Podstawowa teoria wzmacniacza

Idealny wzmacniacz operacyjny + bilans mocy (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Podstawowa teoria wzmacniacza

Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe i obwody


Pytanie 1

Zasadniczo wzmacniacz jest urządzeniem, które pobiera sygnał o niskiej mocy i wysyła powiększony (wzmocniony pod napięciem) faks z sygnału wejściowego. Wyjaśnij, jak to możliwe, że takie urządzenie istnieje. Czy prawo zachowania energii ("Energia nie może być ani stworzona, ani zniszczona") nie wyklucza istnienia urządzenia wzmacniającego moc "# 1"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Żadne prawa fizyczne nie są naruszane przez wzmacniacz, ponieważ dodatkowa moc pochodzi ze źródła zewnętrznego: zasilania.

Pytanie uzupełniające: czy transformator podwyższający jest wzmacniaczem? Dlaczego lub dlaczego nie?

Uwagi:

Wzmacniacze, których studenci będą studiować, są urządzeniami elektronicznymi, ale istnieją inne rodzaje wzmacniaczy. Omów z nimi kilka przykładów popularnych, nieelektronicznych wzmacniaczy.

pytanie 2

Ważnym parametrem każdego wzmacniacza jest zysk . Wyjaśnij czym jest "wzmocnienie" i napisz proste równanie określające wzmocnienie pod względem napięcia sygnału.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Wzmocnienie" to stopień "powiększenia" wzmacniacza, który dostarcza jego sygnał wejściowy. Wzmocnienie napięcia można zdefiniować na dwa różne sposoby:

A V (dc) = V na zewnątrz


V w

A V (ac) = ΔV na zewnątrz


ΔV w

Uwagi:

Ponieważ twoi uczniowie powinni być w stanie odróżnić poprzez kontekst, symbolem używanym do przedstawienia wzmocnienia w równaniach jest wielka litera Ą. Jednym z potencjalnych problemów jest różnica między dwoma równaniami zysku pokazanymi w odpowiedzi. Dlaczego mielibyśmy dwa różne równania mówiące właściwie to samo? Jeśli ten problem pojawi się w dyskusji, możesz dać swoim uczniom przykład wzmacniacza z odchyleniem DC, gdzie V out = (4) (V in ) + 3 V. Tutaj zysk (AC) zawsze wynosi 4, ale wzmocnienie DC zmienia się w zależności od tego, ile napięcia stosujemy na wejściu!

Na podstawie tego przykładu, jakie obliczenia zysku, o których myślą Twoi uczniowie, są bardziej praktyczne?

pytanie 3

Sercem każdego wzmacniacza jest urządzenie, które wykorzystuje jeden sygnał do sterowania innym. W elektronice oznacza to urządzenie, które używa małego napięcia lub prądu do sterowania większym napięciem lub prądem.

Pierwsze elektroniczne obwody wzmacniające skonstruowano z użyciem urządzeń zwanych lamp elektronowych zamiast tranzystorów . Rury wciąż znajdują specjalistyczne zastosowania w elektronice, ale w dużej mierze zostały zastąpione przez tranzystory. Dlaczego to? Jakie zalety mają tranzystory nad tubami jako urządzeniami wzmacniającymi?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Tranzystory są zwykle znacznie bardziej wytrzymałe fizycznie niż lampy elektronowe, są w stanie wytrzymać większy poziom wibracji i stresu. Są również mniejsze i bardziej energooszczędne w większości zastosowań.

Uwagi:

Rury elektronowe były kiedyś "końmi pociągowymi" świata elektroniki, działającymi jako urządzenia do sterowania mocą i wzmacniania dla szerokiej gamy zastosowań. Powinno być interesujące wysłuchanie opinii uczniów na temat tego pytania, ponieważ w Internecie jest dużo informacji "rurkowych". Magazyn IEEE Spectrum miał kilka doskonałych artykułów na temat lamp elektronowych i ich zastosowań, które gorąco zachęciłbym do przeczytania zainteresowanych studentów.

Pytanie 4

Bardzo powszechnym typem wzmacniacza stosowanego w obwodach elektronicznych jest bufor napięciowy, zwany czasem popychaczem napięcia . Istnieją dwie proste formy tego obwodu, z których jeden wykorzystuje pojedynczy tranzystor, a drugi wykorzystuje układ scalony zwany wzmacniaczem operacyjnym :

Wzmocnienie napięciowe każdego z tych urządzeń jest jednością (A V = 1). Moje pytanie brzmi: jakie możliwe zastosowanie to wzmacniacz, który nawet nie wzmacnia napięcia sygnału wejściowego "# 4"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Podczas gdy "bufor napięciowy" nie wzmacnia poziomu napięcia sygnału, wzmacnia on aktualny poziom sygnału.

