Teoria amplificatoarelor elementare

Amplificatoare audio - sursa de alimentare partea 2 (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Teoria amplificatoarelor elementare

Dispozitive și circuite semiconductoare discrete


Intrebarea 1

În mod fundamental, un amplificator este un dispozitiv care captează un semnal de putere redusă și emite o facsimilă amplificată (alimentată cu energie) a semnalului de intrare. Explicați cum este posibil ca un astfel de dispozitiv să existe. Legea privind conservarea energiei ("Energia nu poate fi nici creată, nici distrusă") exclude existența unui dispozitiv de amplificare a puterii "# 1"> Dezvăluiți răspunsul Ascundeți răspunsul

Nu există încălcări ale legilor fizice cu un amplificator, deoarece puterea adăugată provine de la o sursă externă: o sursă de alimentare.

Următoarele întrebări: este un transformator de step-up un amplificator? De ce sau de ce nu?

Note:

Amplificatoarele pe care elevii dvs. le vor studia sunt dispozitive electronice, dar există și alte tipuri de amplificatoare. Discutați cu ei câteva exemple de amplificatoare comune, non-electronice.

intrebarea 2

Un parametru important al fiecărui amplificator este câștigul . Explicați ce este "câștigul" și scrieți o ecuație simplă care definește câștigul în ceea ce privește tensiunea semnalului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

"Câștig" este gradul de "mărire" pe care un amplificator îl furnizează semnalul de intrare. Câștigul de tensiune poate fi definit în două moduri diferite:

A V (dc) = V out


V in

A V (ac) = ΔV out


ΔV in

Note:

Pe măsură ce elevii ar trebui să poată să discearnă prin context, simbolul folosit pentru a reprezenta câștigul în ecuații este litera ". Un potențial punct de confuzie este diferența dintre cele două ecuații de câștiguri prezentate în răspuns. De ce am avea două ecuații diferite care spun aproape același lucru? Dacă această problemă apare în discuție, puteți da studenților dvs. exemplul unui amplificator cu o polarizare DC, unde V out = (4) (V in ) + 3 volți. Aici, câștigul (AC) este întotdeauna 4, dar amplificarea DC variază în funcție de tensiunea pe care o aplicăm la intrare!

Pe baza acestui exemplu, care câștigă calculul, elevii dvs. consideră că este mai practic?

Întrebarea 3

În centrul fiecărui amplificator este un dispozitiv care utilizează un semnal pentru a controla altul. În domeniul electronicii, aceasta înseamnă un dispozitiv care utilizează un semnal de tensiune sau curent mic pentru a controla o tensiune sau curent mai mare.

Primele circuite electronice de amplificare au fost construite cu dispozitive numite tuburi electronice în loc de tranzistori . Tuburile încă găsesc aplicații specializate în domeniul electronicii, dar au fost în mare parte înlocuite cu tranzistori. De ce asta? Ce avantaje au tranzistorii peste tuburi ca dispozitive de amplificare?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Tranzistorii sunt de obicei mult mai rezistenți fizic decât tuburile electronice, capabile să reziste la niveluri mai mari de vibrații și stres. Acestea sunt, de asemenea, mai mici și mai eficiente din punct de vedere energetic în majoritatea aplicațiilor.

Note:

Tuburile electronice au fost folosite ca "muncitori" ai lumii electronice, acționând ca dispozitive de control și amplificare a puterii pentru o gamă largă de aplicații. Ar trebui să fie interesant să ascultați feedback-ul elevilor dvs. cu privire la această întrebare, deoarece există o mulțime de informații "tubulare" pe internet. Revista IEEE Spectrum a avut câteva articole excelente despre tuburile electronice și aplicațiile lor, pe care le-aș încuraja pe studenții interesați să le citească.

Întrebarea 4

Un tip foarte comun de amplificator utilizat în circuitele electronice este tamponul de tensiune, numit uneori un follower de tensiune . Există două forme simple ale acestui circuit, unul folosind un tranzistor unic și celălalt utilizând un circuit integrat numit amplificator operațional :

Câștigul de tensiune al fiecăruia dintre aceste dispozitive este unitatea (A V = 1). Întrebarea mea pentru tine este următoarea: ce utilizare posibilă este un amplificator care nu amplifică nici măcar tensiunea semnalului său de intrare "# 4"> Răspuns dezvălui Hide answer

În timp ce un "tampon de tensiune" nu amplifică nivelul de tensiune al unui semnal, acesta amplifică nivelul curent al unui semnal.

