Pojačalo je elektronički uređaj s dva ulaza koji služi za pojačavanje signala ili povećanje snage signala uz pomoć napajanja. Napajanje se napaja preko ulaznog terminala pojačala. Izlaz pojačala može biti povećana amplituda itd.
Pojačanje pojačala određuje njegovo pojačanje. To je glavni faktor koji određuje učinak uređaja. Pojačala se koriste u gotovo svim vrstama elektroničkih komponenti. Dobitak se izračunava kao omjer izlaznog parametra (snage, struje ili napona) prema ulaznom parametru.
Pojačala se koriste u raznim aplikacijama, kao što su automatizacija, pomorstvo, senzori itd. Pojačanje snage pojačala općenito je veće od jedan. Razmotrimo neke osnovne karakteristike idealnog pojačala.
Evo, razgovarat ćemo idealno pojačalo, vrste pojačala, svojstva, funkcije, i primjene pojačala .
Počnimo.
Idealno pojačalo
Razmotrimo karakteristike idealnog pojačala, koje su navedene u nastavku:
- Ulazna impedancija: Beskonačno
- Izlazna impedancija: Nula
- Dobitak na različitim frekvencijama: Popravljeno
Ulazni priključak pojačala može biti izvor napona ili izvor struje. Izvor napona ovisi samo o ulaznom naponu i ne prima struju. Slično, izvor struje prihvaća struju i ne prihvaća napon. Izlaz će biti proporcionalan naponu ili struji kroz priključak.
Izlaz idealnog pojačala može biti ili ovisan izvor struje ili ovisan izvor napona. Otpor izvora ovisnog izvora napona je nula, dok je otpor ovisnog izvora struje beskonačan.
Napon ili struja ovisnog izvora ovisi samo o ulaznom naponu ili struji. To znači da će izlazni napon ovisiti o ulaznom naponu, a izlazna struja će ovisiti o ulaznoj struji nezavisnog izvora napona i izvora struje, redom.
Idealna pojačala su dalje kategorizirana kao CCCS (Izvor struje za kontrolu struje), CCVS (Izvor strujnog upravljačkog napona), VCVS (Izvor napona kontrole napona), i VCCS (Izvor struje kontrole napona).
iznimka bacanje jave
Ulazna impedancija CCVS i CCCS je nula, dok su VCCS i VCVS beskonačne. Slično tome, izlazna impedancija CCCS i VCCS je beskonačna, dok je izlazna impedancija CCVS i VCVS nula.
Vrste pojačala
Raspravljajmo o različitim vrstama pojačala.
Operacijska pojačala
Operacijska pojačala ili Op-pojačala su izravna spregnuta (DC) pojačala visokog pojačanja koja izvode različite matematičke operacije, kao što su zbrajanje, diferencijacija, oduzimanje, integracija itd.
Ima dva ulazna terminala i jedan izlazni terminal. Ulazni terminali se nazivaju invertirajući i neinvertirajući terminali. Signal koji se primjenjuje na invertirajući terminal pojavit će se kao fazno invertiran, a signal koji se primjenjuje na neinvertirajući terminal pojavljuje se bez fazne inverzije na izlaznom terminalu.
Napon primijenjen na invertirajućem ulazu predstavljen je kao V-, a napon na neinvertirajućem ulazu predstavljen je kao V+.
Napomena: Izlazna impedancija i pomak idealnog op-pojačala su 0. Pojačanje napona, ulazna impedancija i širina pojasa idealnog op-pojačala su beskonačni.
Operacijska pojačala se dalje kategoriziraju kao invertirajuća i neinvertirajuća pojačala. Razmotrimo detaljno gornje dvije vrste operacijskih pojačala.
Prijave
Op-pojačala se koriste u raznim primjenama u elektronici. Na primjer,
- Filteri
- Komparator napona
- Integrator
- Pretvarač struje u napon
- Ljetno pojačalo
- Pokretač faze
Dolje je prikazan invertirajući i neinvertirajući ulaz pojačala:
Invertirajuće pojačalo
Dolje je prikazano invertirajuće pojačalo:
To je konfiguracija povratne sprege napona operacijskog pojačala. Signalni napon primijenjen na invertirajući ulaz op-amp rezultira protokom struje I1 u op-amp. Znamo da je ulazna impedancija op-amp beskonačna. Neće dopustiti da struja teče u pojačalo. Struja će teći kroz izlaznu petlju (kroz otpor R2) do izlaznog terminala operacijskog pojačala.
