Memahami Litar Penguat

Cuba Instrumen Kami Untuk Menghapuskan Masalah





Secara umum, penguat dapat didefinisikan sebagai rangkaian yang dirancang untuk meningkatkan sinyal input daya rendah yang diterapkan menjadi isyarat output daya tinggi, sesuai dengan penilaian komponen yang ditentukan.

Walaupun, fungsi asasnya tetap sama, penguat dapat diklasifikasikan ke dalam kategori yang berbeza bergantung pada reka bentuk dan konfigurasi mereka.



Litar untuk Menguatkan Input Logik

Anda mungkin menemui penguat transistor tunggal yang dikonfigurasi untuk beroperasi dan memperkuat logik isyarat rendah dari alat pengesan input seperti LDR, fotodiod , Peranti IR. Output dari penguat ini kemudian digunakan untuk menukar a flip flop atau geganti ON / OFF sebagai tindak balas kepada isyarat dari peranti sensor.

Anda mungkin juga pernah melihat penguat kecil yang digunakan untuk memperkuat input muzik atau audio, atau untuk mengoperasikan lampu LED.
Semua ini penguat kecil dikategorikan sebagai penguat isyarat kecil.



Jenis Penguat

Terutama, rangkaian penguat digabungkan untuk memperkuat frekuensi muzik sehingga input muzik kecil yang diberi makan diperkuat menjadi banyak lipatan, biasanya 100 kali hingga 1000 kali dan dihasilkan semula melalui pembesar suara.

Bergantung pada peringkat watt atau kuasa mereka, litar sedemikian mungkin mempunyai reka bentuk mulai dari penguat isyarat kecil berdasarkan opamp kecil hingga penguat isyarat besar yang juga disebut penguat kuasa. Penguat ini diklasifikasikan secara teknikal berdasarkan prinsip kerja mereka, tahap litar, dan cara yang mungkin dikonfigurasikan untuk memproses fungsi amplifikasi.

Jadual berikut memberi kami perincian klasifikasi penguat berdasarkan spesifikasi teknikal dan prinsip operasi mereka:

Dalam reka bentuk penguat asas, kita dapati bahawa ia merangkumi beberapa tahap yang mempunyai rangkaian transistor bipolar atau BJT, transistor kesan medan (FET), atau penguat operasi.

Blok atau modul penguat seperti itu dapat dilihat mempunyai beberapa terminal untuk memberi makan isyarat input, dan sepasang terminal lain pada output untuk memperoleh isyarat yang diperkuat melalui pembesar suara yang disambungkan.

Salah satu terminal dari kedua adalah terminal darat dan dapat dilihat sebagai garis umum di seluruh tahap input dan output.

Tiga Sifat Penguat

Tiga sifat penting yang harus dimiliki penguat yang ideal adalah:

  • Rintangan Input (Rin)
  • Rintangan Keluaran (Laluan)
  • Keuntungan (A) yang merupakan julat penguat penguat.

Memahami Penguat Ideal Berfungsi

Perbezaan dalam isyarat yang dikuatkan antara output dan input disebut sebagai penguatan penguat. Ini adalah besarnya atau jumlah di mana penguat dapat menguatkan isyarat input di seluruh terminal outputnya.

Contohnya, jika penguat dinilai untuk memproses isyarat input 1 volt menjadi isyarat penguat 50 volt, maka kita akan mengatakan bahawa penguat mempunyai keuntungan 50, itu semudah itu.
Peningkatan isyarat input rendah ke isyarat output yang lebih tinggi disebut sebagai memperoleh penguat. Sebagai alternatif, ini dapat difahami sebagai peningkatan isyarat input dengan faktor 50.

Nisbah Keuntungan Oleh itu, keuntungan penguat pada dasarnya adalah nisbah output dan nilai input dari tahap isyarat, atau hanya daya output yang dibahagi dengan daya input, dan dikaitkan dengan huruf 'A' yang juga menandakan kekuatan penguat penguat.

