Bộ khuếch đại điện tử trong điện tử công nghiệp

Đây là những thiết bị được thiết kế để khuếch đại điện áp, dòng điện và công suất của tín hiệu điện.

Bộ khuếch đại đơn giản nhất là một mạch bán dẫn. Việc sử dụng bộ khuếch đại là do các tín hiệu điện (điện áp và dòng điện) thường đi vào các thiết bị điện tử có biên độ nhỏ và cần phải tăng chúng đến giá trị cần thiết đủ để sử dụng tiếp (chuyển đổi, truyền tải, cung cấp điện cho tải ).

Hình 1 cho thấy các thiết bị cần thiết để vận hành bộ khuếch đại.

Hình 1 - Môi trường bộ khuếch đại

Công suất được giải phóng khi bộ khuếch đại được tải là công suất được chuyển đổi của nguồn điện và tín hiệu đầu vào chỉ điều khiển nó. Các bộ khuếch đại được cung cấp bởi các nguồn hiện tại trực tiếp.

Thông thường, bộ khuếch đại bao gồm một số giai đoạn khuếch đại (Hình 2). Giai đoạn khuếch đại đầu tiên, được thiết kế chủ yếu để khuếch đại điện áp tín hiệu, được gọi là bộ tiền khuếch đại. Các mạch của chúng được xác định bởi loại nguồn tín hiệu đầu vào.

Giai đoạn phục vụ để khuếch đại sức mạnh của tín hiệu được gọi là thiết bị đầu cuối hoặc đầu ra.Đề án của họ được xác định bởi loại tải. Ngoài ra, bộ khuếch đại có thể bao gồm các giai đoạn trung gian được thiết kế để thu được độ khuếch đại cần thiết và (hoặc) để tạo thành các đặc tính cần thiết của tín hiệu được khuếch đại.

Hình 2 - Cấu trúc bộ khuếch đại

Phân loại bộ khuếch đại:

1) tùy thuộc vào thông số khuếch đại, điện áp, dòng điện, bộ khuếch đại công suất

2) theo bản chất của các tín hiệu được khuếch đại:

• bộ khuếch đại tín hiệu sóng hài (liên tục);

• bộ khuếch đại tín hiệu xung (bộ khuếch đại kỹ thuật số).

3) trong dải tần số khuếch đại:

• bộ khuếch đại DC;

• bộ khuếch đại AC

• tần số thấp, cao, cực cao, v.v.

4) theo bản chất của đáp ứng tần số:

• cộng hưởng (khuếch đại tín hiệu trong dải tần hẹp);

• thông dải (khuếch đại một dải tần nhất định);

• băng rộng (khuếch đại toàn bộ dải tần).

5) theo loại phần tử gia cố:

• của đèn điện chân không;

• trên thiết bị bán dẫn;

• trên mạch tích hợp.

Khi chọn bộ khuếch đại, hãy thoát khỏi các thông số của bộ khuếch đại:

• công suất đầu ra đo bằng watt. Công suất đầu ra rất khác nhau tùy thuộc vào mục đích của bộ khuếch đại, ví dụ như trong bộ khuếch đại âm thanh — từ miliwatt trong tai nghe đến hàng chục và hàng trăm watt trong hệ thống âm thanh.

• Dải tần số, được đo bằng hertz. Ví dụ: cùng một bộ khuếch đại âm thanh thường phải cung cấp mức tăng trong dải tần 20–20.000 Hz và bộ khuếch đại tín hiệu truyền hình (hình ảnh + âm thanh) — 20 Hz — 10 MHz trở lên.

• Độ méo phi tuyến, đo bằng phần trăm %. Nó đặc trưng cho sự biến dạng hình dạng của tín hiệu được khuếch đại. Nói chung, tham số đã cho càng thấp thì càng tốt.

• Hiệu quả (tỷ lệ hiệu quả) được đo bằng phần trăm %.Cho biết lượng điện năng từ nguồn cung cấp đang được sử dụng để tiêu tán năng lượng vào tải. Thực tế là một phần năng lượng của nguồn bị lãng phí, ở mức độ lớn hơn, đây là những tổn thất nhiệt — dòng điện luôn gây ra sự nóng lên của vật liệu. Thông số này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị tự cấp nguồn (từ ắc quy và pin).

Hình 3 cho thấy một mạch tiền khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực điển hình. Tín hiệu đầu vào đến từ nguồn điện áp Uin Các tụ chặn Cp1 và Cp2 truyền biến tức là. tín hiệu được khuếch đại và không truyền dòng điện một chiều, điều này cho phép tạo các chế độ hoạt động độc lập cho dòng điện một chiều trong các giai đoạn bộ khuếch đại được kết nối nối tiếp.

Hình 3 - Sơ đồ tầng khuếch đại của bóng bán dẫn lưỡng cực

Các điện trở Rb1 và Rb2 là bộ chia chính cung cấp dòng khởi động cho cực của bóng bán dẫn Ib0, điện trở Rk cung cấp dòng khởi động cho cực thu Ik0. Những dòng điện này được gọi là dòng điện tầng. Trong trường hợp không có tín hiệu đầu vào, chúng không đổi. Hình 4 cho thấy sơ đồ thời gian của bộ khuếch đại. Một biểu đồ thời gian là một sự thay đổi trong một tham số theo thời gian.

Điện trở Re cung cấp phản hồi dòng điện âm (NF). Phản hồi (OC) là sự chuyển một phần tín hiệu đầu ra sang mạch đầu vào của bộ khuếch đại. Nếu tín hiệu đầu vào và tín hiệu phản hồi ngược pha nhau, phản hồi được cho là âm. OOS giảm khuếch đại, nhưng đồng thời giảm méo hài và tăng độ ổn định của bộ khuếch đại. Nó được sử dụng trong hầu hết các bộ khuếch đại.

Điện trở Rf và tụ điện Cf là phần tử lọc.Tụ điện Cf tạo thành một mạch điện trở thấp cho thành phần biến đổi của dòng điện được tiêu thụ bởi bộ khuếch đại từ nguồn Lên. Các phần tử lọc là cần thiết nếu một số nguồn khuếch đại được cấp nguồn từ nguồn.

Khi tín hiệu đầu vào Uin được áp dụng, dòng điện Ib ~ xuất hiện trong mạch đầu vào và ở đầu ra Ik ~. Sự sụt giảm điện áp được tạo ra bởi dòng điện Ik ~ qua tải Rn sẽ là tín hiệu đầu ra được khuếch đại.

Từ sơ đồ tạm thời của điện áp và dòng điện (Hình 3), có thể thấy rằng các thành phần biến đổi của điện áp ở đầu vào Ub ~ và đầu ra Uc ~ = Uout của tầng là phản pha, tức là giai đoạn khuếch đại của bóng bán dẫn OE thay đổi (đảo ngược) pha của tín hiệu đầu vào theo hướng ngược lại.

Hình 4 - Biểu đồ thời gian của dòng điện và điện áp trong tầng khuếch đại của bóng bán dẫn lưỡng cực

Bộ khuếch đại hoạt động (OU) là bộ khuếch đại DC/AC có mức tăng cao và phản hồi âm sâu.

Nó cho phép thực hiện một số lượng lớn các thiết bị điện tử, nhưng theo truyền thống được gọi là bộ khuếch đại.

Có thể nói rằng các bộ khuếch đại hoạt động là xương sống của tất cả các thiết bị điện tử tương tự. Việc sử dụng rộng rãi các bộ khuếch đại hoạt động có liên quan đến tính linh hoạt của chúng (khả năng chế tạo các thiết bị điện tử khác nhau trên cơ sở của chúng, cả tương tự và xung), dải tần rộng (khuếch đại tín hiệu DC và AC), sự độc lập của các tham số chính khỏi sự mất ổn định bên ngoài các yếu tố (thay đổi nhiệt độ, điện áp cung cấp, v.v.). Bộ khuếch đại tích hợp (IOU) được sử dụng chủ yếu.

Sự hiện diện của từ "hoạt động" trong tên được giải thích bởi khả năng các bộ khuếch đại này có thể thực hiện một số phép toán - cộng, trừ, phân biệt, tích hợp, v.v.

Hình 5 cho thấy UGO IEE.Bộ khuếch đại có hai đầu vào - tiến và lùi và một đầu ra. Khi tín hiệu đầu vào được áp dụng cho đầu vào không đảo (trực tiếp), tín hiệu đầu ra có cùng cực tính (pha) — Hình 5, a.

Hình 5 - Ký hiệu đồ họa thông thường của bộ khuếch đại thuật toán

Khi sử dụng đầu vào đảo ngược, pha của tín hiệu đầu ra sẽ bị lệch 180° so với pha của tín hiệu đầu vào (đảo cực) — Hình 6, b. Đầu vào và đầu ra đảo ngược được khoanh tròn.

Hình 6 - Sơ đồ thời gian của op-amp: a) - không đảo, b) - đảo

Khi một điện áp được áp dụng cho hình nền, điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với sự khác biệt giữa các điện áp đầu vào. Những cái này. tín hiệu đầu vào đảo ngược được chấp nhận với dấu «-«. Uout = K (Uneinv — Uinv), trong đó K là mức tăng.

Hình 7 - Đặc tính biên độ của op-amp

Op-amp được cấp nguồn bằng nguồn lưỡng cực, thường là +15V và -15V.. Nguồn cấp đơn cực cũng được cho phép. Phần còn lại của kết luận IOU được chỉ định khi chúng được sử dụng.

Hoạt động của op-amp được giải thích bằng đặc tính biên độ - Hình 8. Trên đặc tính, có thể phân biệt một phần tuyến tính, trong đó điện áp đầu ra tăng tỷ lệ thuận với mức tăng điện áp đầu vào và hai phần bão hòa U + ngồi và U- ngồi. Tại một giá trị nhất định của điện áp đầu vào Uin.max, bộ khuếch đại chuyển sang chế độ bão hòa, trong đó điện áp đầu ra giả định giá trị cực đại (ở giá trị Up = 15 V, xấp xỉ Uns = 13 V) và không thay đổi khi tiếp tục tăng tín hiệu đầu vào. Chế độ bão hòa được sử dụng trong các thiết bị xung dựa trên bộ khuếch đại hoạt động.

Bộ khuếch đại công suất được sử dụng trong giai đoạn khuếch đại cuối cùng và được thiết kế để tạo ra công suất cần thiết trong tải.

Tính năng chính của chúng là hoạt động ở mức tín hiệu đầu vào cao và dòng điện đầu ra cao, đòi hỏi phải sử dụng các bộ khuếch đại mạnh.

Bộ khuếch đại có thể hoạt động ở các chế độ A, AB, B, C và D.

Ở chế độ A, dòng điện đầu ra của thiết bị khuếch đại (bóng bán dẫn hoặc ống điện tử) được mở trong toàn bộ khoảng thời gian của tín hiệu được khuếch đại (tức là liên tục) và dòng điện đầu ra chạy qua nó. Bộ khuếch đại công suất loại A giới thiệu độ méo tối thiểu vào tín hiệu được khuếch đại, nhưng có hiệu suất rất thấp.

Ở chế độ B, dòng điện đầu ra được chia thành hai phần, một bộ khuếch đại khuếch đại nửa sóng dương của tín hiệu, phần thứ hai âm. Kết quả là, hiệu quả cao hơn ở chế độ A, nhưng cũng có những biến dạng phi tuyến tính lớn xảy ra tại thời điểm chuyển đổi bóng bán dẫn.

Chế độ AB lặp lại chế độ B, nhưng tại thời điểm chuyển đổi từ nửa sóng này sang nửa sóng kia, cả hai bóng bán dẫn đều mở, giúp giảm méo mà vẫn duy trì hiệu suất cao. Chế độ AB là phổ biến nhất cho các bộ khuếch đại tương tự.

Chế độ C được sử dụng trong trường hợp không có biến dạng dạng sóng trong quá trình khuếch đại, vì dòng điện đầu ra của bộ khuếch đại chảy trong ít hơn nửa chu kỳ, tất nhiên, dẫn đến biến dạng lớn.

Chế độ D sử dụng chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành xung, khuếch đại các xung đó rồi chuyển đổi ngược lại.Trong trường hợp này, các bóng bán dẫn đầu ra hoạt động ở chế độ chính (bóng bán dẫn được đóng hoàn toàn hoặc mở hoàn toàn), mang lại hiệu suất của bộ khuếch đại gần 100% (ở chế độ AV, hiệu suất không vượt quá 50%). Bộ khuếch đại hoạt động ở chế độ D được gọi là bộ khuếch đại kỹ thuật số.

Trong mạch kéo đẩy, quá trình khuếch đại (chế độ B và AB) xảy ra trong hai chu kỳ xung nhịp. Trong nửa chu kỳ đầu tiên, tín hiệu đầu vào được khuếch đại bởi một bóng bán dẫn và bóng bán dẫn kia được đóng lại trong nửa chu kỳ này hoặc một phần của nó. Trong nửa chu kỳ thứ hai, tín hiệu được khuếch đại bởi bóng bán dẫn thứ hai trong khi bóng bán dẫn thứ nhất bị tắt.

Mạch trượt của bộ khuếch đại bóng bán dẫn được hiển thị trong Hình 8. Giai đoạn bóng bán dẫn VT3 cung cấp lực đẩy cho các bóng bán dẫn đầu ra VT1 và VT2. Các điện trở R1 và R2 đặt chế độ hoạt động liên tục của các bóng bán dẫn.

Với sự xuất hiện của Uin nửa sóng âm, dòng điện của bộ thu VT3 tăng lên, dẫn đến sự gia tăng điện áp ở các đế của bóng bán dẫn VT1 và VT2. Trong trường hợp này, VT2 đóng và thông qua VT1, dòng điện cực góp đi qua mạch: + Lên, chuyển tiếp K-E VT1, C2 (trong quá trình sạc), Rn, vỏ.

Khi một nửa sóng dương đến, Uin VT3 đóng lại, dẫn đến giảm điện áp ở các đế của bóng bán dẫn VT1 và VT2 — VT1 đóng, và dòng điện thu qua VT2 chạy qua mạch: + C2, chuyển tiếp EK VT2 , trường hợp, Rn, -C2 . t

Điều này đảm bảo rằng dòng điện của cả hai nửa sóng của điện áp đầu vào chạy qua tải.

Hình 8 - Sơ đồ bộ khuếch đại công suất

Ở chế độ D, bộ khuếch đại hoạt động với điều chế độ rộng xung (PWM)… Tín hiệu đầu vào điều chế xung hình chữ nhậtbằng cách thay đổi thời lượng của chúng.Trong trường hợp này, tín hiệu được chuyển đổi thành các xung hình chữ nhật có cùng biên độ, thời lượng của chúng tỷ lệ thuận với giá trị của tín hiệu tại bất kỳ thời điểm nào.

Chuỗi xung được đưa đến (các) bóng bán dẫn để khuếch đại. Vì tín hiệu được khuếch đại là xung nên bóng bán dẫn hoạt động ở chế độ phím. Hoạt động ở chế độ phím có liên quan đến tổn thất tối thiểu, vì bóng bán dẫn được đóng hoặc mở hoàn toàn (có điện trở tối thiểu).Sau khi khuếch đại, thành phần tần số thấp (tín hiệu gốc được khuếch đại) được tách ra khỏi tín hiệu bằng bộ lọc thông thấp ( LPF) và cấp cho tải.

Hình 9 - Sơ đồ khối của bộ khuếch đại lớp D

Bộ khuếch đại Class D được sử dụng trong hệ thống âm thanh máy tính xách tay, liên lạc di động, thiết bị điều khiển động cơ, v.v.

Các bộ khuếch đại hiện đại được đặc trưng bởi việc sử dụng rộng rãi các mạch tích hợp.