Hiểu về mạch khuếch đại

Nói chung, bộ khuếch đại có thể được định nghĩa là một mạch được thiết kế để tăng tín hiệu đầu vào công suất thấp được áp dụng thành tín hiệu đầu ra công suất cao, theo xếp hạng cụ thể của các thành phần.

Mặc dù, chức năng cơ bản vẫn giống nhau, nhưng các bộ khuếch đại có thể được phân loại thành các loại khác nhau tùy thuộc vào thiết kế và cấu hình của chúng.

Mạch khuếch đại đầu vào logic

Bạn có thể đã bắt gặp bộ khuếch đại bóng bán dẫn đơn được cấu hình để hoạt động và khuếch đại logic tín hiệu thấp từ thiết bị cảm biến đầu vào như LDR, điốt quang Thiết bị IR. Đầu ra từ các bộ khuếch đại này sau đó được sử dụng để chuyển đổi dep Lê hoặc một rơ le BẬT / TẮT để đáp ứng các tín hiệu từ các thiết bị cảm biến.

Bạn cũng có thể đã thấy các bộ khuếch đại nhỏ được sử dụng để khuếch đại trước âm nhạc hoặc đầu vào âm thanh, hoặc để vận hành đèn LED.
Tất cả những bộ khuếch đại nhỏ được phân loại là bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ.

Các loại bộ khuếch đại

Về cơ bản, các mạch khuếch đại được kết hợp để khuếch đại tần số âm nhạc sao cho đầu vào âm nhạc nhỏ được cấp nguồn được khuếch đại thành nhiều nếp gấp, thông thường từ 100 lần đến 1000 lần và được tái tạo qua loa.

Tùy thuộc vào công suất hoặc định mức công suất của chúng, các mạch như vậy có thể có các thiết kế khác nhau, từ bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ dựa trên opamp nhỏ đến bộ khuếch đại tín hiệu lớn còn được gọi là bộ khuếch đại công suất. mà chúng có thể được cấu hình để xử lý chức năng khuếch đại.

Bảng sau cung cấp cho chúng ta phân loại chi tiết của bộ khuếch đại dựa trên thông số kỹ thuật và nguyên tắc hoạt động của chúng:

Trong một thiết kế bộ khuếch đại cơ bản, chúng tôi thấy rằng nó chủ yếu bao gồm một vài giai đoạn có mạng bóng bán dẫn lưỡng cực hoặc BJT, bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) hoặc bộ khuếch đại hoạt động.

Có thể thấy các khối hoặc mô-đun khuếch đại như vậy có một vài đầu cuối để cấp tín hiệu đầu vào và một cặp đầu cuối khác ở đầu ra để thu tín hiệu khuếch đại qua loa được kết nối.

Một trong hai thiết bị đầu cuối này là thiết bị đầu cuối mặt đất và có thể được xem như một đường chung qua các giai đoạn đầu vào và đầu ra.

Ba thuộc tính của một bộ khuếch đại

Ba đặc tính quan trọng mà một bộ khuếch đại lý tưởng phải có là:

• Kháng đầu vào (Rin)
• Điện trở đầu ra (Rout)
• Độ lợi (A) là phạm vi khuếch đại của bộ khuếch đại.

Hiểu một bộ khuếch đại lý tưởng hoạt động

Sự khác biệt trong tín hiệu khuếch đại giữa đầu ra và đầu vào được gọi là độ lợi của bộ khuếch đại. Nó là cường độ hoặc số lượng mà bộ khuếch đại có thể khuếch đại tín hiệu đầu vào qua các cực đầu ra của nó.

Lấy ví dụ, nếu một bộ khuếch đại được đánh giá để xử lý tín hiệu đầu vào là 1 vôn thành tín hiệu khuếch đại 50 vôn, thì chúng ta sẽ nói rằng bộ khuếch đại có mức khuếch đại là 50, nó đơn giản như vậy.
Sự tăng cường này của tín hiệu đầu vào thấp thành tín hiệu đầu ra cao hơn được gọi là thu được của một bộ khuếch đại. Ngoài ra, điều này có thể được hiểu là sự gia tăng của tín hiệu đầu vào với hệ số 50.

Tỷ lệ tăng Do đó, độ lợi của một bộ khuếch đại về cơ bản là tỷ số giữa giá trị đầu ra và đầu vào của các mức tín hiệu, hoặc đơn giản là công suất đầu ra chia cho công suất đầu vào và được quy bởi chữ 'A' cũng biểu thị công suất khuếch đại của bộ khuếch đại.

Các loại tăng của bộ khuếch đại Các loại khuếch đại khuếch đại khác nhau có thể được phân loại là:

1. Tăng điện áp (Tắt)
2. Mức tăng hiện tại (Ai)
3. Tăng sức mạnh (Ap)

Công thức ví dụ để tính toán lợi nhuận của bộ khuếch đại Tùy thuộc vào 3 loại lợi nhuận ở trên, các công thức tính toán chúng có thể được học từ các ví dụ sau:

1. Độ lợi điện áp (Av) = Điện áp đầu ra / Điện áp đầu vào = Vout / Vin
2. Độ lợi hiện tại (Ai) = Dòng điện đầu ra / Dòng điện đầu vào = Iout / Iin
3. Tăng công suất (Ap) = Av.x.A Tôi

Để tính toán mức tăng công suất, bạn cũng có thể sử dụng công thức:
Tăng công suất (Ap) = Công suất đầu ra / Công suất đầu vào = Aout / Ain

Điều quan trọng cần lưu ý là chỉ số dưới p, v, i được sử dụng để tính toán công suất được chỉ định để xác định loại tăng tín hiệu cụ thể đang được nghiên cứu.

Biểu thị Decibel

Bạn sẽ tìm thấy một phương pháp khác để thể hiện mức tăng công suất của bộ khuếch đại, tính bằng Decibel hoặc (dB).
Số đo hay đại lượng Bel (B) là đơn vị logarit (Cơ số 10) không có đơn vị đo.
Tuy nhiên Decibel có thể là một đơn vị quá lớn để sử dụng thực tế, do đó chúng tôi sử dụng decibel phiên bản thấp hơn (dB) để tính toán bộ khuếch đại.
Dưới đây là một số công thức có thể được sử dụng để đo độ lợi khuếch đại tính bằng decibel:

1. Tăng điện áp tính bằng dB: tắt = 20 * log (Tắt)
2. Tăng hiện tại tính bằng dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Tăng công suất tính theo dB: ap = 10 * log (Ap)

Một số thông tin về phép đo dB
Điều quan trọng cần lưu ý là mức tăng công suất DC của bộ khuếch đại gấp 10 lần nhật ký chung của tỷ lệ đầu ra / đầu vào của nó, trong khi mức tăng của dòng điện và điện áp gấp 20 lần nhật ký chung của tỷ lệ giữa chúng.

Điều này ngụ ý rằng vì có liên quan đến thang đo log, mức tăng 20dB không thể được coi là gấp đôi của 10dB, do đặc tính đo phi tuyến tính của thang log.

Khi độ lợi được đo bằng dB, các giá trị dương biểu thị độ lợi của bộ khuếch đại trong khi giá trị dB âm biểu thị sự mất độ lợi của bộ khuếch đại.

Ví dụ: nếu mức tăng + 3dB được xác định, nó chỉ ra mức tăng 2 lần hoặc x2 của đầu ra bộ khuếch đại cụ thể.

Ngược lại, nếu kết quả là -3dB, cho thấy rằng bộ khuếch đại bị mất độ lợi 50% hoặc số đo x0,5 tổn thất trong độ lợi của nó. Đây cũng được gọi là điểm bán phần có nghĩa là thấp hơn -3dB so với công suất tối đa có thể đạt được, đối với 0dB là đầu ra tối đa có thể có từ bộ khuếch đại

Tính toán bộ khuếch đại

Tính điện áp, dòng điện và độ lợi công suất của bộ khuếch đại với các thông số kỹ thuật sau: Tín hiệu đầu vào = 10mV @ 1mAOutput Tín hiệu = 1V @ 10mA. Ngoài ra, hãy tìm ra độ lợi của bộ khuếch đại bằng cách sử dụng các giá trị decibel (dB).