Pojačanje napona na izlaznom terminalu invertirajućeg pojačala izračunava se kao:
A = Vo/Vs = -R2/R1
Gdje,
Vo i Vs su izlazni i signalni napon.
Negativan predznak pokazuje da je izlaz pojačala 180 stupnjeva izvan faze s ulazom.
Invertirajuće pojačalo jedno je od najčešće korištenih operacijskih pojačala. Ima vrlo niske ulazne i izlazne impedancije.
Neinvertirajuće pojačalo
Neinvertirajuće pojačalo prikazano je u nastavku:
Gornja konfiguracija je povratna veza naponske serije. Signalni napon primijenjen na neinvertirajući ulaz op-amp rezultira protokom struje I1 u op-amp i struje I2 iz op-amp-a.
Prema konceptu virtualnog kratkog spoja, I1 = I2 i Vx =Vs.
panda rastopiti
Pojačanje napona neinvertirajućeg pojačala može se izračunati kao:
A = A + (R2/R1)
Neinvertirajuća pojačala imaju visoku ulaznu i nisku izlaznu impedanciju. Također se smatra pojačivačem napona.
DC pojačala
DC ili izravno spregnuta pojačala koriste se za pojačavanje niskofrekventnih i izravno spregnutih signala. Dva stupnja istosmjernog pojačala mogu se međusobno povezati pomoću izravne veze između ovih stupnjeva.
Izravno spajanje je jednostavan i lagan tip spajanja. Može se izračunati izravnim spajanjem kolektora tranzistora prvog stupnja na bazu tranzistora drugog stupnja, spomenutu kao T1 i T2.
Ali, DC pojačala uzrokuju dva problema koji se nazivaju drift shifting i level shifting. Dizajn diferencijalnog pojačala uklonio je takve probleme. Razgovarajmo o diferencijalnom pojačalu.
Diferencijalna pojačala
Struktura diferencijalnog pojačala riješila je problem drifta i pomaka razine. Struktura se sastoji od dva BJT (Bipolar Junction Transistor) pojačala povezana samo preko vodova napajanja. Naziva se kao diferencijalno pojačalo jer je izlaz pojačala razlika između pojedinačnih ulaza, kao što je prikazano u nastavku:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Gdje,
Vo je izlaz, a Vi1 i Vi2 su dva ulaza.
A je pojačanje diferencijalnog pojačala.
Sada, ako
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
Gornja operacija naziva se a diferencijalni način rada operacija. Ovdje ulazni signali nisu u fazi jedan s drugim. Takvi signali izvan faze poznati su kao signali razlike u načinu rada (DM).
Ako,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
U = 0
Ova operacija je poznata kao zajednički način rada (CM) jer su ulazni signali međusobno u fazi. Nulti izlaz takvih signala pokazuje da neće biti pomaka u pojačalu.
Pojačala snage
Također se nazivaju i pojačala snage strujni pojačivači . Ova su pojačala potrebna za podizanje trenutne razine dolaznog signala kako bi se lako upravljalo opterećenjem. Vrste pojačala snage uključuju audio pojačala snage, radiofrekvencijska pojačala snage itd.
Pojačala snage klasificiraju se kao pojačala klase A, klase AB, klase B i klase C. Razgovarat ćemo o klasama pojačala snage kasnije u ovoj temi.
Promjena načina rada pojačala
Switch-mode pojačala su vrsta nelinearnih pojačala visoke učinkovitosti.
Uobičajen primjer takve vrste pojačala su pojačala klase D.
Instrumentalno pojačalo
Instrumentalno pojačalo koristi se u analognim senzorima i mjernim instrumentima. Razmotrimo primjer.
Voltmetar koji se koristi za mjerenje vrlo niskih napona zahtijeva instrumentalno pojačalo za njegov pravilan rad. Ima razne značajke, kao što su vrlo visoko pojačanje napona, dobra izolacija, vrlo niska buka, mala potrošnja energije, velika propusnost itd.