Jenis Keuntungan Penguat Jenis keuntungan yang berbeza boleh dikelaskan sebagai:

  1. Keuntungan Voltan (Mati)
  2. Keuntungan Semasa (Ai)
  3. Keuntungan Kuasa (Ap)

Contoh Rumus untuk Mengira Keuntungan Penguat Bergantung pada 3 jenis keuntungan di atas, formula untuk mengira ini dapat dipelajari dari contoh berikut:

  1. Keuntungan Voltan (Av) = Voltan Keluaran / Voltan Input = Vout / Vin
  2. Keuntungan Semasa (Ai) = Arus Keluaran / Arus Input = Iout / Iin
  3. Penguatan Kuasa (Ap) = Av.x.A i

Untuk mengira kenaikan kuasa, sebagai alternatif anda juga boleh menggunakan formula:
Penguatan Kuasa (Ap) = Kuasa Output / Kuasa Input = Aout / Ain

Penting untuk dicatat bahawa langganan p, v, i digunakan untuk mengira daya ditugaskan untuk mengenal pasti jenis penambahan isyarat tertentu yang sedang diusahakan.

Menyatakan desibel

Anda akan menemui kaedah lain untuk menyatakan kenaikan kuasa penguat, yang terdapat dalam Decibels atau (dB).
Ukuran atau kuantiti Bel (B) adalah unit logaritmik (Pangkalan 10) yang tidak mempunyai unit ukuran.
Walau bagaimanapun, Decibel boleh menjadi unit yang terlalu besar untuk penggunaan praktikal, oleh itu kami menggunakan decibel versi yang lebih rendah (dB) untuk pengiraan penguat.
Berikut adalah beberapa formula yang boleh digunakan untuk mengukur kenaikan penguat dalam desibel:

  1. Keuntungan voltan dalam dB: mati = 20 * log (Mati)
  2. Keuntungan Semasa dalam dB: ai = 20 * log (Ai)
  3. Penguatan Kuasa dalam dB: ap = 10 * log (Ap)

Beberapa Fakta mengenai Pengukuran dB
Penting untuk diperhatikan bahawa keuntungan DC daya penguat adalah 10 kali log biasa dari nisbah output / inputnya, sedangkan keuntungan arus dan voltan adalah 20 kali ganda dari log biasa nisbahnya.

Ini menunjukkan bahawa kerana skala log terlibat, keuntungan 20dB tidak dapat dianggap sebagai dua kali dari 10dB, kerana ciri pengukuran tidak linear skala log.

Apabila kenaikan diukur dalam dB, nilai positif menandakan keuntungan penguat sementara nilai dB negatif menunjukkan kehilangan keuntungan penguat.

Sebagai contoh jika keuntungan + 3dB dikenal pasti menunjukkan keuntungan 2 kali ganda atau x2 dari output penguat tertentu.

Sebaliknya, jika hasilnya adalah -3dB, menunjukkan bahawa penguat mempunyai kerugian keuntungan 50% atau ukuran kerugian x0.5 dalam keuntungannya. Ini juga disebut sebagai titik daya setengah yang berarti -3dB lebih rendah daripada daya maksimum yang dapat dicapai, sehubungan dengan 0dB yang merupakan output maksimum yang mungkin dari penguat

Mengira Penguat

Hitung voltan, arus dan kenaikan kuasa penguat dengan spesifikasi berikut: Isyarat input = 10mV @ 1mAOutput Signal = 1V @ 10mA. Selain itu, ketahui keuntungan penguat menggunakan nilai desibel (dB).

Penyelesaian:

Dengan menggunakan formula yang dipelajari di atas, kita dapat menilai pelbagai jenis keuntungan yang berkaitan dengan penguat mengikut spesifikasi output input di tangan:

Keuntungan Voltan (Av) = Voltan Keluaran / Voltan Input = Vout / Vin = 1 / 0.01 = 100
Keuntungan Semasa (Ai) = Arus Keluaran / Arus Input = Iout / Iin = 10/1 = 10
Keuntungan Kuasa (Ap) = Av. x A i = 100 x 10 = 1000

Untuk mendapatkan hasil dalam Decibels kami menerapkan formula yang sesuai seperti yang diberikan di bawah:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Pembahagian Penguat

Penguat Isyarat Kecil: Berkenaan dengan spesifikasi penguatan kuasa dan voltan dari penguat, menjadi mungkin bagi kita untuk membahagikannya kepada beberapa kategori.

Jenis pertama disebut sebagai penguat isyarat kecil. Penguat isyarat kecil ini secara amnya digunakan dalam tahap preamplifier, alat bantu dll.

Jenis penguat ini dibuat untuk menangani tahap isyarat minit pada inputnya, dalam jarak beberapa volt mikro, seperti dari alat sensor atau input isyarat audio kecil.

Penguat Isyarat Besar: Jenis penguat kedua dinamakan sebagai penguat isyarat besar, dan seperti namanya ini digunakan dalam aplikasi penguat daya untuk mencapai julat penguatan yang besar. Dalam amplifier ini, sinyal input relatif lebih besar sehingga mereka dapat diperkuat secara substansial untuk memperbanyak dan mendorongnya menjadi pembesar suara yang kuat.

Bagaimana Penguat Kuasa Berfungsi

Oleh kerana penguat isyarat kecil dirancang untuk memproses voltan input kecil, ini disebut sebagai penguat isyarat kecil. Tetapi apabila penguat diperlukan untuk bekerja dengan aplikasi arus beralih tinggi pada outputnya, seperti mengoperasikan motor atau mengoperasikan sub-woofer, penguat daya menjadi tidak dapat dielakkan.

Paling popular, penguat kuasa digunakan sebagai penguat audio untuk menggerakkan pembesar suara besar dan untuk mencapai peningkatan tahap muzik dan output kelantangan.

Penguat kuasa memerlukan daya DC luaran untuk berfungsi, dan kuasa DC ini digunakan untuk mencapai penguatan daya tinggi yang dimaksudkan pada outputnya. Kuasa DC biasanya diperoleh melalui bekalan kuasa voltan tinggi semasa tinggi melalui transformer atau unit berasaskan SMPS.

Walaupun, penguat kuasa mampu meningkatkan isyarat input yang lebih rendah menjadi isyarat output yang tinggi, prosedur sebenarnya tidak begitu efisien. Ini kerana dalam proses sejumlah besar daya DC terbuang dalam bentuk pelesapan haba.

Kita tahu bahawa penguat yang ideal akan menghasilkan output yang hampir sama dengan daya yang digunakan, menghasilkan kecekapan 100%. Walau bagaimanapun, secara praktikal ini kelihatan agak jauh dan mungkin tidak dapat dilaksanakan, kerana kehilangan kuasa DC yang wujud dari peranti kuasa dalam bentuk panas.

Kecekapan Penguat Dari pertimbangan di atas, kita dapat menyatakan kecekapan penguat seperti:

Kecekapan = Penguat kuasa output / Penguat DC penggunaan = Pout / Pin

Penguat Ideal

Dengan merujuk kepada perbincangan di atas, mungkin bagi kita untuk menguraikan mengenai ciri-ciri utama penguat yang ideal. Secara khusus mereka dijelaskan di bawah:

Keuntungan (A) penguat yang ideal harus tetap tanpa mengira isyarat input yang berbeza-beza.

  1. Keuntungan tetap berterusan tanpa mengira frekuensi isyarat input, yang membolehkan penguatan output tidak terjejas.
  2. Keluaran Amplifier bebas dari segala jenis kebisingan selama proses penguatan, sebaliknya, ia menggabungkan fitur pengurangan kebisingan yang membatalkan sebarang kemungkinan kebisingan yang diperkenalkan melalui sumber input.
  3. Tetap tidak terpengaruh dengan perubahan suhu persekitaran atau suhu atmosfera.
  4. Penggunaan masa yang lama mempunyai kesan minimum atau tidak pada prestasi penguat, dan tetap konsisten.

Pengelasan Penguat Elektronik

Sama ada penguat voltan atau penguat kuasa, ini dikelaskan berdasarkan ciri isyarat input dan outputnya. Ini dilakukan dengan menganalisis aliran arus berkenaan dengan isyarat isyarat input dan masa yang diperlukan untuk mencapai output.

Berdasarkan konfigurasi litar mereka, penguat kuasa dapat dikategorikan mengikut urutan abjad. Mereka ditugaskan dengan kelas operasi yang berbeza seperti:

Kelas 'A'
Kelas 'B'
Kelas 'C'
Kelas 'AB' dan sebagainya.

Ini mungkin mempunyai sifat mulai dari tindak balas output hampir linear tetapi kecekapan yang agak rendah hingga tindak balas output tidak linear dengan kecekapan tinggi.

Tak satu pun dari kelas penguat ini dapat dibezakan sebagai lebih miskin atau lebih baik antara satu sama lain, kerana masing-masing mempunyai kawasan aplikasi tersendiri bergantung pada keperluannya.

Anda mungkin menemui kecekapan penukaran yang optimum untuk setiap ini, dan popularitinya dapat dikenal pasti mengikut urutan berikut:

Penguat Kelas 'A': Kecekapan lebih rendah biasanya kurang dari 40%, tetapi mungkin menunjukkan output isyarat linear yang lebih baik.

Penguat Kelas 'B': Tahap kecekapan mungkin dua kali ganda daripada kelas A, hampir 70%, kerana kenyataan bahawa hanya alat aktif penguat yang menggunakan kuasa, menyebabkan penggunaan kuasa hanya 50%.

Penguat Kelas 'AB': Penguat dalam kategori ini mempunyai tahap kecekapan di antara kelas A dan kelas B, tetapi pembiakan isyarat lebih buruk berbanding dengan kelas A.

Penguat Kelas 'C': Ini dianggap sangat efisien dari segi penggunaan kuasa, tetapi pembiakan isyarat terburuk dengan banyak penyelewengan, menyebabkan replikasi ciri isyarat input yang sangat buruk.

Bagaimana Penguat Kelas A Berfungsi:

Penguat Kelas A mempunyai transistor yang bias ideal dalam kawasan aktif yang memungkinkan isyarat input diperkuat dengan tepat pada output.

Oleh kerana ciri biasing yang sempurna ini, transistor tidak pernah dibenarkan bergerak ke arah kawasan pemotongan atau tepu mereka, sehingga penguatan isyarat dioptimumkan dengan betul dan berpusat di antara batasan sinyal atas dan bawah yang ditentukan, seperti yang ditunjukkan dalam berikut imej:

Dalam konfigurasi kelas A, set transistor yang sama digunakan pada dua bahagian bentuk gelombang output. Dan bergantung pada jenis bias yang digunakannya, transistor kuasa output selalu diberikan dalam posisi ON yang dihidupkan, tidak kira sama ada isyarat input diterapkan atau tidak.

Oleh kerana itu, penguat kelas A mendapat kecekapan yang sangat buruk dari segi penggunaan kuasa, kerana penyampaian kuasa yang sebenarnya ke output terhambat kerana pembaziran berlebihan melalui pembuangan peranti.

Dengan situasi yang dijelaskan di atas, penguat kelas dapat dilihat selalu mempunyai transistor kuasa output yang dipanaskan walaupun tanpa adanya isyarat input.

Walaupun tidak ada isyarat input, DC (Ic) dari bekalan kuasa dibenarkan mengalir melalui transistor kuasa, yang mungkin sama dengan arus yang mengalir melalui pembesar suara ketika isyarat input hadir. Ini menimbulkan transistor 'panas' berterusan dan pembaziran kuasa.

Operasi Penguat Kelas B

Berbeza dengan konfigurasi penguat kelas A yang bergantung pada transistor kuasa tunggal, kelas B menggunakan sepasang BJT pelengkap di setiap separuh bahagian litar. Ini bisa dalam bentuk NPN / PNP, atau N-channel mosfet / P-channel mosfet).

Di sini, salah satu transistor dibenarkan melakukan tindak balas terhadap satu setengah kitaran bentuk gelombang isyarat input, sementara transistor yang lain mengendalikan separuh kitaran bentuk gelombang yang lain.

Ini memastikan bahawa setiap transistor pada pasangan melakukan selama separuh masa dalam rantau aktif dan separuh masa di rantau pemotongan, sehingga hanya membenarkan penglibatan 50% dalam penguatan isyarat.

Tidak seperti penguat kelas A, Penguat kelas B transistor daya tidak berat sebelah dengan DC langsung, sebaliknya konfigurasi memastikan bahawa ia hanya berlaku semasa isyarat input naik lebih tinggi daripada voltan pemancar asas, yang mungkin sekitar 0.6V untuk BJT silikon.

Ini menunjukkan bahawa, apabila tidak ada isyarat input, BJT tetap dimatikan dan arus keluaran adalah sifar. Oleh kerana itu, hanya 50% daripada isyarat input yang dibenarkan memasuki output pada bila-bila masa yang membolehkan kadar kecekapan yang jauh lebih baik untuk penguat ini. Hasilnya dapat dilihat dalam rajah berikut:

Oleh kerana tidak ada penglibatan langsung DC untuk memihak transistor daya dalam penguat kelas B, untuk memulakan konduksi sebagai tindak balas kepada setiap kitaran gelombang +/- gelombang setengah, menjadi penting bagi pangkalan / pemancar mereka Vbe untuk memperoleh potensi yang lebih tinggi daripada 0.6V (nilai bias asas standard untuk BJT)

Kerana kenyataan di atas, ini menunjukkan bahawa sementara bentuk gelombang output berada di bawah tanda 0.6V, ia tidak dapat diperkuat dan diperbanyak.

Ini menimbulkan kawasan yang terdistorsi untuk bentuk gelombang keluaran, hanya dalam tempoh ketika salah satu BJT dimatikan dan menunggu yang lain kembali hidup.

Ini mengakibatkan bahagian kecil bentuk gelombang mengalami distorsi kecil selama tempoh menyeberang atau tempoh peralihan berhampiran persimpangan sifar, tepat ketika peralihan dari satu transistor ke yang lain berlaku di pasangan pelengkap.

Operasi Penguat Kelas AB

Penguat kelas AB dibina menggunakan ciri campuran f dari reka bentuk litar kelas A dan Kelas B, oleh itu namanya Kelas AB.

Walaupun reka bentuk Kelas AB juga berfungsi dengan sepasang BJT pelengkap, tahap output memastikan bahawa bias daya BJT dikendalikan menutup ambang pemotongan, jika tidak ada isyarat input.

Dalam keadaan ini, sebaik sahaja isyarat input dirasakan, transistor negin beroperasi secara normal di kawasan aktifnya sehingga menghalang kemungkinan terjadinya penyimpangan silang, yang biasanya berlaku dalam konfigurasi Kelas B. Walau bagaimanapun, mungkin terdapat sedikit arus pemungut yang berlaku di seluruh BJT, jumlah tersebut dapat dianggap tidak dapat dibandingkan dengan reka bentuk Kelas A.

Penguat jenis Kelas AB menunjukkan tahap kecekapan yang jauh lebih baik dan tindak balas linier berbanding rakan kelas A.

Bentuk Gelombang Output Penguat Kelas AB

Amplifier Class adalah parameter penting yang bergantung pada bagaimana transistor bias melalui amplitud isyarat input, untuk melaksanakan proses penguatan.

Ia bergantung pada seberapa besar bentuk gelombang isyarat input yang digunakan untuk melakukan transistor, dan juga faktor kecekapan, yang ditentukan oleh jumlah daya yang sebenarnya digunakan untuk menyampaikan output dan / atau dibazirkan melalui pembuangan.

Sehubungan dengan faktor-faktor ini, kita akhirnya dapat membuat laporan perbandingan yang menunjukkan perbezaan antara berbagai kelas penguat, seperti yang diberikan dalam tabel berikut.

Kemudian kita dapat membuat perbandingan antara jenis klasifikasi penguat yang paling biasa dalam jadual berikut.

Kelas Penguat Kuasa

Pemikiran Akhir

Sekiranya penguat tidak dirancang dengan betul, seperti reka bentuk penguat kelas A, mungkin memerlukan pemanas badan yang besar pada peranti kuasa, bersama dengan kipas penyejuk untuk operasi. Reka bentuk sedemikian juga memerlukan input bekalan kuasa yang lebih besar untuk mengimbangi sejumlah besar kuasa yang terbuang dalam panas. Semua kekurangan tersebut dapat menjadikan penguat sedemikian sangat tidak efisien yang seterusnya dapat menyebabkan kemerosotan peranti secara beransur-ansur dan akhirnya mengalami kegagalan.

Oleh itu, mungkin disarankan untuk menggunakan penguat Kelas B yang direka dengan kecekapan lebih tinggi sekitar 70% berbanding 40% penguat Kelas A. Oleh itu, penguat Kelas A mungkin menjanjikan tindak balas yang lebih linear dengan penguatannya dan tindak balas frekuensi yang lebih luas, walaupun ini disertakan dengan harga pembaziran kuasa yang besar.




Sebelumnya: Asas Pembelajaran Semikonduktor Seterusnya: 2 Litar Pengawal Motor Bidirectional Mudah