Введение

Усилитель, электронный усилитель или (неформально) усилитель – это электронное устройство, способное увеличивать амплитуду сигнала (изменяющегося во времени напряжения или тока). Это двухпо́ртная электронная схема, использующая электрическую энергию от источника питания для увеличения амплитуды (величины напряжения или тока) сигнала, подаваемого на входные клеммы, и формирующая на выходе сигнал с пропорционально большей амплитудой. Степень усиления, обеспечиваемая усилителем, измеряется его коэффициентом усиления – отношением выходного напряжения, тока или мощности к входному. Усилитель определяется как схема, имеющая коэффициент усиления мощности больше единицы. Усилитель может быть как отдельным устройством, так и электрической схемой, встроенной в другое устройство. Усиление является фундаментальным для современной электроники, и усилители широко используются практически во всем электронном оборудовании. Усилители можно классифицировать различными способами. Один из способов – по частоте усиливаемого электронного сигнала. Например, аудиоусилители усиливают сигналы в звуковом диапазоне частот менее 20 кГц, радиочастотные усилители усиливают частоты в радиочастотном диапазоне от 20 кГц до 300 ГГц, а сервоусилители и измерительные усилители могут работать с очень низкими частотами вплоть до постоянного тока. Усилители также можно классифицировать по их физическому расположению в цепи обработки сигнала: предварительный усилитель может предшествовать другим этапам обработки сигнала, например, а усилитель мощности обычно используется после других каскадов усиления для обеспечения достаточной выходной мощности для конечного применения сигнала. Первым практическим электрическим устройством, способным усиливать, была триодная вакуумная лампа, изобретенная Ли Де Форестом в 1906 году, что привело к созданию первых усилителей примерно в 1912 году. Сегодня в большинстве усилителей используются транзисторы.

Вакуумные трубки

Первым практическим устройством, способным усиливать сигнал, была вакуумная лампа с триодом, изобретенная Ли Де Форестом в 1906 году, что привело к созданию первых усилителей примерно в 1912 году. Вакуумные лампы использовались почти во всех усилителях до 1960-х – 1970-х годов, когда их заменили транзисторы. Сегодня большинство усилителей используют транзисторы, но вакуумные лампы по-прежнему применяются в некоторых областях. Развитие технологии звуковой связи в виде телефона, впервые запатентованного в 1876 году, создало потребность в увеличении амплитуды электрических сигналов для расширения дальности их передачи. В телеграфии эта проблема была решена с помощью промежуточных устройств на станциях, которые компенсировали потери энергии, последовательно управляя записывающим и передающим устройствами, формируя реле, так что локальный источник энергии на каждой промежуточной станции обеспечивал питание следующего участка линии. Для симплексной передачи, то есть передачи и приема в обоих направлениях, начиная с работ К. Ф. Варли для телеграфной связи, были разработаны двунаправленные релейные повторители. Симплексная передача была необходима для телефонии, и проблема не была удовлетворительно решена до 1904 года, когда Х. Э. Шрив из American Telephone and Telegraph Company усовершенствовал существующие попытки создания телефонного повторителя, состоящего из последовательно соединенных пар угольных передатчиков и электродинамических приемников. Повторитель Шрива был впервые испытан на линии между Бостоном и Эймсбери (штат Массачусетс), а более совершенные устройства оставались в эксплуатации некоторое время. После начала века было обнаружено, что ртутные лампы с отрицательным сопротивлением способны усиливать, и их также испытывали в повторителях, но без особого успеха. Разработка термоэлектронных ламп, начавшаяся около 1902 года, предоставила полностью электронный метод усиления сигналов. Первой практической реализацией таких устройств стал триод Audion, изобретенный Ли Де Форестом в 1906 году, что привело к созданию первых усилителей примерно в 1912 году. Термины "усилитель" и "усиление", происходящие от латинского *amplificare* (увеличивать или расширять), впервые были использованы для обозначения этой новой возможности около 1915 года, когда триоды получили широкое распространение. Это сделало возможными междугородные телефонные линии, системы громкой связи, радиовещание, звуковое кино, практическую звукозапись, радиолокацию, телевидение и первые компьютеры. В течение 50 лет практически все потребительские электронные устройства использовали вакуумные лампы. Ранние ламповые усилители часто использовали положительную обратную связь (регенерацию), которая могла увеличить коэффициент усиления, но также делала усилитель нестабильным и склонным к самовозбуждению. Большая часть математической теории усилителей была разработана в Bell Telephone Laboratories в 1920-1940-х годах. Уровень искажений в ранних усилителях был высоким, обычно около 5%, до 1934 года, когда Гарольд Блэк разработал отрицательную обратную связь, что позволило значительно снизить уровень искажений, хотя и за счет уменьшения коэффициента усиления. Другие достижения в теории усиления были сделаны Гарри Найквистом и Хендриком Боде. В течение 40 лет вакуумная лампа была практически единственным усиливающим устройством, за исключением специализированных силовых устройств, таких как магнитный усилитель и амплидин. В схемах управления мощностью магнитные усилители использовались до второй половины XX века, когда полупроводниковые приборы стали более экономичными и обладали более высокой скоростью работы. Старые электроакустические угольные повторители Шрива использовались в регулируемых усилителях в телефонных аппаратах для слабослышащих до тех пор, пока транзисторы не обеспечили создание более компактных и качественных усилителей в 1950-х годах.