Giải pháp:

Áp dụng các công thức đã học ở trên, chúng tôi có thể đánh giá các loại lợi ích khác nhau liên quan đến bộ khuếch đại theo thông số kỹ thuật đầu ra đầu vào trong tay:

Độ lợi điện áp (Av) = Điện áp đầu ra / Điện áp đầu vào = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Độ lợi hiện tại (Ai) = Dòng điện đầu ra / Dòng điện đầu vào = Iout / Iin = 10/1 = 10
Tăng công suất (Ap) = Av. x A Tôi = 100 x 10 = 1000

Để có được kết quả bằng Decibel, chúng tôi áp dụng các công thức tương ứng như dưới đây:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Phân khu Bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ: Đối với các thông số kỹ thuật về công suất và điện áp của một bộ khuếch đại, chúng tôi có thể phân chia chúng thành một vài loại đa dạng.

Loại đầu tiên được gọi là bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ. Các bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ này thường được sử dụng trong các giai đoạn tiền khuếch đại, bộ khuếch đại thiết bị đo đạc, v.v.

Các loại bộ khuếch đại này được tạo ra để xử lý các mức tín hiệu nhỏ ở đầu vào của chúng, trong phạm vi của một số vi volt, chẳng hạn như từ thiết bị cảm biến hoặc đầu vào tín hiệu âm thanh nhỏ.

Bộ khuếch đại tín hiệu lớn: Loại bộ khuếch đại thứ hai được đặt tên là bộ khuếch đại tín hiệu lớn, và như tên gọi của nó, chúng được sử dụng trong các ứng dụng bộ khuếch đại công suất để đạt được phạm vi khuếch đại lớn. Trong các bộ khuếch đại này, tín hiệu đầu vào có cường độ tương đối lớn hơn để chúng có thể được khuếch đại đáng kể để tái tạo và chuyển chúng thành các loa phóng thanh mạnh mẽ.

Cách hoạt động của bộ khuếch đại công suất

Vì bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ được thiết kế để xử lý điện áp đầu vào nhỏ, chúng được gọi là bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ. Tuy nhiên, khi bộ khuếch đại được yêu cầu để làm việc với các ứng dụng dòng điện chuyển đổi cao ở đầu ra của chúng, như vận hành động cơ hoặc vận hành loa trầm phụ, bộ khuếch đại công suất trở nên không thể tránh khỏi.

Phổ biến nhất, bộ khuếch đại công suất được sử dụng như bộ khuếch đại âm thanh để điều khiển loa lớn và để đạt được mức khuếch đại âm nhạc và đầu ra âm lượng lớn.

Bộ khuếch đại công suất yêu cầu nguồn DC bên ngoài để hoạt động và nguồn DC này được sử dụng để đạt được mức khuếch đại công suất cao dự kiến ​​ở đầu ra của chúng. Nguồn DC thường được lấy từ nguồn điện cao áp hiện tại thông qua máy biến áp hoặc các thiết bị dựa trên SMPS.

Mặc dù bộ khuếch đại công suất có thể tăng tín hiệu đầu vào thấp hơn thành tín hiệu đầu ra cao, nhưng quy trình này thực sự không hiệu quả lắm. Đó là bởi vì trong quá trình này, một lượng đáng kể điện một chiều bị lãng phí dưới dạng tản nhiệt.

Chúng ta biết rằng một bộ khuếch đại lý tưởng sẽ tạo ra công suất gần như bằng công suất tiêu thụ, dẫn đến hiệu suất là 100%. Tuy nhiên, trên thực tế điều này có vẻ khá xa vời và có thể không khả thi, do tổn thất nguồn DC vốn có từ các thiết bị nguồn dưới dạng nhiệt.

Hiệu quả của Bộ khuếch đại Từ những cân nhắc trên, chúng ta có thể biểu thị hiệu suất của một bộ khuếch đại là:

Hiệu quả = Bộ khuếch đại Công suất đầu ra / Mức tiêu thụ DC của bộ khuếch đại = Ngắt / Chốt

Bộ khuếch đại lý tưởng

Với việc tham khảo các cuộc thảo luận ở trên, chúng ta có thể phác thảo các đặc điểm chính của một bộ khuếch đại lý tưởng. Chúng được giải thích cụ thể như sau:

Độ lợi (A) của một bộ khuếch đại lý tưởng phải không đổi bất kể tín hiệu đầu vào khác nhau.

1. Độ lợi không đổi bất kể tần số của tín hiệu đầu vào, cho phép khuếch đại đầu ra không bị ảnh hưởng.
2. Đầu ra của bộ khuếch đại không có bất kỳ loại tạp âm nào trong quá trình khuếch đại, ngược lại, nó được tích hợp tính năng giảm tiếng ồn loại bỏ bất kỳ tiếng ồn nào có thể được đưa vào qua nguồn đầu vào.
3. Nó vẫn không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc nhiệt độ khí quyển.
4. Việc sử dụng trong thời gian dài có ảnh hưởng tối thiểu hoặc không ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ khuếch đại và nó vẫn ổn định.

Phân loại bộ khuếch đại điện tử

Cho dù đó là bộ khuếch đại điện áp hay bộ khuếch đại công suất, chúng được phân loại dựa trên đặc điểm tín hiệu đầu vào và đầu ra của chúng. Điều này được thực hiện bằng cách phân tích dòng điện đối với tín hiệu tín hiệu đầu vào và thời gian cần thiết để nó đạt đến đầu ra.

Dựa trên cấu hình mạch của chúng, các bộ khuếch đại công suất có thể được phân loại theo thứ tự bảng chữ cái. Chúng được chỉ định với các lớp hoạt động khác nhau như:

Lớp 'A'
Lớp 'B'
Lớp C'
Lớp 'AB', v.v.

Chúng có thể có các đặc tính khác nhau, từ đáp ứng đầu ra gần như tuyến tính nhưng hiệu suất khá thấp đến phản ứng đầu ra phi tuyến tính với hiệu suất cao.

Không ai trong số các loại bộ khuếch đại này có thể được phân biệt là kém hơn hoặc tốt hơn nhau, vì mỗi loại có lĩnh vực ứng dụng cụ thể riêng tùy thuộc vào yêu cầu.

Bạn có thể nhận thấy hiệu quả chuyển đổi tối ưu cho từng loại này và mức độ phổ biến của chúng có thể được xác định theo thứ tự sau:

Bộ khuếch đại Class 'A': Hiệu suất thấp hơn thường dưới 40%, nhưng có thể cho thấy đầu ra tín hiệu tuyến tính được cải thiện.

Bộ khuếch đại loại 'B': Tỷ lệ hiệu quả có thể gấp đôi loại A, thực tế là khoảng 70%, do chỉ các thiết bị hoạt động của bộ khuếch đại mới tiêu thụ điện năng, chỉ gây ra mức sử dụng 50% công suất.

Bộ khuếch đại loại 'AB': Các bộ khuếch đại thuộc loại này có mức hiệu suất nằm giữa mức hiệu suất của loại A và loại B, nhưng khả năng tái tạo tín hiệu kém hơn so với loại A.

Bộ khuếch đại Class 'C': Đây được coi là đặc biệt hiệu quả về mức tiêu thụ điện năng, nhưng khả năng tái tạo tín hiệu kém nhất với nhiều biến dạng, gây ra việc sao chép rất kém các đặc tính tín hiệu đầu vào.

Cách hoạt động của Bộ khuếch đại Class A:

Bộ khuếch đại Class A có các bóng bán dẫn được phân cực lý tưởng trong vùng hoạt động giúp tín hiệu đầu vào có thể được khuếch đại chính xác ở đầu ra.

Do tính năng xu hướng hoàn hảo này, bóng bán dẫn không bao giờ được phép trôi về phía bị cắt hoặc qua vùng bão hòa, dẫn đến việc khuếch đại tín hiệu được tối ưu hóa chính xác và tập trung giữa giới hạn trên và giới hạn dưới được chỉ định của tín hiệu, như được hiển thị trong hình sau hình ảnh:

Trong cấu hình lớp A, các bộ bóng bán dẫn giống hệt nhau được áp dụng trên hai nửa của dạng sóng đầu ra. Và tùy thuộc vào loại xu hướng mà nó sử dụng, các bóng bán dẫn công suất đầu ra luôn được hiển thị ở vị trí BẬT được chuyển mạch, bất kể tín hiệu đầu vào có được áp dụng hay không.

Do đó, các bộ khuếch đại lớp A có hiệu suất cực kỳ kém về mặt tiêu thụ điện năng, vì việc phân phối điện thực tế đến đầu ra bị cản trở do sự lãng phí dư thừa thông qua việc tiêu tán thiết bị.

Với tình huống được giải thích ở trên, bộ khuếch đại lớp có thể được thấy luôn có bóng bán dẫn công suất đầu ra quá nóng ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào.

Ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào, DC (Ic) từ nguồn điện được phép chạy qua các bóng bán dẫn nguồn, có thể bằng dòng điện chạy qua loa khi có tín hiệu đầu vào. Điều này làm phát sinh các bóng bán dẫn 'nóng' liên tục và lãng phí điện năng.

Hoạt động của Bộ khuếch đại Class B

Ngược lại với cấu hình bộ khuếch đại lớp A phụ thuộc vào các bóng bán dẫn công suất đơn, lớp B sử dụng một cặp BJT bổ sung trên mỗi nửa phần của mạch. Chúng có thể ở dạng NPN / PNP hoặc MOSFET kênh N / MOSF kênh P).

Ở đây, một trong các bóng bán dẫn được phép dẫn theo một nửa chu kỳ dạng sóng của tín hiệu đầu vào, trong khi bóng bán dẫn còn lại xử lý nửa chu kỳ còn lại của dạng sóng.

Điều này đảm bảo rằng mỗi bóng bán dẫn trong cặp dẫn điện trong một nửa thời gian trong vùng hoạt động và một nửa thời gian trong vùng cắt, do đó chỉ cho phép 50% tham gia vào quá trình khuếch đại tín hiệu.

Không giống như bộ khuếch đại lớp A, trong bộ khuếch đại lớp B, các bóng bán dẫn công suất không được phân cực với DC trực tiếp, thay vào đó, cấu hình đảm bảo rằng chúng chỉ dẫn trong khi tín hiệu đầu vào đi cao hơn điện áp bộ phát cơ bản, có thể vào khoảng 0,6V đối với các BJT silicon.

Điều này ngụ ý rằng, khi không có tín hiệu đầu vào, các BJT vẫn tắt và dòng điện đầu ra bằng không. Và do đó, chỉ 50% tín hiệu đầu vào được phép đi vào đầu ra ở bất kỳ trường hợp nào, tạo ra tỷ lệ hiệu quả tốt hơn nhiều cho các bộ khuếch đại này. Kết quả có thể được chứng kiến ​​trong sơ đồ sau:

Vì không có sự tham gia trực tiếp của DC để phân cực hóa các bóng bán dẫn công suất trong bộ khuếch đại lớp B, để bắt đầu dẫn truyền theo từng nửa chu kỳ dạng sóng +/-, nó trở nên bắt buộc đối với cơ sở / bộ phát của chúng Vbe để có được điện thế cao hơn 0,6V (giá trị xu hướng cơ sở tiêu chuẩn cho BJT)

Do thực tế trên, nó có nghĩa là trong khi dạng sóng đầu ra dưới mốc 0,6V, nó không thể được khuếch đại và tái tạo.

Điều này làm phát sinh vùng méo cho dạng sóng đầu ra, ngay trong khoảng thời gian khi một trong các BJT trở thành TẮT và đợi BJT kia BẬT trở lại.

Điều này dẫn đến một phần nhỏ của dạng sóng bị biến dạng nhỏ trong khoảng thời gian giao nhau hoặc giai đoạn chuyển tiếp gần giao nhau 0, chính xác khi sự chuyển đổi từ bóng bán dẫn này sang bóng bán dẫn khác xảy ra trên các cặp bổ sung.

Hoạt động của Bộ khuếch đại Class AB

Bộ khuếch đại lớp AB được chế tạo bằng cách sử dụng đặc tính pha trộn f từ thiết kế mạch lớp A và lớp B, do đó có tên là Class AB.

Mặc dù thiết kế Lớp AB cũng hoạt động với một cặp BJT bổ sung, giai đoạn đầu ra đảm bảo rằng xu hướng của các BJT công suất được điều khiển gần ngưỡng cắt, trong trường hợp không có tín hiệu đầu vào.

Trong tình huống này, ngay sau khi tín hiệu đầu vào được cảm nhận, các bóng bán dẫn bắt đầu hoạt động bình thường trong vùng hoạt động của chúng, do đó hạn chế mọi khả năng xảy ra hiện tượng méo chéo, điều này thường phổ biến trong các cấu hình loại B. Tuy nhiên, có thể có một lượng nhỏ dòng điện thu dẫn qua các BJT, lượng này có thể được coi là không đáng kể so với thiết kế Loại A.

Loại bộ khuếch đại Class AB thể hiện tốc độ hiệu quả được cải thiện nhiều và đáp ứng tuyến tính trái ngược với loại khuếch đại Class A.

Dạng sóng đầu ra của bộ khuếch đại Class AB

Lớp khuếch đại là một tham số quan trọng phụ thuộc vào cách các bóng bán dẫn được phân cực thông qua biên độ của tín hiệu đầu vào, để thực hiện quá trình khuếch đại.

Nó phụ thuộc vào mức độ lớn của dạng sóng tín hiệu đầu vào được sử dụng để các bóng bán dẫn dẫn điện, và cả hệ số hiệu quả, được xác định bởi lượng công suất thực sự được sử dụng để cung cấp đầu ra và / hoặc lãng phí thông qua tiêu tán.

Liên quan đến những yếu tố này, cuối cùng chúng ta có thể tạo một báo cáo so sánh cho thấy sự khác biệt giữa các loại bộ khuếch đại khác nhau, như được đưa ra trong bảng sau.

Sau đó, chúng ta có thể so sánh giữa các loại phân loại bộ khuếch đại phổ biến nhất trong bảng sau.

Các lớp khuếch đại công suất

Lời kết

Nếu bộ khuếch đại không được thiết kế đúng cách, chẳng hạn như thiết kế bộ khuếch đại loại A, có thể yêu cầu tản nhiệt đáng kể trên các thiết bị nguồn, cùng với quạt làm mát cho các hoạt động. Các thiết kế như vậy cũng sẽ cần một đầu vào cung cấp điện lớn hơn để bù đắp lượng điện năng bị lãng phí do nhiệt rất lớn. Tất cả những hạn chế như vậy có thể làm cho các bộ khuếch đại như vậy rất kém hiệu quả, do đó có thể gây ra sự xuống cấp dần dần của các thiết bị và cuối cùng là hỏng hóc.

Do đó, có thể nên chọn một bộ khuếch đại Class B được thiết kế với hiệu suất cao hơn khoảng 70% thay vì 40% của một bộ khuếch đại Class A. Nói rằng, bộ khuếch đại Class A có thể hứa hẹn một phản ứng tuyến tính hơn với bộ khuếch đại của nó và đáp ứng tần số rộng hơn, mặc dù điều này đi kèm với một mức giá lãng phí điện năng đáng kể.