เครื่องขยายเสียงอิเล็กทรอนิกส์ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

อุปกรณ์เหล่านี้ออกแบบมาเพื่อขยายแรงดัน กระแส และกำลังของสัญญาณไฟฟ้า

เครื่องขยายเสียงที่ง่ายที่สุดคือวงจรทรานซิสเตอร์ การใช้แอมพลิฟายเออร์นั้นเกิดจากความจริงที่ว่าสัญญาณไฟฟ้า (แรงดันและกระแส) ที่เข้าสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นมีแอมพลิจูดน้อยและจำเป็นต้องเพิ่มเป็นค่าที่จำเป็นเพียงพอสำหรับการใช้งานต่อไป (การแปลง, การส่ง, แหล่งจ่ายไฟไปยังโหลด ).

รูปที่ 1 แสดงอุปกรณ์ที่จำเป็นในการใช้งานเครื่องขยายเสียง

รูปที่ 1 — สภาพแวดล้อมของเครื่องขยายเสียง

กำลังไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาเมื่อแอมพลิฟายเออร์ถูกโหลดคือกำลังไฟฟ้าที่แปลงแล้วของแหล่งจ่ายไฟ และสัญญาณอินพุตจะขับเคลื่อนเท่านั้น แอมพลิฟายเออร์ใช้พลังงานจากแหล่งกระแสตรง

โดยปกติแล้ว แอมพลิฟายเออร์ประกอบด้วยขั้นตอนการขยายเสียงหลายช่วง (รูปที่ 2) ขั้นตอนแรกของการขยาย ซึ่งออกแบบมาเพื่อขยายแรงดันสัญญาณเป็นหลัก เรียกว่า พรีแอมพลิฟายเออร์ วงจรของพวกเขาถูกกำหนดโดยประเภทของแหล่งสัญญาณอินพุต

สเตจที่ทำหน้าที่ขยายกำลังของสัญญาณเรียกว่า เทอร์มินอล หรือเอาท์พุตรูปแบบของพวกเขาถูกกำหนดโดยประเภทของการโหลด นอกจากนี้ แอมพลิฟายเออร์อาจรวมถึงระยะกลางที่ออกแบบมาเพื่อรับการขยายที่จำเป็นและ (หรือ) เพื่อสร้างลักษณะที่จำเป็นของสัญญาณขยาย

รูปที่ 2 — โครงสร้างเครื่องขยายเสียง

การจำแนกประเภทเครื่องขยายเสียง:

1) ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ขยาย, แรงดัน, กระแส, เพาเวอร์แอมป์

2) โดยธรรมชาติของสัญญาณขยาย:

• เครื่องขยายสัญญาณฮาร์มอนิก (ต่อเนื่อง);

• เครื่องขยายสัญญาณพัลส์ (เครื่องขยายสัญญาณดิจิตอล)

3) ในช่วงความถี่ขยาย:

• เครื่องขยายสัญญาณ DC;

• เครื่องขยายเสียง AC

• ความถี่ต่ำ, สูง, สูงพิเศษ เป็นต้น

4) โดยธรรมชาติของการตอบสนองความถี่:

• จังหวะ (ขยายสัญญาณในย่านความถี่แคบ);

• แบนด์พาส (ขยายย่านความถี่เฉพาะ);

• แถบความถี่กว้าง (ขยายช่วงความถี่ทั้งหมด)

5) ตามประเภทขององค์ประกอบเสริมแรง:

• ของหลอดไฟฟ้าสุญญากาศ

• บนอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

• บนวงจรรวม

เมื่อเลือกเครื่องขยายเสียง ให้ออกจากพารามิเตอร์เครื่องขยายเสียง:

• กำลังขับวัดเป็นวัตต์ กำลังขับแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของแอมพลิฟายเออร์ ตัวอย่างเช่น ในแอมพลิฟายเออร์เสียง ตั้งแต่มิลลิวัตต์ในหูฟังไปจนถึงหลายสิบและหลายร้อยวัตต์ในระบบเสียง

• ช่วงความถี่ วัดเป็นเฮิรตซ์ ตัวอย่างเช่น เครื่องขยายเสียงเดียวกันควรให้อัตราขยายในช่วงความถี่ 20–20,000 Hz และเครื่องขยายสัญญาณโทรทัศน์ (ภาพ + เสียง) — 20 Hz — 10 MHz และสูงกว่า

• การบิดเบือนแบบไม่เชิงเส้น วัดเป็นเปอร์เซ็นต์% เป็นลักษณะการบิดเบือนรูปร่างของสัญญาณขยาย โดยทั่วไป ค่าพารามิเตอร์ยิ่งต่ำยิ่งดี

• ประสิทธิภาพ (อัตราส่วนประสิทธิภาพ) วัดเป็นเปอร์เซ็นต์%แสดงปริมาณพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟที่ใช้เพื่อกระจายพลังงานไปยังโหลด ความจริงก็คือพลังงานส่วนหนึ่งของแหล่งกำเนิดสูญเสียไป การสูญเสียความร้อนในระดับที่มากขึ้น - การไหลของกระแสมักทำให้เกิดความร้อนของวัสดุ พารามิเตอร์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานเอง (จากตัวสะสมและแบตเตอรี่)

รูปที่ 3 แสดงวงจรปรีแอมป์ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ทั่วไป สัญญาณอินพุตมาจากแหล่งจ่ายแรงดัน Uin ตัวเก็บประจุแบบปิดกั้น Cp1 และ Cp2 ผ่านตัวแปรเช่น ขยายสัญญาณและไม่ผ่านกระแสตรง ซึ่งทำให้สามารถสร้างโหมดการทำงานอิสระสำหรับกระแสตรงในสเตจของแอมพลิฟายเออร์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมได้

รูปที่ 3 — ไดอะแกรมของแอมพลิฟายเออร์ของทรานซิสเตอร์สองขั้ว

ตัวต้านทาน Rb1 และ Rb2 เป็นตัวแบ่งหลักที่ให้กระแสเริ่มต้นที่ฐานของทรานซิสเตอร์ Ib0 ตัวต้านทาน Rk ให้กระแสเริ่มต้นแก่ตัวสะสม Ik0 กระแสเหล่านี้เรียกว่ากระแสลามินาร์ ในกรณีที่ไม่มีสัญญาณอินพุต สัญญาณเหล่านั้นจะคงที่ รูปที่ 4 แสดงแผนภาพเวลาของเครื่องขยายเสียง แผนภาพเวลาคือการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์เมื่อเวลาผ่านไป

ตัวต้านทาน Re ให้การป้อนกลับกระแสลบ (NF) การป้อนกลับ (OC) คือการถ่ายโอนส่วนหนึ่งของสัญญาณเอาต์พุตไปยังวงจรอินพุตของเครื่องขยายเสียง หากสัญญาณเข้าและสัญญาณป้อนกลับอยู่ตรงข้ามกันในเฟส แสดงว่าป้อนกลับเป็นลบ OOS ลดอัตราขยาย แต่ในขณะเดียวกันก็ลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกและเพิ่มความเสถียรของเครื่องขยายเสียง ใช้ในเครื่องขยายเสียงเกือบทั้งหมด

ตัวต้านทาน Rf และตัวเก็บประจุ Cf เป็นองค์ประกอบตัวกรองตัวเก็บประจุ Cf สร้างวงจรความต้านทานต่ำสำหรับส่วนประกอบตัวแปรของกระแสที่แอมพลิฟายเออร์ใช้จากแหล่งที่มาขึ้น จำเป็นต้องมีองค์ประกอบการกรองหากมีการป้อนแหล่งที่มาของเครื่องขยายเสียงหลายตัวจากแหล่งที่มา

เมื่อใช้สัญญาณอินพุต Uin Ib ~ ปัจจุบันจะปรากฏในวงจรอินพุตและในเอาต์พุต Ik ~ แรงดันตกที่สร้างโดย Ik ~ ปัจจุบันผ่านโหลด Rn จะเป็นสัญญาณเอาต์พุตที่ขยาย

จากไดอะแกรมชั่วคราวของแรงดันและกระแส (รูปที่ 3) จะเห็นได้ว่าส่วนประกอบตัวแปรของแรงดันที่อินพุต Ub ~ และเอาต์พุต Uc ~ = Uout ของน้ำตกคือแอนติเฟส เช่น อัตราขยายของทรานซิสเตอร์ OE เปลี่ยน (กลับด้าน) เฟสของสัญญาณอินพุตในทิศทางตรงกันข้าม

รูปที่ 4 — ไทม์ไดอะแกรมของกระแสและแรงดันในสเตจแอมพลิฟายเออร์ของทรานซิสเตอร์สองขั้ว

แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงาน (OU) คือแอมพลิฟายเออร์ DC/AC ที่มีเกนสูงและเสียงตอบรับเชิงลบที่ลึกล้ำ

ช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากได้ แต่เดิมเรียกว่าเครื่องขยายเสียง

เราสามารถพูดได้ว่าแอมพลิฟายเออร์สำหรับการทำงานเป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อะนาล็อกทั้งหมด การใช้แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานอย่างกว้างขวางนั้นสัมพันธ์กับความยืดหยุ่น (ความสามารถในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ บนพื้นฐานของมันทั้งแบบแอนะล็อกและพัลซิ่ง) ช่วงความถี่กว้าง (การขยายสัญญาณ DC และ AC) ความเป็นอิสระของพารามิเตอร์หลักจากการทำให้เสถียรจากภายนอก ปัจจัยต่างๆ (การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้า ฯลฯ) แอมพลิฟายเออร์รวม (IOU) ส่วนใหญ่จะใช้

การปรากฏตัวของคำว่า "ปฏิบัติการ" ในชื่อนั้นอธิบายได้จากความเป็นไปได้ที่แอมพลิฟายเออร์เหล่านี้สามารถดำเนินการทางคณิตศาสตร์ได้หลายอย่าง - การบวก การลบ การแยกความแตกต่าง การรวม ฯลฯ

รูปที่ 5 แสดง UGO IEEแอมพลิฟายเออร์มีสองอินพุต - ไปข้างหน้าและย้อนกลับและหนึ่งเอาต์พุต เมื่อสัญญาณอินพุตถูกนำไปใช้กับอินพุตที่ไม่กลับด้าน (โดยตรง) สัญญาณเอาต์พุตจะมีขั้วเดียวกัน (เฟส) — รูปที่ 5, a.

รูปที่ 5 — การกำหนดกราฟิกแบบดั้งเดิมของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน

เมื่อใช้อินพุทกลับด้าน เฟสของสัญญาณเอาท์พุตจะเลื่อนไป 180° เมื่อเทียบกับเฟสของสัญญาณอินพุต (กลับขั้ว) — รูปที่ 6, ข. อินพุตและเอาต์พุตย้อนกลับจะถูกวนเป็นวงกลม

รูปที่ 6 — ไดอะแกรมเวลาของ op-amp: a) — ไม่กลับด้าน, b) — กลับด้าน

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้ากับวอลล์เปเปอร์ แรงดันไฟขาออกจะเป็นสัดส่วนกับความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟเข้า เหล่านี้. สัญญาณอินพุทกลับด้านได้รับการยอมรับด้วยเครื่องหมาย «-« Uout = K (Uneinv — Uinv) โดยที่ K คือกำไร

รูปที่ 7 — ลักษณะแอมพลิจูดของออปแอมป์

ออปแอมป์ใช้พลังงานจากแหล่งพลังงานสองขั้ว โดยปกติจะเป็น +15V และ -15V อนุญาตให้ใช้แหล่งจ่ายไฟแบบยูนิโพลาร์ได้เช่นกัน ข้อสรุปส่วนที่เหลือของ IOU จะระบุไว้ตามที่ใช้

การทำงานของ op-amp นั้นอธิบายได้จากลักษณะแอมพลิจูด - รูปที่ 8 ในส่วนของลักษณะนั้นสามารถแยกแยะส่วนเชิงเส้นได้ซึ่งแรงดันเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับการเพิ่มขึ้นของแรงดันอินพุตและความอิ่มตัวสองส่วน U + นั่งและ U- นั่ง ที่ค่าหนึ่งของแรงดันอินพุต Uin.max แอมพลิฟายเออร์จะเข้าสู่โหมดความอิ่มตัว ซึ่งแรงดันเอาต์พุตถือว่าค่าสูงสุด (ที่ค่าสูงสุด = 15 V, ประมาณ Uns = 13 V) และยังคงไม่เปลี่ยนแปลงด้วยค่าเพิ่มเติม เพิ่มขึ้นในสัญญาณเข้า โหมดความอิ่มตัวใช้ในอุปกรณ์พัลส์ที่ใช้แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน

เพาเวอร์แอมป์ใช้ในขั้นตอนสุดท้ายของการขยายเสียงและได้รับการออกแบบมาเพื่อสร้างกำลังที่ต้องการในโหลด

คุณสมบัติหลักคือการทำงานที่ระดับสัญญาณอินพุตสูงและกระแสเอาต์พุตสูง ซึ่งจำเป็นต้องใช้แอมพลิฟายเออร์ที่ทรงพลัง

แอมพลิฟายเออร์สามารถทำงานในโหมด A, AB, B, C และ D

ในโหมด A กระแสเอาต์พุตของอุปกรณ์ขยายสัญญาณ (ทรานซิสเตอร์หรือหลอดอิเล็กทรอนิกส์) จะเปิดอยู่ตลอดระยะเวลาของสัญญาณขยาย (เช่น ต่อเนื่อง) และกระแสเอาต์พุตจะไหลผ่าน เพาเวอร์แอมป์คลาส A ทำให้เกิดความผิดเพี้ยนน้อยที่สุดในสัญญาณที่ขยาย แต่มีประสิทธิภาพต่ำมาก

ในโหมด B กระแสไฟขาออกจะแบ่งออกเป็นสองส่วน แอมพลิฟายเออร์หนึ่งขยายครึ่งคลื่นบวกของสัญญาณ ส่วนที่สองเป็นลบ เป็นผลให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าในโหมด A แต่ยังมีความผิดเพี้ยนที่ไม่ใช่เชิงเส้นขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นในขณะที่เปลี่ยนทรานซิสเตอร์

โหมด AB ทำซ้ำโหมด B แต่ในช่วงเวลาของการเปลี่ยนจากครึ่งคลื่นหนึ่งไปยังอีกครึ่งคลื่น ทรานซิสเตอร์ทั้งสองเปิดอยู่ ซึ่งทำให้สามารถลดความผิดเพี้ยนในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพสูงไว้ได้ โหมด AB เป็นโหมดทั่วไปสำหรับแอมพลิฟายเออร์อนาล็อก

โหมด C ใช้ในกรณีที่ไม่มีการผิดเพี้ยนของรูปคลื่นระหว่างการขยาย เนื่องจากกระแสเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ไหลน้อยกว่าครึ่งช่วง ซึ่งแน่นอนว่านำไปสู่การบิดเบือนอย่างมาก

โหมด D ใช้การแปลงสัญญาณอินพุตเป็นพัลส์ ขยายสัญญาณพัลส์เหล่านั้น แล้วแปลงกลับในกรณีนี้ ทรานซิสเตอร์เอาท์พุตทำงานในโหมดคีย์ (ทรานซิสเตอร์ปิดสนิทหรือเปิดจนสุด) ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์ใกล้ถึง 100% (ในโหมด AV ประสิทธิภาพไม่เกิน 50%) แอมพลิฟายเออร์ที่ทำงานในโหมด D เรียกว่า แอมพลิฟายเออร์ดิจิตอล

ในวงจรพุช-พูล การขยายสัญญาณ (โหมด B และ AB) เกิดขึ้นในสองรอบสัญญาณนาฬิกา ในช่วงครึ่งรอบแรก สัญญาณอินพุตจะถูกขยายโดยทรานซิสเตอร์หนึ่งตัว และอีกตัวจะปิดระหว่างครึ่งรอบนี้หรือบางส่วน ในครึ่งรอบที่สอง สัญญาณจะถูกขยายโดยทรานซิสเตอร์ตัวที่สองในขณะที่ตัวแรกปิดอยู่

วงจรเลื่อนของแอมพลิฟายเออร์ทรานซิสเตอร์แสดงในรูปที่ 8 ทรานซิสเตอร์สเตจ VT3 ให้แรงดันเอาต์พุตทรานซิสเตอร์ VT1 และ VT2 ตัวต้านทาน R1 และ R2 ตั้งค่าโหมดการทำงานคงที่ของทรานซิสเตอร์

ด้วยการมาถึงของ Uin ครึ่งคลื่นเชิงลบกระแสสะสม VT3 จะเพิ่มขึ้นซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าที่ฐานของทรานซิสเตอร์ VT1 และ VT2 ในกรณีนี้ VT2 จะปิดและผ่าน VT1 กระแสสะสมจะผ่านวงจร: + ขึ้น, การเปลี่ยน K-E VT1, C2 (ระหว่างการชาร์จ), Rn, เคส

เมื่อมาถึงครึ่งคลื่นบวก Uin VT3 จะปิดลงซึ่งนำไปสู่การลดลงของแรงดันไฟฟ้าที่ฐานของทรานซิสเตอร์ VT1 และ VT2 — VT1 ปิดลงและผ่าน VT2 กระแสสะสมจะไหลผ่านวงจร: + C2, การเปลี่ยนแปลง EK VT2 , กรณี, Rn, -C2 . ต

สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่ากระแสของแรงดันไฟฟ้าขาเข้าทั้งสองครึ่งคลื่นไหลผ่านโหลด

รูปที่ 8 — แผนผังของเพาเวอร์แอมป์

ในโหมด D แอมพลิฟายเออร์ทำงานร่วมกับ การปรับความกว้างพัลส์ (PWM)… สัญญาณอินพุตจะมอดูเลต พัลส์สี่เหลี่ยมโดยเปลี่ยนระยะเวลาในกรณีนี้ สัญญาณจะถูกแปลงเป็นพัลส์สี่เหลี่ยมที่มีแอมพลิจูดเท่ากัน ระยะเวลาที่เป็นสัดส่วนกับค่าของสัญญาณ ณ ช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง

รถไฟพัลส์ถูกป้อนไปยังทรานซิสเตอร์เพื่อขยายสัญญาณ เนื่องจากสัญญาณที่ขยายเป็นแบบพัลส์ ทรานซิสเตอร์จึงทำงานในโหมดคีย์ การทำงานในโหมดคีย์เกี่ยวข้องกับการสูญเสียน้อยที่สุดเนื่องจากทรานซิสเตอร์ปิดหรือเปิดเต็มที่ (มีความต้านทานน้อยที่สุด) หลังจากขยายสัญญาณ ส่วนประกอบความถี่ต่ำ (สัญญาณดั้งเดิมที่ขยายแล้ว) จะถูกแยกออกจากสัญญาณโดยใช้ตัวกรองความถี่ต่ำ ( LPF) และป้อนให้กับโหลด

รูปที่ 9 — แผนภาพบล็อกของเครื่องขยายเสียงคลาส D

แอมพลิฟายเออร์คลาส D ใช้ในระบบเสียงของแล็ปท็อป การสื่อสารเคลื่อนที่ อุปกรณ์ควบคุมมอเตอร์ และอื่นๆ

แอมพลิฟายเออร์สมัยใหม่นั้นโดดเด่นด้วยการใช้วงจรรวมอย่างแพร่หลาย