Транзисторы

Первым рабочим транзистором был точечный транзистор, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1947 году в лабораториях Bell Labs, где Уильям Шокли позже изобрел биполярный транзистор (BJT) в 1948 году. За ними последовало изобретение металл-оксид-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET) Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. Благодаря масштабируемости MOSFET, возможности уменьшения размеров, MOSFET с тех пор стал наиболее широко используемым усилителем. Замена громоздких электронных ламп транзисторами в 1960-х и 1970-х годах произвела революцию в электронике, сделав возможным создание большого класса портативных электронных устройств, таких как транзисторное радио, разработанное в 1954 году. Сегодня использование электронных ламп ограничено некоторыми высокомощными приложениями, такими как радиопередатчики, а также некоторыми музыкальными инструментами и высококлассными аудиофильными усилителями. Начиная с 1970-х годов, все больше и больше транзисторов размещалось на одном чипе, создавая тем самым более высокие уровни интеграции (такие как малая, средняя и большая интеграция) в интегральных схемах. Многие усилители, доступные сегодня, основаны на интегральных схемах. Для специальных целей использовались другие активные элементы. Например, на заре спутниковой связи использовались параметрические усилители. Основная схема представляла собой диод, чья емкость изменялась радиочастотным сигналом, генерируемым локально. При определенных условиях этот радиочастотный сигнал обеспечивал энергию, которая модулировалась чрезвычайно слабым спутниковым сигналом, принимаемым на наземной станции. Достижения в цифровой электронике с конца 20-го века предоставили новые альтернативы традиционным линейным усилителям, используя цифровое переключение для изменения формы импульса сигналов фиксированной амплитуды, что привело к созданию устройств, таких как усилители класса D.

Усилители мощности

Усилитель мощности — усилитель, предназначенный главным образом для увеличения мощности, передаваемой нагрузке. На практике, усиление мощности усилителя зависит от импедансов источника и нагрузки, а также от собственного усиления по напряжению и току. В конструкции радиочастотного (РЧ) усилителя обычно оптимизируются импедансы для максимальной передачи мощности, в то время как в конструкциях аудио- и измерительных усилителей обычно оптимизируются входные и выходные импедансы для минимизации нагрузки и обеспечения максимальной целостности сигнала. Усилитель, заявленный с усилением 20 дБ, может иметь усиление по напряжению 20 дБ и доступное усиление мощности значительно больше 20 дБ (соотношение мощности 100), но фактически обеспечивать гораздо меньшее усиление мощности, например, если вход подключен к микрофону с импедансом 600 Ом, а выход — к входному разъему 47 кОм усилителя мощности. В общем случае, усилитель мощности является последним каскадом усиления или фактической схемой в цепи обработки сигнала (выходным каскадом) и требует особого внимания к эффективности использования мощности. Соображения эффективности приводят к различным классам усилителей мощности, основанным на схеме смещения выходных транзисторов или ламп: см. классы усилителей мощности ниже. Аудиоусилители мощности обычно используются для управления громкоговорителями. Они часто имеют два выходных канала и обеспечивают одинаковую мощность на каждый из них. РЧ-усилитель мощности используется на заключительных каскадах радиопередатчика. Контроллер сервопривода: усиливает управляющее напряжение для регулировки скорости двигателя или положения моторизованной системы.

Операционные усилители (оп-амперы)

Операционный усилитель — это схема усилителя, обычно обладающая очень высоким коэффициентом усиления в разомкнутом контуре и дифференциальными входами. Операционные усилители получили широкое распространение в качестве стандартизированных "блоков усиления" в схемах благодаря своей универсальности; их коэффициент усиления, полоса пропускания и другие характеристики могут регулироваться обратной связью через внешнюю цепь. Хотя сегодня этот термин обычно относится к интегральным схемам, оригинальная конструкция операционного усилителя использовала вакуумные лампы, а в последующих конструкциях — дискретные транзисторные схемы. Полностью дифференциальный усилитель аналогичен операционному усилителю, но также имеет дифференциальные выходы. Обычно они изготавливаются на биполярных или полевых транзисторах.

Распределенные усилители

Они используют сбалансированные линии передачи для разделения отдельных однокаскадных усилителей, выходы которых суммируются той же линией передачи. Линия передачи является сбалансированной: вход расположен на одном конце и только на одной стороне сбалансированной линии, а выход – на противоположном конце и на противоположной стороне той же линии. Усиление каждой ступени линейно прибавляется к выходному сигналу, а не перемножается, как в каскадной схеме. Это позволяет достичь большей полосы пропускания, чем было бы возможно даже при использовании тех же усилительных элементов.

Усилители с переключающим режимом

Эти нелинейные усилители обладают значительно более высокой эффективностью по сравнению с линейными усилителями и применяются в тех случаях, когда экономия энергии оправдывает возросшую сложность. Усилители класса D являются основным примером такого типа усиления.

Усилитель отрицательного сопротивления

Усилитель отрицательного сопротивления – это тип регенеративного усилителя, который может использовать обратную связь между истоком и затвором транзистора для преобразования емкостного импеданса на истоке транзистора в отрицательное сопротивление на затворе. По сравнению с другими типами усилителей, этот "усилитель отрицательного сопротивления" требует лишь небольшого количества энергии для достижения очень высокого коэффициента усиления, при этом сохраняя хороший показатель шума.

Усилители видео

Видеоусилители предназначены для обработки видеосигналов и имеют различную полосу пропускания в зависимости от того, для какого стандарта видеосигнала они используются – SDTV, EDTV, HDTV 720p или 1080i/p и т.д. Характеристики полосы пропускания зависят от типа используемого фильтра и точки, в которой она измеряется (например, -1 дБ или -3 дБ). Для получения качественного телевизионного изображения необходимо соблюдение определенных требований к переходным характеристикам и перерегулированию.

