工业电子中的电子放大器

这些设备旨在放大电信号的电压、电流和功率。

最简单的放大器是晶体管电路。放大器的使用是由于通常进入电子设备的电信号（电压和电流）的振幅很小，因此有必要将它们增加到足以进一步使用（转换，传输，负载供电）的必要值).

图 1 显示了操作放大器所需的设备。

图 1 — 放大器环境

放大器负载时释放的功率是其电源转换后的功率，输入信号仅驱动它。放大器由直流电源供电。

通常，放大器由几个放大级组成（图 2）。放大的第一级主要用于放大信号电压，称为前置放大器。它们的电路由输入信号源的类型决定。

用于放大信号功率的级称为终端或输出。他们的方案由负载类型决定。此外，放大器可以包括设计用于获得必要的放大和（或）形成放大信号的必要特性的中间级。

图 2 — 放大器结构

功放分类：

1）取决于放大参数，电压，电流，功放

2）按放大信号的性质：

• 谐波（连续）信号放大器；

• 脉冲信号放大器（数字放大器）。

3）在放大频率范围内：

• 直流放大器；

• 交流放大器

• 低频、高频、超高频等

4）按频率响应的性质：

• 谐振（放大窄频带中的信号）；

• 带通（放大某个频段）；

• 宽带（放大整个频率范围）。

5）按增强元件类型：

• 电真空灯；

• 在半导体设备上；

• 在集成电路上。

选择功放时，退出功放参数：

• 以瓦特为单位的输出功率。输出功率根据放大器的用途而有很大差异，例如在声音放大器中——从耳机中的毫瓦到音频系统中的数十瓦和数百瓦。

• 频率范围，以赫兹为单位。例如，同一个音频放大器通常应提供 20–20,000 Hz 频率范围内的增益，而电视信号放大器（图像 + 声音） - 20 Hz - 10 MHz 或更高。

• 非线性失真，以百分比 % 衡量。它表征放大信号的形状失真。通常，给定参数越低越好。

• 效率（效率比）以百分比%衡量。显示电源中有多少功率用于将功率耗散到负载中。事实上，电源的一部分功率被浪费了，在更大程度上这些是热损失——电流的流动总是导致材料加热。此参数对于自供电设备（来自蓄电池和电池）尤为重要。

图 3 显示了一个典型的双极晶体管前置放大器电路。输入信号来自电压源Uin，隔直电容Cp1和Cp2传递变量ie。放大后的信号不通过直流电，这使得在串联放大器级中创建独立的直流电工作模式成为可能。

图 3——双极晶体管放大级示意图

电阻Rb1和Rb2为主分压器，为三极管Ib0的基极提供启动电流，电阻Rk为集电极Ik0提供启动电流。这些电流称为层流。在没有输入信号的情况下，它们是恒定的。图 4 显示了放大器的时序图。时间图是参数随时间的变化。

电阻 Re 提供负电流反馈 (NF)。反馈 (OC) 是将输出信号的一部分传输到放大器的输入电路。如果输入信号和反馈信号相位相反，则称反馈为负。 OOS 会降低增益，但同时会降低谐波失真并提高放大器稳定性。几乎所有放大器都使用它。

电阻Rf和电容Cf是滤波元件。电容器Cf为放大器从源Up消耗的电流的可变分量形成低电阻电路。如果从源馈送多个放大器源，则需要滤波元件。

当施加输入信号 Uin 时，电流 Ib ~ 出现在输入电路和输出 Ik ~ 中。电流 Ik ~ 通过负载 Rn 产生的电压降将是放大的输出信号。

从临时电压和电流图（图 3）可以看出，级联输入 Ub ~ 和输出 Uc ~ = Uout 处的电压可变分量是反相的，即OE 晶​​体管的增益级以相反的方向改变（反转）输入信号的相位。

图 4——双极晶体管放大级电流和电压的时序图

运算放大器 (OU) 是具有高增益和深度负反馈的 DC/AC 放大器。

它允许实现大量电子设备，但传统上称为放大器。

可以说运算放大器是所有模拟电子产品的支柱。运算放大器的广泛使用与它们的灵活性（能够在其基础上构建各种电子设备的能力，包括模拟和脉冲）、宽频率范围（直流和交流信号的放大）、主要参数不受外部不稳定因素的影响有关因素（温度变化、电源电压等）。主要使用集成放大器（IOU）。