Negativne povratne informacije
Negativna povratna sprega jedna je od bitnih značajki za kontrolu izobličenja i širine pojasa u pojačalima. Primarna svrha negativne povratne sprege je smanjiti pojačanje sustava. Dio izlaza u suprotnoj fazi vraća se natrag na ulaz. Vrijednost se dalje oduzima od ulaza. U iskrivljenom izlaznom signalu, izlaz s izobličenjem se vraća u suprotnoj fazi. Oduzima se od ulaza; možemo reći da negativna povratna sprega u pojačalima smanjuje nelinearnosti i neželjene signale.
Donja slika predstavlja negativne povratne informacije:
Uz pomoć negativne povratne sprege, distorzija križanja i druge fizičke pogreške također se mogu eliminirati. Druge prednosti korištenja negativne povratne sprege su proširenje propusnosti, ispravljanje temperaturnih promjena itd.
Negativna povratna sprega može biti negativna povratna sprega napona ili strujna negativna povratna sprega. U oba slučaja povratna veza napona ili struje proporcionalna je izlazu.
Ne smijemo se brkati između pozitivnih i negativnih povratnih informacija. Pozitivne povratne informacije imaju tendenciju da pojačaju promjenu, dok negativne povratne informacije imaju tendenciju da umanje promjenu. Druga je razlika u tome što su ulazni i izlazni signali u pozitivnoj povratnoj sprezi u fazi i zbrajaju se. U slučaju negativne povratne sprege, ulazni i izlazni signali su izvan faze i oduzimaju se.
Aktivni uređaji u pojačalu
Pojačalo se sastoji od nekoliko aktivnih uređaja koji su odgovorni za proces pojačanja. To može biti jedan tranzistor, vakuumska cijev, poluprovodnička komponenta ili bilo koji dio integriranih sklopova.
Razgovarajmo o aktivnim uređajima i njihovoj ulozi u procesu pojačanja.
BJT
BJT je općenito poznat kao a strujno kontroliran uređaj. Bipolarni spojni tranzistori koriste se kao sklopke za pojačavanje struje u pojačalima.
MOSFET
MOSFET ili Metalni oksid poluvodički tranzistori s efektom polja obično se koriste za pojačavanje elektroničkih signala. MOSFET-ovi se mogu koristiti za promjenu vodljivosti kontroliranjem napona vrata. MOSFET također može povećati snagu slabog signala. Dakle, MOSFET se može koristiti kao pojačalo.
Pojačala s vakuumskim cijevima
Pojačalo s vakuumskom cijevi koristi vakuumske cijevi kao izvorni uređaj. Koristi se za povećanje amplitude signala. Ispod mikrovalnih frekvencija, cijevna su pojačala zamijenjena poluprovodničkim pojačalima oko kraja 19.thstoljeća.
Mikrovalna pojačala
Mikrovalna pojačala se obično koriste u mikrovalnim sustavima. Koristi se za podizanje razine ulaznog signala uz vrlo malo izobličenja. Također može prebaciti ili povećati električnu snagu. Omogućuje bolji izlaz jednog uređaja u usporedbi s poluprovodničkim uređajima na mikrovalnim frekvencijama.
Magnetska pojačala
Magnetska pojačala razvijena su u 20thstoljeća kako bi se prevladali nedostaci (veliki strujni kapacitet i snaga) pojačala s vakuumskom cijevi. Magnetska pojačala slična su tranzistorima. Upravlja magnetskom snagom jezgre aktiviranjem kontrolne zavojnice (još jedna zavojnica).
Integrirani krugovi
Integrirani krugovi mogu držati nekoliko elektroničkih uređaja, kao što su kondenzatori i tranzistori. Popularnost IC-a također je proširila elektroničke uređaje po cijelom svijetu.
Klase pojačala snage
Klase pojačala snage klasificiraju se kao klasa A, klasa B, klasa AB, i klasa C . Raspravljajmo o kratkom opisu klasa pojačala snage.
Pojačala snage A klase
Ulaz pojačala klase A je mali, zbog čega je mali i izlaz. Stoga ne proizvodi veliko pojačanje snage. S tranzistorima se može koristiti kao pojačalo napona. Pojačala klase A s vakuumskim pentodama također mogu pružiti jedan stupanj pojačanja snage za pogon opterećenja, kao što su zvučnici.
Pojačala snage B klase
BJT općenito zahtijevaju pojačala snage klase B za pogon opterećenja, kao što su zvučnici. Ulaz pojačala klase B je velik, zbog čega je i izlaz vrlo velik. Stoga proizvodi veliko pojačanje. Ali, u slučaju jednog tranzistora, pojačava se samo polovica ulaznog signala.
Pojačala snage klase AB
Konfiguracija AB pojačala snage nalazi se između pojačala klase A i klase B. Pojačala klase AB proizvode se kombiniranjem visokog izlaza pojačala snage klase B s niskim izobličenjem pojačala snage klase A.
kotačić miša ne pomiče se ispravno
U slučaju malih izlaza, pojačalo snage klase AB može se ponašati kao klasa A. Može se ponašati kao pojačalo snage klase B u slučaju vrlo velikih izlaza.
Pojačala snage klase C
Provodni element pojačala snage klase C su tranzistori. Ima bolju učinkovitost, ali zbog provođenja manjeg od pola ciklusa uzrokuje velika izobličenja. Stoga se pojačala snage klase C ne preferiraju u audio aplikacijama. Uobičajene primjene takvih pojačala uključuju radiofrekvencijske krugove.
Svojstva pojačala
Pojačala su definirana prema svojim ulaznim i izlaznim svojstvima. Pojačanje pojačala određuje njegovo pojačanje. Stoga su faktori pojačanja i množenja dva bitna svojstva pojačala.
Raspravljajmo o svojstvima koja su definirana različitim parametrima, koji su navedeni u nastavku:
Dobitak pojačala izračunava se kao omjer izlaza (snage, struje ili napona) i ulaza. Određuje pojačanje pojačala. Na primjer, signal s ulazom od 10 volti i izlazom od 60 volti imat će pojačanje od 6.
Dobitak = izlaz/ulaz
Dobitak = 60/10
Dobitak = 6
Dobitak se izražava u jedinici dB (decibelima). Pasivne komponente općenito imaju pojačanje manje od jedan, dok aktivne komponente imaju pojačanje veće od 1.
Širina pojasa definirana je kao širina izmjerena u Herc korisnog frekvencijskog raspona.
Raspon frekvencija - Frekvencijski raspon općenito je određen u smislu frekvencijskog odziva ili propusnosti.
Šum se definira kao svaki neželjeni signal koji djeluje kao smetnja u sustavu.
Veća učinkovitost pojačala rezultirala bi manjim stvaranjem topline i većom izlaznom snagom. Izračunava se kao omjer između izlazne snage i iskorištenja ukupne snage.
Brzina usporavanja se mjeri u voltima po mikrosekundi. Definira se kao maksimalna stopa promjene outputa. Stopa pada iznad čujnog raspona pojačala rezultirala bi manjim izobličenjem i pogreškama.
Definira se kao sposobnost pojačala da proizvede precizne kopije ulaznog signala.
Krugovi pojačala moraju biti stabilni na svim dostupnim frekvencijama. Definira se kao sposobnost izbjegavanja neželjenih oscilacija u elektroničkom uređaju.
Funkcije različitih pojačala
Ostale vrste pojačala imaju drugačije karakteristike. Razmotrimo funkciju raznih vrsta pojačala koja se danas koriste.
- The linearna pojačala ne pružaju savršenu linearnu sposobnost jer niti jedno pojačalo nije savršeno. To je zbog upotrebe uređaja za pojačavanje, kao što su tranzistori, koji su po prirodi nelinearni. Ovi uređaji mogu proizvesti određenu nelinearnost. Linearna pojačala su manje sklona izobličenju. To znači da linearna pojačala stvaraju manje izobličenja.
- Posebno dizajniran audio pojačala može pojačati audio frekvenciju.
- Uskopojasno pojačalo pojačava u uskom pojasu frekvencija, dok širokopojasna pojačala pojačavaju u širokom rasponu frekvencija.
- The nelinearna pojačala proizvode izobličenje u usporedbi s linearnim uređajima. No, nelinearni uređaji i danas su u upotrebi. Primjeri nelinearnih pojačala su RF (radiofrekventna) pojačala, itd.
- Struktura logaritamsko pojačalo proizvodi izlaz proporcionalan logaritmu svog ulaza. Strujni krug se sastoji od dvije diode i dva operacijska pojačala (operacijsko pojačalo).
Primjene pojačala
Pojačala se koriste u različitim primjenama. Raspravljajmo o tome detaljno.
Pratilac napona je također poznat kao unity gain pojačalo . Ima vrlo veliku ulaznu impedanciju i vrlo nisku izlaznu impedanciju, što je osnovni princip međuspremnik akcijski. Invertirajući priključak operacijskog pojačala je kratak s izlaznim priključkom.
To znači da je izlaz jednak ulazu. Naziva se sljedbenik napona jer izlaz pojačala prati ulaz.
Pratilac napona ne daje efekte opterećenja, nema pojačanja snage i struje, što su njegove prednosti.
Konstrukcija pretvarača struje u napon prikazana je u nastavku:
Gdje,
RT: Termistor ili otpornik ovisan o svjetlu.
TO: Trenutno
RF: Otpornik povratne veze
AKO: Povratna struja
GLAS: Izlazni napon
Termistor pokreće operacijsko pojačalo u njegovom invertirajućem načinu rada. Promjena temperature rezultira varijacijom otpora termistora. Dalje mijenja struju koja prolazi kroz njega. Struja teče u izlaz kroz povratni otpornik kao struja povratne veze koja razvija izlazni napon. Budući da je struja termistora jednaka povratnoj struji, možemo reći da je izlazni napon proporcionalan struji termistora.
Tako se ulazna struja pretvara u izlazni napon.
TWTA i Klistron su uobičajeni uređaji koji se koriste kao mikrovalna pojačala. Pojačalo s putujućim valovima (TWTA) pruža dobro pojačanje čak i pri niskim mikrovalnim frekvencijama. To znači da je TWTA poželjan za pojačanje velike snage. Ali, klistroni su bolje podesivi u usporedbi s TWTA.
Klistroni se također koriste na mikrovalnim frekvencijama za aplikacije velike snage. No, pruža široko podesivo pojačanje u usporedbi s TWTA. Također ima usku propusnost u usporedbi s TWTA.
Solid-state uređaji , kao što su MOSFET, diode, poluvodički materijali (silicij, galij, itd.), koriste se pri niskim snagama i mikrovalnim frekvencijama u raznim primjenama. Na primjer, mobilni telefoni, prijenosni radiofrekvencijski terminali , itd. U takvim primjenama veličina i učinkovitost glavni su čimbenici koji određuju njegovu sposobnost i upotrebu. Korištenje poluprovodničkih uređaja u mikrovalnim pojačalima također osigurava široku propusnost.
Pojačala se koriste u raznim glazbenim instrumentima, poput gitara i bubnjeva, za pretvaranje signala iz različitih izvora (žice u gitari, itd.) u snažan elektronički signal (pojačalo snage) koji proizvodi zvuk. Zvuk je dovoljno čujan za publiku ili ljude u blizini. Izlaz nekih glazbenih instrumenata spojen je na zvučnike za jači zvuk.
Instrumentalna pojačala u glazbenim instrumentima također imaju funkciju ugađanja signala koja izvođaču omogućuje promjenu tona signala.
Oscilatorski krugovi koriste se za generiranje električnih valnih oblika bilo koje željene frekvencije, oblika i snage. Korištenje pojačala u oscilatorima osigurava konstantnu izlaznu amplitudu i pojačava povratnu frekvenciju.
Pojačalo prisutno u video pojačalu pojačava signal koji se sastoji od visokofrekventnih komponenti. Također ga sprječava od bilo kakvog izobličenja. Video pojačala imaju različite propusnosti ovisno o kvaliteti video signala, kao što su SDTV, HDTV, 1080pi, itd.