Усилители микроволновых волн

Усилители с бегущей волной (TWTA) используются для усиления высокой мощности на низких микроволновых частотах. Как правило, они способны усиливать широкий спектр частот, однако, их настройка обычно менее гибкая, чем у клистронов. Клистроны – это специализированные линейные вакуумные приборы, предназначенные для обеспечения мощного, широкодиапазонного усиления миллиметровых и субмиллиметровых волн. Клистроны разрабатываются для масштабных применений и, несмотря на более узкую полосу пропускания по сравнению с TWTA, обладают преимуществом когерентного усиления опорного сигнала, что позволяет точно контролировать амплитуду, частоту и фазу выходного сигнала. Полупроводниковые приборы, такие как кремниевые короткоканальные MOSFET, включая DMOS FET (двойной диффузионный металл-оксид-полупроводник), GaAs FET, SiGe и GaAs гетеропереходные биполярные транзисторы/HBT, HEMT, диоды IMPATT и другие, применяются особенно на более низких микроволновых частотах и при уровнях мощности порядка ватт, в частности, в таких приложениях, как портативные радиочастотные терминалы/сотовые телефоны и точки доступа, где определяющими факторами являются размер и эффективность. Новые материалы, такие как нитрид галлия (GaN) или GaN на кремнии или карбиде кремния (SiC), находят применение в HEMT-транзисторах и областях, где требуется повышенная эффективность, широкая полоса пропускания, работа в диапазоне примерно от нескольких до нескольких десятков ГГц с выходной мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. В зависимости от характеристик усилителя и требований к размерам, микроволновые усилители могут быть реализованы в виде монолитных интегральных схем, модулей или на дискретных компонентах, либо в любой комбинации этих подходов. Мазер – неэлектронный микроволновый усилитель.

Усилители для музыкальных инструментов

Инструментальные усилители — это разновидность аудиоусилителей мощности, используемых для увеличения громкости звучания музыкальных инструментов, например гитар, во время выступлений. Тембр усилителя в основном формируется порядком и степенью применения эквалайзера и искажений.

Общий терминал

Один из способов классификации усилителей основан на том, какой вывод устройства является общим для входной и выходной цепей. В случае биполярных транзисторов выделяют три класса: с общим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором. Для полевых транзисторов соответствующие конфигурации – с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком; для вакуумных ламп – с общим катодом, с общей сеткой и с общей пластиной. Конфигурация с общим эмиттером (или с общим истоком, общим катодом и т.д.) чаще всего используется для усиления напряжения, подаваемого между базой и эмиттером, при этом выходной сигнал, снимаемый между коллектором и эмиттером, инвертируется относительно входного. В схеме с общим коллектором входное напряжение подается между базой и коллектором, а выходное напряжение снимается между эмиттером и коллектором. Это создает отрицательную обратную связь, и выходное напряжение стремится повторять входное. Эта схема также применяется, поскольку вход имеет высокое сопротивление и не создает нагрузки на источник сигнала, хотя коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. Поэтому схема с общим коллектором лучше известна как повторитель эмиттера, повторитель истока или повторитель катода.

Односторонние или двусторонние

Усилитель, выход которого не имеет обратной связи на вход, описывается как "односторонний". Входное сопротивление одностороннего усилителя не зависит от нагрузки, а выходное сопротивление – от сопротивления источника сигнала. Усилитель, использующий обратную связь для подключения части выходного сигнала ко входу, является двусторонним усилителем. Входное сопротивление двустороннего усилителя зависит от нагрузки, а выходное – от сопротивления источника сигнала. Все усилители в той или иной степени являются двусторонними; однако их часто можно моделировать как односторонние в условиях работы, когда обратная связь достаточно мала, чтобы ею можно было пренебречь для большинства практических целей, что упрощает анализ (см. статью об общей базе для примера).

Инвертирующие или неинвертирующие

Другой способ классификации усилителей – по фазовой связи между входным и выходным сигналами. Инвертирующий усилитель выдает выходной сигнал, сдвинутый по фазе на 180 градусов относительно входного сигнала (то есть, происходит инверсия полярности или зеркальное отражение входного сигнала, наблюдаемое на осциллографе). Неинвертирующий усилитель сохраняет фазу входного сигнала. Эмиттерный повторитель – это тип неинвертирующего усилителя, что означает, что сигнал на эмиттере транзистора повторяет (то есть соответствует входному сигналу с коэффициентом усиления, равным единице, но возможно со смещением) входной сигнал. Последователь напряжения также является неинвертирующим усилителем с коэффициентом усиления, равным единице. Данное описание может относиться как к отдельному каскаду усилителя, так и к полной системе усиления.

Функция

Другие усилители могут быть классифицированы по их функции или выходным характеристикам. Эти функциональные описания обычно применяются к полным системам усилителей или подсистемам и редко к отдельным каскадам. Сервоусилитель указывает на наличие интегрированного контура обратной связи для активного управления выходным сигналом на заданном уровне. Сервоусилитель постоянного тока указывает на использование на частотах вплоть до постоянного тока, где не происходят быстрые колебания аудио- или радиочастотного сигнала. Они часто используются в механических приводах или устройствах, таких как двигатели постоянного тока, которым необходимо поддерживать постоянную скорость или крутящий момент. Сервоусилитель переменного тока может выполнять эту задачу для некоторых двигателей переменного тока. Линейный усилитель реагирует на различные частотные компоненты независимо и не генерирует гармонические искажения или интермодуляционные искажения. Ни один усилитель не может обеспечить идеальную линейность (даже самый линейный усилитель имеет некоторые нелинейности, поскольку усиливающие элементы – транзисторы или вакуумные лампы – подчиняются нелинейным законам мощности, таким как квадратичные законы, и используют схемы для уменьшения этих эффектов). Нелинейный усилитель генерирует значительные искажения и, следовательно, изменяет гармонический состав; существуют ситуации, когда это полезно. К схемам усилителей, намеренно обеспечивающим нелинейную передаточную функцию, относятся: устройство, такое как кремниевый управляемый выпрямитель или транзистор, используемый в качестве переключателя, может быть использовано для полного включения или выключения нагрузки, такой как лампа, на основе порогового значения во входном сигнале с непрерывно изменяющимся уровнем. Например, нелинейный усилитель в аналоговом компьютере или истинный RMS-преобразователь может обеспечить специальную передаточную функцию, такую как логарифмическая или квадратичная. Усилитель радиочастотного излучения класса С может быть выбран из-за его высокой эффективности, но он нелинеен. Последовательное подключение такого усилителя с так называемой колебательным контуром позволяет уменьшить нежелательные гармоники (искажения) до уровня, достаточного для его использования в передатчиках, или можно выбрать некоторые желаемые гармоники, настроив резонансную частоту колебательного контура на более высокую частоту, а не на основную частоту в схемах умножения частоты. Схемы автоматической регулировки усиления требуют, чтобы усиление усилителя контролировалось среднеквадратичной амплитудой, чтобы выходная амплитуда незначительно изменялась при приеме слабых сигналов. Нелинейности организованы таким образом, чтобы относительно небольшая амплитуда сигнала подвергалась небольшим искажениям (перекрестным помехам или интермодуляции), но при этом модулировалась относительно высоким напряжением постоянного тока управления усилением. Детекторные схемы AM, использующие усиление, такие как детекторы анодного изгиба, точные выпрямители и детекторы бесконечного импеданса (исключая неусиленные детекторы, такие как кошачьи усы), а также пиковые детекторы, полагаются на изменения усиления в зависимости от мгновенной амплитуды сигнала для получения постоянного тока из входного сигнала переменного тока. Схемы компараторов и детекторов на основе операционных усилителей. Широкополосный усилитель имеет точный коэффициент усиления в широком диапазоне частот и часто используется для усиления сигналов для ретрансляции в системах связи. Узкополосный усилитель усиливает определенный узкий диапазон частот, исключая другие частоты. Радиочастотный усилитель усиливает сигналы в диапазоне радиочастот электромагнитного спектра и часто используется для увеличения чувствительности приемника или выходной мощности передатчика. Аудиоусилитель усиливает звуковые частоты. Эта категория подразделяется на усилители малого сигнала и усилители мощности, оптимизированные для работы с динамиками, иногда с несколькими усилителями, объединенными в отдельные или объединяемые каналы для удовлетворения различных требований к воспроизведению звука. Часто используемые термины в аудиоусилителях включают: предусилитель (преамп.), который может включать в себя фонокорректор с эквализацией RIAA или предусилители магнитной головки с фильтрами эквализации CCIR. Они могут включать в себя фильтры или схемы управления тоном. Усилитель мощности (обычно работает с динамиками), усилители для наушников и усилители для систем оповещения. Стереоусилители подразумевают два канала выходного сигнала (левый и правый), хотя термин просто означает "объемный" звук (относительно трехмерного), поэтому для усилителей с четырьмя каналами использовался термин квадрофонический стереозвук. Системы 5.1 и 7.1 относятся к домашним кинотеатрам с 5 или 7 обычными пространственными каналами плюс канал сабвуфера. Буферные усилители, которые могут включать в себя эмиттерные повторители, обеспечивают высокое входное сопротивление для устройства (возможно, другого усилителя или энергоемкой нагрузки, такой как лампы), которое в противном случае потребляло бы слишком большой ток от источника. Линейные драйверы — это тип буфера, который подает сигналы на длинные или подверженные помехам межблочные кабели, возможно, с дифференциальным выходом через витые пары кабелей.

Метод межэтапной сцепления

Усилители иногда классифицируются по методу связи сигнала на входе, выходе или между каскадами. Различные типы таких усилителей включают в себя: резистивно-емкостной (RC) усилитель с разделением, использующий сеть резисторов и конденсаторов. По своей конструкции эти усилители не могут усиливать постоянный ток, поскольку конденсаторы блокируют постоянную составляющую входного сигнала. RC-усилители часто использовались в схемах с вакуумными лампами или дискретными транзисторами. С появлением интегральных схем несколько транзисторов на чипе стали значительно дешевле и меньше, чем конденсатор. Индуктивно-емкостной (LC) усилитель с разделением, использующий сеть индукторов и конденсаторов. Этот тип усилителя чаще всего применяется в селективных радиочастотных схемах. Усилитель с трансформаторной связью, использующий трансформатор для согласования импедансов или для развязки частей схемы. Зачастую LC-усилители и усилители с трансформаторной связью сложно различить, так как трансформатор является разновидностью индуктора. Усилитель с прямой связью, не использующий компонентов для согласования импедансов и установки рабочей точки. Этот класс усилителей был редкостью в эпоху вакуумных ламп, когда анодное (выходное) напряжение достигало нескольких сотен вольт, а напряжение на сетке (входе) составляло всего несколько вольт. Поэтому они применялись только в тех случаях, когда требовалось усиление вплоть до постоянного тока (например, в осциллографе). В современной электронике разработчикам рекомендуется использовать усилители с прямой связью, когда это возможно. В технологиях FET и CMOS преобладает прямая связь, поскольку затворы MOSFET теоретически не проводят ток. Следовательно, постоянная составляющая входного сигнала автоматически фильтруется.

Диапазон частот

В зависимости от диапазона частот и других характеристик, усилители проектируются по различным принципам. Диапазоны частот вплоть до постоянного тока используются только тогда, когда это необходимо. Усилители для сигналов постоянного тока чувствительны к незначительным изменениям характеристик компонентов с течением времени. Для предотвращения нежелательного дрейфа характеристик усилителя постоянного тока используются специальные методы, такие как усилители с импульсной стабилизацией. Для удаления постоянной составляющей и субзвуковых частот из аудиоусилителей могут быть добавлены блокировочные конденсаторы постоянного тока. В зависимости от заданного диапазона частот необходимо использовать различные принципы проектирования. До диапазона МГц необходимо учитывать только "дискретные" характеристики, например, входной импеданс клеммы. Как только длина любого соединения в схеме превышает примерно 1% длины волны самой высокой заданной частоты (например, при 100 МГц длина волны составляет 3 м, а критическая длина соединения составляет около 3 см), конструктивные характеристики радикально меняются. Например, заданная длина и ширина дорожки печатной платы могут использоваться в качестве селективного элемента или для согласования импеданса. Выше нескольких сотен МГц становится сложно использовать дискретные элементы, особенно индуктивности. В большинстве случаев вместо этого используются дорожки печатной платы очень точно определенной формы (технологии полосковых линий). Диапазон частот, обрабатываемый усилителем, может быть указан в виде полосы пропускания (обычно подразумевается, что сигнал ослабляется на 3 дБ при достижении заданной полосы пропускания) или путем указания частотной характеристики, которая находится в пределах определенного числа децибел между нижней и верхней частотами (например, "от 20 Гц до 20 кГц плюс-минус 1 дБ").

Классы усилителей мощности

Схемы усилителей мощности (выходные каскады) классифицируются как A, B, AB и C для аналоговых схем и как D и E для импульсных схем. Классы усилителей мощности основаны на доле каждого входного цикла (угла проводимости), в течение которого усиливающее устройство пропускает ток. Понятие угла проводимости возникает при усилении синусоидального сигнала. Если устройство включено постоянно, угол проводимости составляет 360°. Если оно включено только в течение половины каждого цикла, угол составляет 180°. Угол проводимости тесно связан с коэффициентом полезного действия усилителя мощности.

Пример схемы усилителя

Практическая схема усилителя, представленная выше, может служить основой для аудиоусилителя средней мощности. Она имеет типичную (хотя и существенно упрощенную) конструкцию, как в современных усилителях, с выходной каскадом класса AB push–pull и использует некоторую общую отрицательную обратную связь. Показаны биполярные транзисторы, но эта схема также может быть реализована с использованием полевых транзисторов или ламп. Входной сигнал подключается через конденсатор C1 к базе транзистора Q1. Конденсатор пропускает сигнал переменного тока, но блокирует напряжение смещения постоянного тока, установленное резисторами R1 и R2, чтобы не влиять на предыдущий каскад. Q1 и Q2 образуют дифференциальный усилитель (усилитель, который умножает разницу между двумя входами на некоторую константу) в схеме, известной как длиннохвостая пара. Эта схема удобна для использования отрицательной обратной связи, которая подается с выхода на Q2 через R7 и R8. Отрицательная обратная связь в дифференциальном усилителе позволяет усилителю сравнивать входной сигнал с фактическим выходным. Усиленный сигнал с Q1 напрямую подается на второй каскад, Q3, который является каскадом с общим эмиттером и обеспечивает дальнейшее усиление сигнала, а также смещение постоянного тока для выходных каскадов Q4 и Q5. R6 обеспечивает нагрузку для Q3 (более совершенная конструкция, вероятно, использовала бы здесь активную нагрузку, например, источник постоянного тока). На данный момент весь усилитель работает в классе A. Выходная пара организована в классе AB push–pull, также называемой комплементарной парой. Они обеспечивают основное усиление по току (при низком токе покоя) и напрямую управляют нагрузкой, подключенной через блокирующий конденсатор C2. Диоды D1 и D2 обеспечивают небольшое постоянное напряжение смещения для выходной пары, переводя их в проводящее состояние, чтобы минимизировать искажения переключения. То есть, диоды надежно переводят выходной каскад в режим класса AB (при условии, что падение напряжения база-эмиттер выходных транзисторов уменьшается за счет теплоотвода). Эта схема проста, но является хорошей основой для практической конструкции, поскольку она автоматически стабилизирует рабочую точку, поскольку обратная связь действует внутренне от постоянного тока вверх по всему аудиодиапазону и выше. В реальной конструкции, вероятно, будут дополнительные элементы схемы, которые ограничивают частотную характеристику выше необходимого диапазона, чтобы предотвратить нежелательные колебания. Кроме того, использование фиксированного диодного смещения, как показано здесь, может вызвать проблемы, если диоды не согласованы с выходными транзисторами как электрически, так и термически. Если выходные транзисторы открываются слишком сильно, они могут легко перегреться и выйти из строя, поскольку ток от источника питания на этой стадии не ограничен. Распространенным решением для стабилизации выходных устройств является включение эмиттерных резисторов, обычно сопротивлением около одного ома. Расчет значений резисторов и конденсаторов схемы выполняется на основе используемых компонентов и предполагаемого применения усилителя.

Примечания по выполнению

Любой реальный усилитель является несовершенной реализацией идеального усилителя. Важным ограничением реального усилителя является то, что выходной сигнал, который он генерирует, в конечном итоге ограничен мощностью, доступной от источника питания. Усилитель насыщается и обрезает сигнал, если входной сигнал становится слишком большим для воспроизведения усилителем или превышает допустимые рабочие пределы устройства. Источник питания может влиять на выходной сигнал, поэтому его необходимо учитывать при проектировании. Выходная мощность усилителя не может превышать его входную мощность. Усилительная схема имеет характеристики "открытого контура". Эти характеристики описываются различными параметрами (коэффициент усиления, скорость нарастания, выходное сопротивление, искажения, полоса пропускания, отношение сигнал/шум и т. д.). Многие современные усилители используют схемы отрицательной обратной связи для поддержания желаемого коэффициента усиления и снижения искажений. Отрицательная обратная связь предназначена для снижения выходного сопротивления и, следовательно, увеличения электрического демпфирования движения динамика на и вблизи его резонансной частоты. При оценке номинальной выходной мощности усилителя полезно учитывать подключенную нагрузку, тип сигнала (например, речь или музыка), требуемую длительность выходной мощности (то есть кратковременную или непрерывную) и требуемый динамический диапазон (например, записанный или живой звук). В высокомощных аудиоприложениях, требующих длинных кабелей до нагрузки (например, в кинотеатрах и торговых центрах), может быть эффективнее подключаться к нагрузке по напряжению линии с согласующими трансформаторами на источнике и нагрузке. Это позволяет избежать использования длинных и толстых кабелей для динамиков. Для предотвращения нестабильности или перегрева необходимо обеспечить адекватную нагрузку твердотельных усилителей. Большинство из них имеют номинальное минимальное сопротивление нагрузки. Все усилители генерируют тепло из-за электрических потерь. Усилитель должен рассеивать это тепло посредством конвекции или принудительного воздушного охлаждения. Тепло может повредить или сократить срок службы электронных компонентов. Проектировщики и установщики также должны учитывать влияние нагрева на соседнее оборудование. Различные типы источников питания приводят к различным методам смещения. Смещение – это метод, с помощью которого активные устройства настраиваются на работу в определенной области, или с помощью которого постоянная составляющая выходного сигнала устанавливается на середину между максимальными напряжениями, доступными от источника питания. Большинство усилителей используют несколько устройств на каждом каскаде; они обычно согласованы по характеристикам, за исключением полярности. Согласованные устройства с инвертированной полярностью называются комплементарными парами. Усилители класса A обычно используют только одно устройство, если только источник питания не настроен на обеспечение как положительного, так и отрицательного напряжения, в этом случае может использоваться симметричная схема с двумя устройствами. Усилители класса C, по определению, используют источник питания только одной полярности. Усилители часто имеют несколько каскадов для увеличения коэффициента усиления. Каждый каскад в этих схемах может быть разных типов, чтобы соответствовать потребностям этого каскада. Например, первый каскад может быть классом A, питающим второй каскад класса AB push-pull, который затем управляет выходным каскадом класса G, используя преимущества каждого типа и минимизируя их недостатки.