名称中“操作”一词的存在是因为这些放大器可能执行许多数学运算 - 加法、减法、微分、积分等。

图 5 显示了 UGO IEE。放大器有两个输入——正向和反向以及一个输出。当输入信号应用于同相（直接）输入时，输出信号具有相同的极性（相位）——图 5，a。

图 5 — 运算放大器的传统图形名称

当使用反相输入时，输出信号的相位将相对于输入信号的相位偏移 180°（极性反转）——图 6，b。反向输入和输出被圈出。

图 6 — 运算放大器的时间图：a) — 同相，b) — 反相

当向墙纸施加电压时，输出电压与输入电压之差成正比。这些。反相输入信号以 «-« 符号接受。 Uout = K (Uneinv - Uinv)，其中 K 是增益。

图 7 — 运算放大器的幅度特性

运算放大器由双极性电源供电，通常为+15V 和-15V。也允许使用单极性电源。其余的 IOU 结论在使用时注明。

运算放大器的操作由振幅特性解释 - 图 8。在该特性上，可以区分线性部分，其中输出电压随输入电压的增加成比例增加，以及饱和 U + 的两个部分sat 和 U-sat。输入电压 Uin.max 达到某个特定值时，放大器进入饱和模式，输出电压呈现最大值（Up = 15 V，大约 Uns = 13 V）并保持不变增加输入信号。饱和模式用于基于运算放大器的脉冲设备。

功率放大器用于放大的最后阶段，旨在在负载中产生所需的功率。

它们的主要特点是在高输入信号电平和高输出电流下运行，这需要使用强大的放大器。

放大器可以在 A、AB、B、C 和 D 模式下运行。

在模式A中，放大器器件（晶体管或电子管）的输出电流在放大信号的整个周期内（即恒定）是打开的，并且输出电流流过它。 A 类功率放大器在放大信号中引入的失真最小，但效率非常低。

在模式 B 中，输出电流分为两部分，一个放大器放大信号的正半波，第二个放大负半波。因此，效率高于模式 A，但在开关晶体管的瞬间也会出现较大的非线性失真。

AB 模式重复 B 模式，但在从一个半波过渡到另一个半波的瞬间，两个晶体管都打开，这样可以在保持高效率的同时减少失真。 AB 模式是模拟放大器最常见的模式。

模式C用于放大过程中波形没有失真的情况，因为放大器的输出电流流过的时间不到半个周期，这当然会导致较大的失真。

D 模式使用将输入信号转换为脉冲，放大这些脉冲，然后再将它们转换回来。在这种情况下，输出晶体管工作在关键模式（晶体管完全关闭或完全打开），这使放大器的效率接近100%（在AV模式下，效率不超过50%）。在 D 模式下工作的放大器称为数字放大器。

在推挽电路中，放大（模式 B 和 AB）发生在两个时钟周期内。在第一个半周期内，输入信号由一个晶体管放大，另一个在这个半周期或其中的一部分内关闭。在第二个半周期中，信号由第二个晶体管放大，同时第一个晶体管关闭。

晶体管放大器的滑动电路如图8所示。晶体管级VT3为输出晶体管VT1和VT2提供推动力。电阻器 R1 和 R2 设置晶体管的恒定工作模式。

随着负半波Uin的到来，集电极电流VT3增加，导致三极管VT1、VT2基极电压升高。在这种情况下，VT2 关闭，集电极电流通过 VT1 流过电路：+ Up，转换 K-E VT1，C2（充电期间），Rn，case。

当正半波到达时，Uin VT3 关闭，这导致晶体管 VT1 和 VT2 的基极电压降低 - VT1 关闭，集电极电流通过 VT2 流过电路： + C2，转换 EK VT2 ，案例，Rn，-C2。吨

这确保了输入电压的两个半波的电流都流过负载。

图 8 — 功率放大器示意图

在模式 D 中，放大器与 脉冲宽度调制 (PWM)… 输入信号调制 矩形脉冲通过改变他们的持续时间。在这种情况下，信号被转换为相同幅度的矩形脉冲，其持续时间与任何时刻的信号值成正比。

脉冲序列被馈送到晶体管进行放大。由于放大信号是脉冲信号，因此晶体管以按键模式工作。在键模式下操作与最小损耗相关，因为晶体管要么关闭要么完全打开（具有最小电阻）。放大后，使用低通滤波器从信号中提取低频分量（放大的原始信号）（ LPF ）并馈送到负载。

图 9 — D 类放大器的框图

D 类放大器用于笔记本电脑音频系统、移动通信、电机控制设备等。

现代放大器的特点是广泛使用集成电路。