Un amplificatore è un dispositivo elettronico a due porte utilizzato per amplificare il segnale o aumentare la potenza di un segnale con l'aiuto di un alimentatore. L'alimentazione viene fornita tramite il terminale di ingresso dell'amplificatore. L'uscita dell'amplificatore può essere l'ampiezza aumentata, ecc.
Il guadagno dell'amplificatore determina la sua amplificazione. È il fattore principale che determina l'output di un dispositivo. Gli amplificatori sono utilizzati in quasi tutti i tipi di componenti elettronici. Il guadagno viene calcolato come il rapporto tra il parametro di uscita (potenza, corrente o tensione) e il parametro di ingresso.
Gli amplificatori vengono utilizzati in varie applicazioni, come automazione, marina, sensori, ecc. Il guadagno di potenza di un amplificatore è generalmente maggiore di uno. Comprendiamo alcune caratteristiche di base di un amplificatore ideale.
Qui discuteremo un amplificatore ideale, tipi di amplificatori, proprietà, funzioni, E applicazioni degli amplificatori .
Iniziamo.
Amplificatore ideale
Consideriamo le caratteristiche di un amplificatore ideale, che elenchiamo di seguito:
- Impedenza di ingresso: Infinito
- Impedenza di uscita: Zero
- Guadagno a diverse frequenze: Fisso
La porta di ingresso di un amplificatore può essere la sorgente di tensione o la sorgente di corrente. La sorgente di tensione dipende solo dalla tensione di ingresso e non accetta corrente. Allo stesso modo, la sorgente di corrente accetta la corrente e nessuna tensione. L'uscita sarà proporzionale alla tensione o alla corrente attraverso la porta.
L'uscita di un amplificatore ideale può essere una sorgente di corrente dipendente o una sorgente di tensione dipendente. La resistenza della sorgente di tensione dipendente è zero, mentre quella della sorgente di corrente dipendente è infinita.
La tensione o la corrente della sorgente dipendente dipende solo dalla tensione o dalla corrente di ingresso. Ciò significa che la tensione di uscita dipenderà dalla tensione di ingresso e la corrente di uscita dipenderà rispettivamente dalla sorgente di tensione indipendente dalla corrente di ingresso e dalla sorgente di corrente.
Gli amplificatori ideali sono ulteriormente classificati come CCCS (Sorgente corrente di controllo corrente), CCVS (Sorgente di tensione di controllo corrente), VCVS (Sorgente di tensione di controllo della tensione) e VCCS (Sorgente di corrente di controllo della tensione).
cacca
L'impedenza di ingresso di CCVS e CCCS è zero, mentre VCCS e VCVS sono infinite. Allo stesso modo, l'impedenza di uscita di CCCS e VCCS è infinita, mentre quella di CCVS e VCVS è zero.
Tipi di amplificatore
Parliamo dei diversi tipi di amplificatori.
Amplificatori operazionali
Gli amplificatori operazionali o amplificatori operazionali sono amplificatori ad accoppiamento diretto (CC) ad alto guadagno che eseguono varie operazioni matematiche, come addizione, differenziazione, sottrazione, integrazione, ecc.
Ha due terminali di ingresso e un terminale di uscita. I terminali di ingresso sono chiamati terminali invertenti e non invertenti. Il segnale applicato al terminale invertente apparirà come invertito di fase e il segnale applicato al terminale non invertente apparirà senza alcuna inversione di fase sul terminale di uscita.
La tensione applicata all'ingresso invertente è rappresentata come V- e la tensione all'ingresso non invertente è rappresentata come V+.
Nota: l'impedenza di uscita e la deriva di un amplificatore operazionale ideale sono 0. Il guadagno di tensione, l'impedenza di ingresso e la larghezza di banda di un amplificatore operazionale ideale sono infiniti.
Gli amplificatori operazionali sono ulteriormente classificati come amplificatori invertenti e non invertenti. Discutiamo in dettaglio i due tipi di amplificatori operazionali sopra menzionati.
Applicazioni
Gli amplificatori operazionali sono utilizzati in varie applicazioni nell'elettronica. Per esempio,
- Filtri
- Comparatore di tensione
- Integratore
- Convertitore da corrente a tensione
- Amplificatore estivo
- Sfasatore
Di seguito è mostrato l'ingresso invertente e non invertente di un amplificatore:
Amplificatore invertente
L'amplificatore invertente è mostrato di seguito:
È la configurazione del feedback dello shunt di tensione dell'amplificatore operazionale. Una tensione di segnale applicata all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale determina il flusso di corrente I1 nell'amplificatore operazionale. Sappiamo che l'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è infinita. Non consentirà alla corrente di fluire nell'amplificatore. La corrente scorrerà attraverso il circuito di uscita (attraverso la resistenza R2) fino al terminale di uscita dell'amplificatore operazionale.
Il guadagno di tensione sul terminale di uscita dell'amplificatore invertente viene calcolato come:
A =Vo/Vs = -R2/R1
Dove,
Vo e Vs sono la tensione di uscita e di segnale.
Il segno negativo indica che l'uscita dell'amplificatore è sfasata di 180 gradi rispetto all'ingresso.
L'amplificatore invertente è uno degli amplificatori operazionali più utilizzati. Ha impedenze di ingresso e uscita molto basse.
Amplificatore non invertente
L'amplificatore non invertente è mostrato di seguito:
La configurazione di cui sopra è la connessione di feedback in serie di tensione. Una tensione di segnale applicata all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale determina il flusso di corrente I1 nell'amplificatore operazionale e di corrente I2 fuori dall'amplificatore operazionale.
Secondo il concetto di cortocircuito virtuale, I1 = I2 e Vx =Vs.
Il guadagno di tensione dell'amplificatore non invertente può essere calcolato come:
np.linspace
A = A + (R2/R1)
Gli amplificatori non invertenti hanno impedenze di ingresso elevate e basse impedenze di uscita. È anche considerato l'amplificatore di tensione.
Amplificatori CC
Gli amplificatori CC o ad accoppiamento diretto vengono utilizzati per amplificare i segnali a bassa frequenza e ad accoppiamento diretto. I due stadi di un amplificatore DC possono essere interconnessi utilizzando un accoppiamento diretto tra questi stadi.
L'accoppiamento diretto è un tipo di connessione semplice e facile. Può essere calcolato collegando direttamente il collettore del transistor del primo stadio alla base del transistor del secondo stadio, denominata T1 e T2.
Ma gli amplificatori CC causano due problemi chiamati spostamento della deriva e spostamento del livello. Il design dell'amplificatore differenziale ha eliminato tali problemi. Parliamo dell'amplificatore differenziale.
Amplificatori differenziali
La struttura dell'amplificatore differenziale ha risolto il problema della deriva e dello spostamento di livello. La struttura ne comprende due BJT (Bipolar Junction Transistor) amplificatori collegati solo tramite le linee di alimentazione. Viene chiamato amplificatore differenziale perché l'uscita dell'amplificatore è la differenza tra i singoli ingressi, come rappresentato di seguito:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Dove,
Vo è l'uscita e Vi1 e Vi2 sono i due ingressi.
A è il guadagno dell'amplificatore differenziale.
Ora se
mvc nel quadro primaverile
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
L'operazione di cui sopra è chiamata a modalità differenziale operazione. In questo caso i segnali di ingresso sono sfasati tra loro. Tali segnali sfasati sono noti come segnali in modalità differenza (DM).
Se,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
Den = 0
Questa operazione è nota come modalità comune (CM) perché i segnali di ingresso sono in fase tra loro. L'uscita zero di tali segnali indica che non ci sarà alcuna deriva nell'amplificatore.
Amplificatori di potenza
Vengono anche chiamati amplificatori di potenza amplificatori attuali . Questi amplificatori sono necessari per aumentare il livello di corrente di un segnale in ingresso per pilotare facilmente i carichi. I tipi di amplificatori di potenza includono amplificatori di potenza audio, amplificatori di potenza a radiofrequenza, ecc.
Gli amplificatori di potenza sono classificati come amplificatori di Classe A, Classe AB, Classe B e Classe C. Discuteremo le classi degli amplificatori di potenza più avanti in questo argomento.
Amplificatori in modalità Switch
Gli amplificatori a modalità di commutazione sono un tipo di amplificatore non lineare ad alta efficienza.
Automi finiti deterministici
Un esempio comune di questo tipo di amplificatori sono gli amplificatori di classe D.
Amplificatore strumentale
L'amplificatore strumentale viene utilizzato negli strumenti di rilevamento e misurazione analogici. Consideriamo un esempio.
Un voltmetro utilizzato per misurare tensioni molto basse necessita di un amplificatore strumentale per il suo corretto funzionamento. Ha varie caratteristiche, come guadagno di tensione molto elevato, buon isolamento, rumore molto basso, basso consumo energetico, ampia larghezza di banda, ecc.
Feedback negativo
Il feedback negativo è una delle caratteristiche essenziali per controllare la distorsione e la larghezza di banda negli amplificatori. Lo scopo principale del feedback negativo è ridurre il guadagno del sistema. La parte dell'output nella fase opposta viene reimmessa nell'input. Il valore viene ulteriormente sottratto dall'input. Nel segnale di uscita distorto, l'uscita con distorsione viene restituita nella fase opposta. Viene sottratto dall'input; possiamo dire che il feedback negativo negli amplificatori riduce le non linearità e i segnali indesiderati.
L'immagine seguente rappresenta un feedback negativo:
Con l'aiuto del feedback negativo è possibile eliminare anche la distorsione del crossover e altri errori fisici. Gli altri vantaggi derivanti dall'utilizzo del feedback negativo sono l'estensione della larghezza di banda, la rettifica delle variazioni di temperatura, ecc.
Il feedback negativo può essere un feedback negativo di tensione o un feedback negativo di corrente. In entrambi i casi, il feedback di tensione o corrente è proporzionale all'uscita.
Non dobbiamo confonderci tra feedback positivo e negativo. Il feedback positivo tende ad amplificare il cambiamento, mentre il feedback negativo tende a ridurlo. Un'altra differenza è che i segnali di ingresso e di uscita nel feedback positivo sono in fase e vengono sommati. Nel caso di feedback negativo, i segnali di ingresso e di uscita sono sfasati e sottratti.
Dispositivi attivi nell'amplificatore
L'amplificatore è costituito da alcuni dispositivi attivi responsabili del processo di amplificazione. Può essere un singolo transistor, un tubo a vuoto, un componente a stato solido o qualsiasi parte dei circuiti integrati.
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Parliamo dei dispositivi attivi e del loro ruolo nel processo di amplificazione.
BJT
BJT è comunemente noto come a controllato in corrente dispositivo. I transistor a giunzione bipolare vengono utilizzati come interruttori per amplificare la corrente negli amplificatori.
MOSFET
MOSFET o Transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo sono comunemente usati nell'amplificazione dei segnali elettronici. I MOSFET possono essere utilizzati per modificare la conduttività controllando la tensione di gate. MOSFET può anche aumentare la forza del segnale debole. Pertanto, i MOSFET possono essere utilizzati come amplificatore.
Amplificatori a tubi sottovuoto
L'amplificatore a valvole utilizza le valvole a vuoto come dispositivo sorgente. Viene utilizzato per aumentare l'ampiezza del segnale. Al di sotto delle frequenze delle microonde, gli amplificatori a valvole furono sostituiti da amplificatori a stato solido intorno alla fine degli anni 19thsecolo.
Amplificatori a microonde
Gli amplificatori a microonde sono comunemente usati nei sistemi a microonde. Viene utilizzato per aumentare il livello del segnale di ingresso con una distorsione minima. Può anche commutare o aumentare l'energia elettrica. Fornisce una migliore uscita del dispositivo singolo rispetto ai dispositivi a stato solido alle frequenze delle microonde.
Amplificatori magnetici
Gli amplificatori magnetici furono sviluppati negli anni 20thsecolo per superare gli inconvenienti (elevata capacità di corrente e resistenza) degli amplificatori a valvole. Gli amplificatori magnetici sono simili ai transistor. Controlla la forza magnetica del nucleo energizzando la bobina di controllo (un'altra bobina di avvolgimento).
Circuiti integrati
I circuiti integrati possono contenere diversi dispositivi elettronici, come condensatori e transistor. La popolarità dell'IC ha diffuso anche i dispositivi elettronici in tutto il mondo.
Classi di amplificatori di potenza
Le classi degli amplificatori di potenza sono classificate come classe A, classe B, classe AB, E classe C . Discutiamo una breve descrizione delle classi degli amplificatori di potenza.
Amplificatori di potenza in classe A
L'ingresso dell'amplificatore di classe A è piccolo, per cui anche l'uscita è piccola. Quindi, non produce molta amplificazione di potenza. Con i transistor può essere utilizzato come amplificatore di tensione. Gli amplificatori di Classe A con pentodi a vuoto possono anche fornire un singolo stadio di amplificazione di potenza per pilotare carichi, come gli altoparlanti.
Amplificatori di potenza in classe B
I BJT generalmente richiedono amplificatori di potenza di Classe B per pilotare carichi, come gli altoparlanti. L'ingresso degli amplificatori di classe B è ampio, per cui anche l'uscita è molto ampia. Pertanto, produce una grande amplificazione. Ma nel caso di un singolo transistor, viene amplificata solo la metà del segnale di ingresso.
Amplificatori di potenza in classe AB
La configurazione degli amplificatori di potenza AB si trova tra gli amplificatori di classe A e di classe B. Gli amplificatori di classe AB sono prodotti combinando l'elevata potenza degli amplificatori di potenza di classe B con la bassa distorsione degli amplificatori di potenza di classe A.
Nel caso di piccole uscite, l'amplificatore di potenza di classe AB può comportarsi come di classe A. Nel caso di uscite molto grandi può comportarsi come un amplificatore di potenza di classe B.
Amplificatori di potenza in classe C
L'elemento di conduzione degli amplificatori di potenza di tipo C sono i transistor. Ha un'efficienza migliore, ma a causa della conduzione inferiore alla metà del ciclo, provoca una grande distorsione. Pertanto, gli amplificatori di potenza di classe C non sono preferiti nelle applicazioni audio. Le applicazioni comuni di tali amplificatori includono circuiti a radiofrequenza.
Proprietà dell'amplificatore
Gli amplificatori sono definiti in base alle loro proprietà di ingresso e uscita. Il guadagno dell'amplificatore determina la sua amplificazione. Quindi, i fattori di guadagno e di moltiplicazione sono le due proprietà essenziali degli amplificatori.
Parliamo delle proprietà definite dai diversi parametri, elencati di seguito:
Il guadagno di un amplificatore viene calcolato come il rapporto tra uscita (potenza, corrente o tensione) e ingresso. Determina l'amplificazione dell'amplificatore. Ad esempio, un segnale con un ingresso di 10 volt e un'uscita di 60 volt avrà un guadagno di 6.
Guadagno = Uscita/Ingresso
Guadagno = 60/10
Guadagno = 6
Il guadagno è espresso nell'unità dB (decibel). I componenti passivi generalmente hanno un guadagno inferiore a uno, mentre i componenti attivi hanno un guadagno maggiore di 1.
La larghezza di banda è definita come la larghezza misurata in Herz della gamma di frequenza utile.
Intervallo di frequenze - La gamma di frequenza è generalmente specificata in termini di risposta in frequenza o larghezza di banda.
Il rumore è definito come qualsiasi segnale indesiderato che agisce come un disturbo nel sistema.
La maggiore efficienza di un amplificatore comporterebbe una minore generazione di calore e una maggiore potenza di uscita. Si calcola come il rapporto tra la potenza erogata e l'utilizzo della potenza totale.
La velocità di variazione viene misurata in volt per microsecondo. È definito come il tasso massimo di variazione della produzione. Una velocità di risposta superiore alla gamma udibile di un amplificatore comporterebbe meno distorsioni ed errori.
È definita come la capacità dell'amplificatore di produrre copie precise del segnale di ingresso.
I circuiti dell'amplificatore devono essere stabili a tutte le frequenze disponibili. È definita come la capacità di evitare oscillazioni indesiderate in un dispositivo elettronico.
Funzioni di diversi amplificatori
Altri tipi di amplificatori hanno caratteristiche diverse. Parliamo della funzione dei vari tipi di amplificatori in uso oggi.
- IL amplificatori lineari non forniscono una capacità lineare perfetta perché nessun amplificatore è perfetto. Ciò è dovuto all'uso di dispositivi di amplificazione, come i transistor, che sono di natura non lineare. Questi dispositivi possono produrre una certa non linearità. Gli amplificatori lineari sono meno inclini alla distorsione. Ciò significa che gli amplificatori lineari generano meno distorsione.
- Appositamente progettato amplificatori audio può amplificare la frequenza audio.
- L'amplificatore a banda stretta amplifica sulla banda stretta di frequenze, mentre gli amplificatori a banda larga amplificano su un'ampia gamma di frequenze.
- IL amplificatori non lineari producono distorsioni rispetto ai dispositivi lineari. Ma i dispositivi non lineari sono ancora in uso oggi. Esempi di amplificatori non lineari sono gli amplificatori RF (radiofrequenza), ecc.
- La struttura del amplificatore logaritmico produce un output proporzionale al logaritmico del suo input. Il circuito comprende due diodi e due amplificatori operazionali (amplificatore operazionale).
Applicazioni dell'amplificatore
Gli amplificatori vengono utilizzati in diverse applicazioni. Discutiamolo in dettaglio.
Il inseguitore di tensione è anche noto come amplificatore a guadagno unitario . Ha un'impedenza di ingresso molto grande e un'impedenza di uscita molto bassa, che è il principio di base di buffering azione. Il terminale invertente dell'amplificatore operazionale è corto con il terminale di uscita.
Significa che l'output è uguale all'input. Si chiama inseguitore di tensione perché l'uscita dell'amplificatore segue l'ingresso.
L'inseguitore di tensione non fornisce effetti di carico, né guadagno di potenza e corrente, che sono i suoi vantaggi.
La struttura di un convertitore corrente-tensione è mostrata di seguito:
Dove,
RT: Termistore o resistore dipendente dalla luce.
ESSO: Attuale
RF: Resistenza di feedback
SE: Corrente di feedback
voce fuori campo: Tensione di uscita
Il termistore guida l'amplificatore operazionale nella sua modalità invertente. La variazione di temperatura comporta la variazione della resistenza del termistore. Varia ulteriormente la corrente che lo attraversa. La corrente fluisce nell'uscita attraverso il resistore di retroazione come corrente di retroazione sviluppando la tensione di uscita. Poiché la corrente del termistore è uguale alla corrente di retroazione, possiamo dire che la tensione di uscita è proporzionale alla corrente del termistore.
Pertanto, una corrente di ingresso viene convertita in una tensione di uscita.
TWTA E Klystron sono i dispositivi comuni utilizzati come amplificatori a microonde. L'amplificatore a tubo a onda viaggiante (TWTA) fornisce una buona amplificazione anche alle basse frequenze delle microonde. Ciò significa che TWTA è preferito per l'amplificazione ad alta potenza. Ma i klystron sono meglio sintonizzabili rispetto al TWTA.
I klystron vengono utilizzati anche alle frequenze delle microonde per applicazioni ad alta potenza. Ma fornisce un'ampia amplificazione sintonizzabile rispetto a TWTA. Ha anche una larghezza di banda ridotta rispetto a TWTA.
Dispositivi a stato solido , come MOSFET, diodi, materiali semiconduttori (silicio, gallio, ecc.), vengono utilizzati a bassa potenza e frequenze delle microonde in varie applicazioni. Per esempio, telefoni cellulari, terminali portatili a radiofrequenza , ecc. In tali applicazioni, le dimensioni e l'efficienza sono i principali fattori che ne determinano la capacità e l'utilizzo. Anche l'uso di dispositivi a stato solido negli amplificatori a microonde fornisce un'ampia larghezza di banda.
Gli amplificatori vengono utilizzati in vari strumenti musicali, come chitarre e drum machine, per convertire il segnale proveniente da diverse fonti (corde della chitarra, ecc.) nel potente segnale elettronico (amplificatore di potenza) che produce il suono. Il suono è sufficientemente udibile dal pubblico o dalle persone vicine. L'uscita di alcuni strumenti musicali è collegata agli altoparlanti per un suono più forte.
Gli amplificatori per strumenti musicali hanno anche la funzione di sintonizzazione del segnale che consente all'esecutore di modificare il tono del segnale.
I circuiti oscillatori vengono utilizzati per generare forme d'onda elettriche di qualsiasi frequenza, forma e potenza desiderate. L'uso di amplificatori negli oscillatori fornisce l'ampiezza di uscita costante e amplifica la frequenza di feedback.
L'amplificatore presente nell'amplificatore video amplifica il segnale composto da componenti ad alta frequenza. Inoltre impedisce qualsiasi distorsione. Gli amplificatori video hanno larghezze di banda diverse a seconda della qualità del segnale video, come SDTV, HDTV, 1080pi, ecc.