Note:

Tensiunile de tensiune sunt aproape omniprezente în circuitele electronice moderne, deci nu pot fi respinse ca inutile. Discutați cu elevii dvs. câteva posibile aplicații ale tampoanelor de tensiune. Când vrem să amplificăm curentul unui semnal fără amplificarea tensiunii? Elevii dvs. cred că ar putea exista orice aplicație pentru acest tip de circuit în echipamente electronice de testare (voltmetre, în special?).

Întrebarea 5

Un parametru operațional important al unui amplificator este lățimea de bandă . Descrieți ce înseamnă "lățimea de bandă" în sens general și dați un exemplu de aplicație a amplificatorului în cazul în care lățimea de bandă este importantă.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

"Bandwidth" se referă la gama de frecvențe de semnal pe care un amplificator le poate gestiona în limitele specificate de câștig, distorsiune, eficiență etc.

Note:

Pe măsură ce elevii dvs. studiază cuvântul "lățime de bandă", ei vor găsi că acest termen are aplicabilitate în multe alte domenii decât amplificatoarele. Discutați acest termen, atât în ​​contextul amplificatoarelor, cât și în contextul altor aplicații.

Întrebarea 6

Majoritatea amplificatoarelor simple pe care le veți studia inițial tind să piardă câștigul pe măsură ce crește frecvența semnalului amplificat. Această pierdere de câștig este uneori cuantificată în termeni de rolloff, exprimată de obicei în unități de decibeli pe octavă (dB / octava).

Ce este, de fapt, "rolloff"? Ce este o "octavă", în contextul unităților de măsură folosite pentru a specifica rolloff? Dacă ar fi să complotăm răspunsul unui amplificator tipic sub forma unui grafic Bode, ce tip de caracteristică a circuitului filtru (bandă-trecere, bandă-oprire etc.) se va asemăna cel mai bine?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Majoritatea răspunsurilor de frecvență ale amplificatoarelor seamănă cu cele ale filtrelor low-pass. "Rolloff" este termenul folosit pentru a desemna abrupta complotului Bode al amplificatorului deoarece atenuează semnalul amplificat la frecvențe în continuă creștere.

O "octavă" înseamnă o dublare a frecvenței semnalului. Această unitate se aplică bine la parcelele Bode logaritmice.

Note:

Lăsați unul dintre elevii dvs. să deseneze o imagine a unui complot Bode pentru un filtru (realist) cu trecere scăzută: adică un răspuns filtru non-ideal. Examinați-vă cu studenții dvs. ce arăta o parcelă logaritmică și cereți-i să relateze unitățile de raport ale "decibelului" și "octavei" la o asemenea scală.

Întrebarea 7

Un amplificator tranzistor de clasă A utilizează un singur tranzistor pentru a genera un semnal de ieșire la o sarcină. Amplificatorul prezentat aici se întâmplă să fie din topologia "colectorului comun", una din cele trei configurații comune circuitelor cu un singur tranzistor:

Un analog pentru acest circuit electronic este acest control al presiunii apei, constând dintr-o supapă variabilă care trece apă printr-un orificiu (o restricție), apoi pe o scurgere:

"Intrarea" acestui amplificator este poziționarea mânerului de comandă a supapei. "Ieșirea" acestui amplificator este presiunea apei măsurată la capătul țevii "ieșire" orizontală.

Explicați modul în care oricare dintre aceste "circuite" îndeplinește criteriile de a fi un amplificator. Cu alte cuvinte, explicați modul în care puterea este amplificată de la intrare la ieșire în ambele sisteme. De asemenea, descrieți cât de eficient este fiecare dintre aceste amplificatoare, "eficiența" fiind o măsură a cantității de curent (sau a apei) care se deplasează la dispozitivul de încărcare, în comparație cu cantitatea exactă care trece direct prin elementul de comandă și înapoi la sol ).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

În ambele sisteme, o cantitate mică de energie (curentul prin terminalul "de bază" al tranzistorului, mișcarea mecanică a mânerului supapei) exercită controlul asupra unei cantități mai mari de energie (curent la sarcină, apă la sarcină). Sistemele prezentate aici sunt destul de risipitoare, în special la tensiunea de ieșire ridicată (presiune).