Uwagi:

Bufory napięciowe są niemal powszechne w nowoczesnych obwodach elektronicznych, więc nie można ich odrzucić jako bezużytecznych. Porozmawiaj ze swoimi uczniami o możliwych zastosowaniach buforów napięciowych. Kiedy chcielibyśmy wzmocnić prąd sygnału bez wzmacniania napięcia? Czy Twoi uczniowie sądzą, że w elektronicznym aparacie badawczym może występować jakakolwiek aplikacja do tego rodzaju obwodów (woltomierze, szczególnie?).

Pytanie 5

Ważnym parametrem operacyjnym wzmacniacza jest jego przepustowość . Opisz, co oznacza "szerokość pasma" w sensie ogólnym, i daj przykład aplikacji wzmacniacza, w której ważna jest przepustowość.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Pasmo" odnosi się do zakresu częstotliwości sygnałów, które wzmacniacz może obsłużyć w określonych granicach wzmocnienia, zniekształceń, wydajności itp.

Uwagi:

Gdy twoi uczniowie będą badać słowo "przepustowość", stwierdzą, że termin ten ma zastosowanie w wielu dziedzinach poza wzmacniaczami. Omów to pojęcie, zarówno w kontekście wzmacniaczy, jak i w kontekście innych aplikacji.

Pytanie 6

Większość prostych wzmacniaczy, które będziesz początkowo badać, zwykle traci moc, gdy częstotliwość wzmacnianego sygnału wzrasta. Ta utrata wzmocnienia jest czasami określana ilościowo w kategoriach przesunięcia, zwykle wyrażana w jednostkach decybeli na oktawę (dB / oktawa).

Czym dokładnie jest "rolloff"? Czym jest "oktawa" w kontekście jednostek miary używanych do określenia rolloffu? Gdybyśmy mieli wykreślić odpowiedź typowego wzmacniacza w postaci wykresu Bode, jaki typ charakterystyki filtra (pasma, pasma, itp.) Najlepiej by przypominał?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Większość odpowiedzi częstotliwościowych wzmacniaczy jest podobna do filtrów dolnoprzepustowych. "Rolloff" to termin używany do oznaczenia stromości wykresu Bode wzmacniacza, ponieważ tłumi on wzmocniony sygnał przy stale rosnących częstotliwościach.

"Oktawa" oznacza podwojenie częstotliwości sygnału. Ta jednostka ma zastosowanie również do wykresów Bode o skali logarytmicznej.

Uwagi:

Poproś jednego z uczniów, aby narysował obraz wykresu Bode dla (realistycznego) filtru dolnoprzepustowego: to jest nieidealna odpowiedź filtra dolnoprzepustowego. Przejrzyj ze swoimi uczniami, jak wygląda wykres w skali logarytmicznej, i poproś o odniesienie jednostek proporcji "decybeli" i "oktawy" do takiej skali.

Pytanie 7

Wzmacniacz tranzystorowy klasy A wykorzystuje pojedynczy tranzystor do generowania sygnału wyjściowego do obciążenia. Pokazany tutaj wzmacniacz jest z topologii "wspólnego kolektora", jednej z trzech konfiguracji wspólnych dla obwodów z pojedynczym tranzystorem:

Analogiem tego obwodu elektronicznego jest ta regulacja ciśnienia wody, składająca się ze zmiennego zaworu przepuszczającego wodę przez otwór (ograniczenie), a następnie do odpływu:

"Wejście" do tego wzmacniacza jest pozycjonowaniem uchwytu sterowania zaworem. "Moc wyjściowa" tego wzmacniacza to ciśnienie wody mierzone na końcu poziomej rury "wyjściowej".

Wyjaśnij, w jaki sposób jeden z tych "obwodów" spełnia kryteria bycia wzmacniaczem. Innymi słowy, wyjaśnij, jak moc jest zwiększana z wejścia na wyjście w obu tych systemach. Opisz również, jak efektywny jest każdy z tych wzmacniaczy, "efektywność" jest miarą ilości prądu (lub wody) docierającej do urządzenia ładującego, w porównaniu do tego, ile dokładnie przechodzi przez element sterujący iz powrotem do ziemi (dren ).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

W obu systemach niewielka ilość energii (prąd przez "bazowy" zacisk tranzystora, ruch mechaniczny klapy zaworu) wywiera kontrolę nad większą ilością energii (prąd do obciążenia, woda do obciążenia). Przedstawione tutaj układy są raczej nieekonomiczne, zwłaszcza przy wysokim napięciu wyjściowym (ciśnieniu).

Uwagi:

Mogą być marnotrawstwem, ale obwody tranzystorów "klasy A" znajdują bardzo powszechne zastosowanie w nowoczesnej elektronice. Wyjaśnij uczniom, że jego nieskuteczność ogranicza się do praktycznego zastosowania w aplikacjach o małej mocy.

Pytanie 8

Wzmacniacz tranzystorowy klasy B (czasami nazywany wzmacniaczem push-pull ) wykorzystuje parę tranzystorów do generowania sygnału wyjściowego do obciążenia. Pokazany tutaj obwód został uproszczony w celu zilustrowania podstawowej koncepcji:

Analogiem tego obwodu elektronicznego jest ta regulacja ciśnienia wody, składająca się z dwóch zmiennych zaworów. Jeden zawór łączy rurę wyjściową ze źródłem wody pod ciśnieniem, a drugi łączy rurę wyjściową ze źródłem próżni (ssanie):

"Wejście" do tego wzmacniacza jest pozycjonowaniem uchwytu sterowania zaworem. "Moc wyjściowa" tego wzmacniacza to ciśnienie wody mierzone na końcu poziomej rury "wyjściowej". Działanie zaworu jest zsynchronizowane tak, że tylko jeden zawór jest otwarty w danym momencie, tak jak nie więcej niż jeden tranzystor będzie "włączony" w danym momencie w obwodzie elektronicznym klasy B.

Wyjaśnij, w jaki sposób jeden z tych "obwodów" spełnia kryteria bycia wzmacniaczem. Innymi słowy, wyjaśnij, jak moc jest zwiększana z wejścia na wyjście w obu tych systemach. Opisz także, jak efektywny jest każdy z tych wzmacniaczy, "efektywność" jest miarą ilości prądu (lub wody) docierającej do urządzenia ładującego, w porównaniu do tego, ile dokładnie idzie prosto z jednej dostawy "szyny" do drugiej (z ciśnienie do próżni).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

W obu systemach niewielka ilość energii (prąd przez "bazowy" zacisk tranzystora, ruch mechaniczny klapy zaworu) wywiera kontrolę nad większą ilością energii (prąd do obciążenia, woda do obciążenia). Oba systemy są bardzo energooszczędne, z niewielkim przepływem marnowanym przez przepuszczanie od zasilania do próżni (od + V do -V) i omijanie obciążenia.

Uwagi:

Wzmacniacze push-pull są nieco trudniejsze do zrozumienia niż proste klasy A (single-ended), więc nie zapomnij wziąć czasu, aby omówić tę koncepcję ze swoimi uczniami. Poproś ich, aby prześledzili prąd przez rezystor obciążenia dla różnych warunków napięcia wejściowego. Twoi uczniowie nie muszą znać żadnych szczegółów działania tranzystora, z wyjątkiem tego, że dodatnie napięcie wejściowe włącza górny tranzystor, a ujemne napięcie wejściowe włącza dolny tranzystor.

Pytanie 9

Wzmacniacz ma wzmocnienie napięciowe 5 i wzmocnienie prądowe 75, przy czym obie liczby są stosunkami. Oblicz następujące zyski:

Zysk mocy (jako stosunek)
Zysk mocy (dB)
Zysk napięcia (dB)
Pobór prądu (dB)
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zysk mocy (jako stosunek) = 375
Zysk mocy (dB) = 25, 74 dB
Zysk napięcia (dB) = 13, 98 dB
Pobór prądu (dB) = 37, 50 dB

Uwagi:

Niektórzy z twoich uczniów zapewne poprawią obliczenia mocy, ale zostaną pomniejszony o czynnik 2 przy obliczeniach wzmocnienia i prądu (dB). Przypomnij im, że do obliczenia przyrostu napięcia i prądu w dB używa się innego równania niż w obliczeniach mocy.

Pytanie 10

Jakie jest całkowite wzmocnienie napięciowe dwóch kaskadowych wzmacniaczy (wyjście pierwszego wzmacniacza wchodzącego do wejścia drugiego), każde z indywidualnym wzmocnieniem napięcia 3 dB "# 10"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

A V (końcowy) = 6 dB lub stosunek 2, 825: 1

Uwagi:

Poproś uczniów, aby przeliczali wartość 3 dB (wzmocnienie napięcia) na współczynnik. Jak ten stosunek jest porównywalny z ogólnym współczynnikiem dla dwóch kaskadowych wzmacniaczy? Co oznaczają dane na temat przyrostów kaskadowych w ogóle, wyrażonych w postaci decybeli, jak również w formie współczynnika? Zapytaj uczniów, czy uważają, że matematycznie łatwiej jest obliczyć kaskadowe zyski w formie współczynnika lub decybelu i dlaczego.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →