и выходу. Для любой конкретной схемы часто используется анализ слабого сигнала, чтобы найти фактическое сопротивление. Испытание ток слабого сигнала переменного тока I x подается на нулевой уровень переменного тока и соответствующее переменное напряжение V x на испытательном токе. источник определяет импеданс, видимый в этом узле, как R = V x / I x.
Усилители, предназначенные для подключения к линии передачи на входе и выходе, особенно усилители RF, не вписываются в этот классификационный подход. Вместо того, чтобы работать с напряжением или током по отдельности, они идеально сочетаются с входным или выходным импедансом, согласованным с импедансом линии передачи, то есть согласовывают напряжение к току. Многие настоящие ВЧ усилители близки к этому идеалу. Хотя для данного источника и импеданса нагрузки ВЧ-усилители могут быть охтеризованными как усиливающие напряжение или ток, они, по сути, являются усиливающей мощностью.
Свойства усилителя задаются, которые включают:
Усилители описываются в соответствии со свойствами их вхо дов, их выходов и того, как они связаны. Все усилители имеют коэффициент усиления - коэффициент умножения, который связывает некоторое свойства выходного сигнала со своим входным сигналом. Коэффициент усиления может быть задан как отношение выходного напряжения к входному напряжению (коэффициент усиления по напряжению ), выходной мощности к входной мощности (коэффициент усиления по мощности ) или некоторой комбинации тока, напряжения и мощности. Во многих случаях свойство выхода изменяется, зависит от того же свойства входа, что делает усиление безразмерным (хотя часто выражается в децибелах (дБ)).
Большинство усилителей спроектированы как линейные. То есть они обеспечивают постоянное усиление для любого нормального входного уровня и выходного сигнала. Если коэффициент усиления усилителя нелинейный, выходной сигнал может стать искаженным. Однако есть случаи, когда переменное усиление полезно. В некоторых приложениях обработки сигналов используются усилители с экспоненциальным усилением.
Усилители обычно предназначены для работы в определенных приложениях, например: радио и телевидение передатчики и приемники, высококачественное («Hi-Fi») стереооборудование, микрокомпьютеры и другое цифровое оборудование, а также гитара и другие инструменты усилители. Каждый усилитель включает в себя как минимум одно активное устройство, такое как электронная лампа или транзистор.
Отрицательная обратная связь - метод, Используется большинство современных усилителей для улучшения полосы пропускания, искажений и управления усилением. В усилитель с отрицательной обратной связью часть выхода возвращается и добавляется ко входу в противофазе, вычитая из входа. Основной эффект - снижение общего коэффициента усиления системы. Однако любые нежелательные сигналы, вносимые усилителем, такие искажения, также возвращаются. Они не используются для входа в систему, они добавляются к входу в противофазе, вычитая их из входа. Таким образом, отрицательная обратная связь также снижает нелинейность, искажения и ошибки, вносимые усилителем. Большое количество отрицательной обратной связи может уменьшить количество ошибок до такой степени, что отклик самого усилителя становится почти несущественным, если он имеет большое усиление, и выходные характеристики системы («производительность замкнутого контура ») полностью определяется компонентами контура обратной связи. Этот метод особенно используется с операционными усилителями (операционными усилителями).
Усилители без обратной связи могут обеспечить искажение только около 1% для сигналов звуковой частоты. С помощью отрицательной обратной связи искажение обычно можно уменьшить до 0,001%. Шум и даже кроссоверные искажения можно практически устранить. Отрицательная обратная связь также компенсирует изменение температуры и ухудшение или нелинейные компоненты в каскаде усиления, но любое изменение или нелинейность в компонентах в контуре обратной связи повлияет на выходной сигнал. Действительно, способность контура обратной связи определять выходной сигнал используется для создания схем активных фильтров.
. Еще одним преимуществом отрицательной обратной связи является то, что она расширяет полосу пропускания усилителя. Концепция обратной связи используется в операционных усилителях для точного определения усиления, ширины полосы и других параметров, полностью основанных на компонентах в контуре обратной связи.
Отрицательная обратная связь может применяться на каждом каскаде усилителя для стабилизации рабочей точки активных устройств от незначительных изменений напряжения источника питания или характеристик устройства.
Некоторая обратная связь, положительная или отрицательная, неизбежна и часто нежелательна - вызывается, например, паразитными элементами, такими как внутренняя емкость между входом и выходом таких устройств, как транзисторы, и емкостные муфта внешней проводки. Чрезмерная частотно-зависимая положительная обратная связь может вызвать паразитные колебания и превратить усилитель в генератор.
Все усилители включают в себя те или иные формы Активное устройство: это устройство, которое выполняет собственное усиление. Активным устройством может быть электронная лампа, дискретный твердотельный компонент, например одиночный транзистор, или часть интегральной схемы, как в операционный усилитель ).
Транзисторные усилители (или твердотельные усилители) являются наиболее распространенным типом усилителей, используемых сегодня. В качестве активного элемента используется транзистор. Коэффициент усиления усилителя определяется свойствами самого транзистора, а также схемы, в которой он содержится.
Общие активные устройства в транзисторных усилителях включают транзисторы с биполярным переходом (BJT) и металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).
Применения многочисленны, некоторые распространенные примеры - усилители звука в домашней стереосистеме или система громкой связи,генерация высокой мощности ВЧ для полупроводникового оборудования, в ВЧ- и СВЧ-приложениях, таких как радиопередатчики.
Усиление на основе транзисторов может быть реализовано с использованием различных конфигураций: например, биполярный переходный транзистор может реализовать общую базу, общий коллектор или общий эмиттер усиление; МОП-транзистор может реализовать усиление с общим затвором, с общим истоком или с общим стоком. Каждая конфигурация имеет разные характеристики.
В ламповых усилителях (также известных как ламповые усилители или ламповые усилители) в качестве устройства используется вакуумная лампа. В то время как полупроводниковые усилители в большой степени вытеснили ламповые усилители для приложений с низким энергопотреблением, ламповые усилители могут быть намного более экономичными в приложениях с большой мощностью, таких как радары, контрольно-измерительное оборудование и оборудование связи. Многие СВЧ-усилители представляют собой специально разработанные ламповые усилители, такие как клистрон, гиротрон, лампа бегущей волны и перекрестно- усилитель поля, и эти СВЧ-лампы обеспечивают большую выходную мощность отдельного устройства на СВЧ-частотах, чем твердотельные устройства. Вакуумные лампы отопления класса, а также в усилителях музыкальных инструментов из-за предпочтения «лампового звука ».
Магнитные усилители - это устройство, в некоторой степени похожие на трансформатор, в котором используется одна обмотка для управления насыщением магнитного сердечника и, следовательно, для изменений импеданса другой обмотки.
Они в степени вышли из употребления из-за разработки полупроводниковых усилителей, но все еще используются в HVDC управление и вах управления ядерной мощностью из-за того, что они не подвержены влиянию радиоактивности.
Отрицательные сопротивления Награды в качестве усилителей, например, туннельный диодный усилитель.
Усилитель от Skyworks Solutions в Смартфон.Усилитель мощности - это усилитель, предназначенный в первую очередь для увеличения мощности, доступной для нагрузки. На практике усиление мощности усилителя зависит от импеданса источника и нагрузки, а также от собственного усиления по напряжению и току. Конструкция усилителя радиочастоты (RF) обычно оптимизирует импедансы для передачи мощности, в то время как конструкции звуковых и инструментальных усилителей обычно оптимизируют входное и выходное сопротивление для минимальной нагрузки и максимальной целостности сигнала. Усилитель, который, как утверждается, имеет усиление 20 дБ, может иметь усиление по напряжению 20 дБ (коэффициент мощности 100) - тем не менее, на самом деле он обеспечивает намного меньшее усиление мощности, если, например,, входной сигнал поступает от микрофона с сопротивлением 600 Ом, выход подключается к входному разъему 47 кОм для усилителя мощности. Как правило, усилитель мощности является последним «усилителем» или реальной схемой в сигнальной цепи (выходной каскад) и является каскадом усилителя, который требует внимания к энергоэффективности. Соображения эффективности приводят к различным классам усилителей мощности, основанных на смещении транзисторов или: см. классы усилителей мощности ниже.
Усилители мощности звука обычно используются для управления громкоговорителями. Часто два выходных канала они имеют на каждый равную мощность. Усилитель мощности ВЧ находится в оконечных каскадах радиопередатчика . A Контроллер серводвигателя : усиливает управляющее напряжение для регулировки скорости двигателя или положения моторизованной системы.
LM741 общего назначения операционный усилитель Операционный усилитель представляет собой схему усилителя, которая обычно имеет очень высокий коэффициент усиления без обратной связи и дифференциальные входы. Операционные усилители стали очень широко Введение в качестве стандартизированных «блоков усиления» в схемах из-за их универсальности; их усиление, полоса пропускания и другие характеристики могут контролироваться обратной связью через внешнюю цепь. Использовались современные схемы применяемого интегрального схемного устройства.
A полностью дифференциальный усилитель аналогичный операционному усилителю, но также имеет дифференциальные выходы. Обычно они конструируются с использованием BJT или полевых транзисторов.
. В них используются сбалансированные разделения передачи для разделения отдельных одноступенчатых усилителей, выходы которых суммируются одной линией передачи. Линия передачи является сбалансированной, с входом на одном конце и только с одной стороны сбалансированной линии передачи, а выход на противоположном конце также является противоположной стороной сбалансированной линии передачи. Коэффициент усиления каждого каскада линейно прибавляется к одному на другой сигналу, а не умножается на другой, как в каскадной конфигурации. Это позволяет получить более широкую полосу пропускания, чем можно было бы реализовать в случае, даже с теми же элементами каска усиления.
Эти нелинейные усилители имеют гораздо более высокий КПД, чем линейные усилители, и используются там, где экономия энергии оправдывает дополнительную сложность. Усилители класса D являются первым примером этого типа усилителей.
Усилитель отрицательного сопротивления - это тип рекуперативного усилителя, который может использовать обратную связь между истоком и затвором транзистора для преобразования емкостного сопротивления на истоке транзистора в отрицательное сопротивление на его Ворота. Другими другими типами усилителей, этот «усилитель с отрицательным сопротивлением» потребует лишь крошечного количества энергии для достижения очень высокого усиления, сохраняя при этом коэффициент шума.
Видеоусилители предназначены для обработки видеосигналов и имеют разную полосу пропускания в зависимости от того, предназначены ли видеосигналы для SDTV, EDTV, HDTV 720p или 1080i / p и т. д. Спецификация самой полосы пропускания зависит от того, какой фильтр используется - и в какой точке (например, -1 дБ или -3 дБ) измеряется ширина полосы. Для воспроизведения приемлемого телевизионного изображения необходимо требования к переходной характеристике и перерегулированию.
Лампы бегущей волны усилители (ЛБВВ) используются для усиления высокой мощности на низких микроволновых частотах. Обычно они могут усиливаться в широком спектре частот; однако они обычно не так настраиваются, как клистроны.
Клистроны представляют собой специализированные вакуумные устройства с линейным лучом, разработанные для обеспечения высокой мощности, широко настраиваемого усиления миллиметровых и субмиллиметровых волн. Клистроны предназначены для крупномасштабных операций и, несмотря на ширину полосы частот более узкой, Чим TWTAs, они имеют преимущество когерентно усиления опорного сигнала, чтобы его выход может быть точно контролируется по амплитуде, частоте и фазе.
Используются твердотельные устройства, такие как полевые МОП-транзисторы с коротким каналом, полевые транзисторы на основе GaAs, биполярные транзисторы с гетеропереходом / HBT, ди IMPATT и другие., особенно на более низких частотах СВЧ и уровнях мощности порядка ватт.
В зависимости от их технических устройств усилителя и требований к размеру, СВЧ-усилители могут быть реализованы в виде монолитно интегрированных, интегрированных в виде модулей или на основе отдельных частей или любых комбинаций.
мазер - это неэлектронный микроволновый усилитель.
Инструментальные усилители - это линейка усилителей мощности звука, используемая для увеличения уровня звука музыкальных инструментов, например гитар, во время выступлений.
Один набор классификаций для усилителей основан на том, какой вывод является устройством общим как для входной, так и для выходной цепи. В случае транзисторов с биполярным переходом, тремя классами являются общий эмиттер, общая база и общий коллектор. Для полевых транзисторов соответствующий представляет собой общий исток, общий затвор и общий сток; для электронных ламп, с общей катодом, общей сеткой и общей пластиной.
Общий эмиттер (или общий исток, общий катод и т. Д.) Чаще всего конфигурируется для усиления напряжения, приложенный между базой и эмиттером, выходной сигнал, принимаемый между коллектором и эмиттером, инвертируется относительно вход. В схеме с общим коллектором входное напряжение между базой и коллектором и снимается выходное напряжение между эмиттером и коллектором. Это вызывает отрицательную обратную связь, и выходное напряжение стремится следовать за входным. Эта схема также используется, поскольку вход имеет высокий импеданс и не нагружает источник сигнала, хотя усиление напряжения меньше единицы. Поэтому схема с общим коллектором более известна как эмиттерный повторитель, истоковый повторитель или катодный повторитель.
Усилитель, выход которого не имеет обратной связи со стороны входа, описывается как «односторонний». Входное сопротивление одностороннего усилителя не зависит от нагрузки, а выходное сопротивление не зависит от импеданса источника сигнала.
Усилитель, который использует обратную связь для подключения выхода обратно к входу, двусторонним элементом. Входное сопротивление сопротивления усилителя зависит от нагрузки, выходное сопротивление - от импеданса источника сигнала. Все усилители в той или иной степени двусторонние; однако они часто могут быть смоделированы как односторонние в рабочих условиях, когда обратная связь может использоваться достаточно, чтобы ее можно было пренебречь для упрощает анализ (см. статью common base для примера).
Другой способ усилителей - это соотношение фаз входного и выходного сигналов. «Инвертирующий» усилитель выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе на 180 градусов с входным сигналом (то есть инверсия полярности или зеркальное отображение входа, как это видно на осциллографе ). «Неинвертирующий» усилитель поддерживает фазу формы волны входного сигнала. Эмиттерный повторитель - это тип неинвертирующего усилителя, указывающий на то, что сигнал на эмиттере следует транзистора (то есть соответствует с единичным усилением, но, возможно, смещением) входному сигналу. Повторитель напряжения также является усилителем неинвертирующего типа с единичным усилением.
Это описание правил к отдельному каскаду усилителя или всей системе усилителя.
Другие усилители можно классифицировать по их функциям или выходным характеристикам. Эти функциональные описания обычно применяются к полным усилителям или подсистемам и редко к каскадам.