Note:

Este greu să fie, dar circuitele tranzistorului "Class-A" găsesc o utilizare foarte frecventă în electronica modernă. Explicați studenților că ineficiența lor limitează utilizarea sa practică la aplicațiile cu putere redusă.

Întrebarea 8

Un amplificator tranzistor de clasă B (denumit uneori un amplificator push-pull ) utilizează o pereche de tranzistoare pentru a genera un semnal de ieșire la o sarcină. Circuitul prezentat aici a fost simplificat pentru a ilustra conceptul de bază:

Un analog pentru acest circuit electronic este acest control al presiunii apei, compus din două supape variabile. O supapă conectează conducta de ieșire la o sursă de apă sub presiune, iar cealaltă conectează conducta de ieșire la o sursă de vid (aspirație):

"Intrarea" acestui amplificator este poziționarea mânerului de comandă a supapei. "Ieșirea" acestui amplificator este presiunea apei măsurată la capătul țevii "ieșire" orizontală. Acționarea valvelor este sincronizată astfel încât numai o singură supapă este deschisă la un moment dat, la fel cum nu mai este decât un tranzistor la fiecare moment în circuitul electronic de clasă B.

Explicați modul în care oricare dintre aceste "circuite" îndeplinește criteriile de a fi un amplificator. Cu alte cuvinte, explicați modul în care puterea este amplificată de la intrare la ieșire în ambele sisteme. De asemenea, descrieți cât de eficientă este fiecare dintre aceste amplificatoare, "eficiența" fiind o măsură a cantității de curent (sau a apei) care se deplasează la dispozitivul de încărcare, în comparație cu cantitatea exactă care merge direct de la o "șină" la alta presiune la vid).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

În ambele sisteme, o cantitate mică de energie (curentul prin terminalul "de bază" al tranzistorului, mișcarea mecanică a mânerului supapei) exercită controlul asupra unei cantități mai mari de energie (curent la sarcină, apă la sarcină). Ambele sisteme sunt foarte eficiente din punct de vedere energetic, cu un debit redus care curge de la alimentare la vid (de la + V la -V) și de ocolire a sarcinii.

Note:

Amplificatoarele push-pull sunt un pic mai greu de înțeles decât clasa simplă A (cu un singur capăt), deci asigurați-vă că aveți timp necesar pentru a discuta acest concept cu studenții. Cereți-le să urmărească curentul prin rezistența de sarcină pentru diferite condiții de tensiune de intrare. Elevii noștri nu trebuie să cunoască detalii despre funcționarea tranzistorului, cu excepția faptului că o tensiune de intrare pozitivă se transformă pe tranzistorul superior și o tensiune negativă de intrare se întoarce pe tranzistorul inferior.

Întrebarea 9

Un amplificator are un câștig de tensiune de 5 și un câștig curent de 75, ambele cifre fiind rapoarte. Calculați următoarele câștiguri:

Câștigul de putere (ca raport)
Câștigul de putere (dB)
Cresterea tensiunii (dB)
Câștigul curent (dB)
Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Câștigul de putere (ca raport) = 375
Câștigul de putere (dB) = 25, 74 dB
Câștigul de tensiune (dB) = 13, 98 dB
Câștigul curent (dB) = 37, 50 dB

Note:

Unii dintre elevii dvs. vor obține, probabil, calculele de putere corecte, dar vor fi oprite cu un factor de două pentru calculele de tensiune și curent (dB). Amintiți-le că o altă ecuație este folosită pentru a calcula câștigul de tensiune și curent în dB decât cel utilizat în calculele de putere.

Întrebarea 10

Care este câștigul general de tensiune al două amplificatoare cascadate (ieșirea primului amplificator care intră în intrarea celui de-al doilea), fiecare cu un câștig individual de tensiune de 3 dB "# 10"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

A V (final) = 6 dB sau un raport de 2, 825: 1

Note:

Cereți elevilor să convertească cifra de 3 dB (câștig de tensiune) într-un raport. Cum se compară acest raport cu raportul global pentru cei doi amplificatoare cascadate? Ce indică cifrele despre câștigurile în cascadă în general, exprimate în formă de decibeli, precum și forma raportului? Întrebați elevii dvs. dacă consideră că este mai ușor din punct de vedere matematic să se calculeze câștigurile în cascadă în formă de raport sau decibel și de ce.

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →