産業用電子機器の電子アンプ

これらは、電気信号の電圧、電流、電力を増幅するように設計されたデバイスです。

最も単純な増幅器はトランジスタ回路です。アンプを使用する理由は、通常、電子機器に入る電気信号（電圧と電流）の振幅が小さく、さらなる使用（変換、送信、負荷への電力供給）に十分な必要な値まで増幅する必要があるためです。 ）。

図 1 は、アンプを動作させるために必要なデバイスを示しています。

図1｜アンプ環境

アンプに負荷がかかったときに放出される電力は、その電源の変換された電力であり、入力信号はアンプを駆動するだけです。アンプは直流電源から電力を供給されます。

通常、アンプは複数の増幅段で構成されます（図2）。増幅の最初の段階は、主に信号電圧を増幅するために設計されており、プリアンプと呼ばれます。それらの回路は入力信号源の種類によって決まります。

信号の電力を増幅する役割を果たすステージは、端子または出力と呼ばれます。それらのスキームは負荷のタイプによって決まります。また、増幅器は、必要な増幅を得るように、および（または）増幅された信号の必要な特性を形成するように設計された中間段を含んでもよい。

図2｜アンプの構造

アンプの分類:

1) 増幅パラメータ、電圧、電流、パワーアンプに応じて

2) 増幅された信号の性質による:

• 高調波（連続）信号の増幅器。

• パルス信号増幅器（デジタルアンプ）。

3) 増幅された周波数の範囲内:

• DCアンプ;

• ACアンプ

• 低周波、高周波、超高周波など

4) 周波数応答の性質による:

• 共振（狭い周波数帯域の信号を増幅）。

• バンドパス（特定の周波数帯域を増幅）。

• 広帯域（周波数範囲全体を増幅）。

5) 補強要素の種類別:

• 電気真空ランプの。

• 半導体デバイスについて。

• 集積回路上で。

アンプを選択するときは、アンプのパラメータを終了します。

• ワット単位で測定される出力電力。出力電力は、サウンドアンプなどのアンプの目的に応じて、ヘッドフォンのミリワットからオーディオシステムの数十、数百ワットまで大きく異なります。

• 周波数範囲 (ヘルツ単位で測定)。たとえば、同じオーディオ アンプは通常 20 ～ 20,000 Hz の周波数範囲でゲインを提供する必要があり、テレビ信号アンプ (画像 + 音声) は 20 Hz ～ 10 MHz 以上の周波数範囲でゲインを提供する必要があります。

• 非線形歪み。パーセント%で測定されます。これは、増幅された信号の形状歪みを特徴づけます。一般に、特定のパラメータが低いほど優れています。

• 効率 (効率比) はパーセント%で測定されます。負荷への電力の放散に電源からの電力がどのくらい使用されているかを示します。実際には、電源の電力の一部が無駄になり、その大部分は熱損失になります。電流の流れは常に材料の加熱を引き起こします。このパラメータは、(蓄電池やバッテリからの) 自己電源型デバイスにとって特に重要です。

図 3 に、典型的なバイポーラ トランジスタ プリアンプ回路を示します。入力信号は電圧源 Uin から来ており、ブロッキング コンデンサ Cp1 と Cp2 は変数 ie を渡します。これにより、直列接続された増幅段で直流に対して独立した動作モードを作成することが可能になります。

図3 — バイポーラトランジスタの増幅段の図

抵抗器 Rb1 と Rb2 は、トランジスタ Ib0 のベースに始動電流を供給する主な分圧器であり、抵抗器 Rk はコレクタ Ik0 に始動電流を供給します。これらの電流は層流と呼ばれます。入力信号がない場合、それらは一定です。図 4 にアンプのタイミング図を示します。時間プロットは、時間の経過に伴うパラメーターの変化です。

抵抗 Re は負の電流フィードバック (NF) を提供します。フィードバック (OC) は、出力信号の一部をアンプの入力回路に転送することです。入力信号とフィードバック信号の位相が逆の場合、フィードバックは負であると言われます。 OOS はゲインを低下させますが、同時に高調波歪みを軽減し、アンプの安定性を高めます。ほぼすべてのアンプに使用されています。

抵抗 Rf とコンデンサ Cf はフィルタ要素です。コンデンサ Cf は、ソース Up からアンプによって消費される電流の変動成分用の低抵抗回路を形成します。複数のアンプソースがソースから供給される場合は、フィルター要素が必要です。

入力信号 Uin が印加されると、電流 Ib ~ が入力回路と出力 Ik ~ に現れます。負荷 Rn を流れる電流 Ik ~ によって生じる電圧降下が、増幅された出力信号になります。

電圧と電流の一時的な図 (図 3) から、カスケードの入力 Ub ~ と出力 Uc ~ = Uout の電圧の変動成分が逆位相であることがわかります。 OE トランジスタのゲイン段は、入力信号の位相を逆方向に変化 (反転) します。

図4 — バイポーラトランジスタの増幅段における電流と電圧のタイミング図

オペアンプ (OU) は、高ゲインと深い負帰還を備えた DC/AC アンプです。

これにより、多数の電子デバイスの実装が可能になりますが、伝統的にはアンプと呼ばれています。

オペアンプはすべてのアナログ電子機器の根幹であると言えます。オペアンプの広範な使用は、その柔軟性 (アナログとパルスの両方をベースにしてさまざまな電子デバイスを構築する能力)、広い周波数範囲 (DC および AC 信号の増幅)、外部の不安定化からの主要パラメータの独立性に関連しています。要因（温度変化、電源電圧など）。主に統合アンプ (IOU) が使用されます。

名前に「演算」という言葉が含まれているのは、これらのアンプが加算、減算、微分、積分などの多くの数学演算を実行できる可能性によって説明されます。

図 5 に UGO IEE を示します。このアンプには、順方向と逆方向の 2 つの入力と 1 つの出力があります。入力信号が非反転 (直接) 入力に適用されると、出力信号は同じ極性 (位相) になります — 図 5、a。

図5 — オペアンプの従来のグラフィック表示

反転入力を使用する場合、出力信号の位相は入力信号の位相に対して 180 ° シフトします (極性が反転します) — 図 6、b。逆入力と出力は丸で囲まれています。

図 6 — オペアンプの時間図: a) — 非反転、b) — 反転

壁紙に電圧が印加されると、出力電圧は入力電圧の差に比例します。これらは。反転入力信号は«-«記号で受け入れられます。 Uout = K (Uneinv — Uinv)、K はゲインです。

図7｜オペアンプの振幅特性

オペアンプは、通常 +15V と -15V のバイポーラ電源によって電力を供給されますが、ユニポーラ電源も使用できます。 IOU 結論の残りの部分は、使用時に示されます。

オペアンプの動作は、図 8 の振幅特性によって説明されます。この特性では、出力電圧が入力電圧の増加に比例して増加する線形セクションと、飽和 U + の 2 つのセクションを区別できます。 satとU-sat。入力電圧 Uin.max がある値になると、アンプは飽和モードに入り、出力電圧は最大値 (Up = 15 V、およそ Uns = 13 V の値) となり、それ以上変化しても変化しません。入力信号が増加します。飽和モードは、オペアンプをベースとしたパルスデバイスで使用されます。

パワーアンプは増幅の最終段階で使用され、負荷に必要な電力を生成するように設計されています。

その主な特徴は、高い入力信号レベルと高い出力電流で動作することであり、これには強力なアンプの使用が必要です。

アンプは、A、AB、B、C、D モードで動作できます。

モード A では、増幅デバイス (トランジスタまたは電子管) の出力電流は、増幅信号の全期間 (つまり、常に) オープンであり、出力電流がそこを流れます。クラス A パワーアンプは、増幅信号に最小限の歪みをもたらしますが、効率は非常に低くなります。

モード B では、出力電流が 2 つの部分に分割され、1 つのアンプが信号の正の半波を増幅し、もう 1 つのアンプが信号の負の半波を増幅します。その結果、モードAよりも効率は高くなりますが、トランジスタのスイッチングの瞬間に大きな非線形歪みが発生します。

AB モードは B モードを繰り返しますが、一方の半波からもう一方の半波に移行する瞬間には両方のトランジスタがオープンになるため、高効率を維持しながら歪みを低減することができます。 AB モードはアナログアンプで最も一般的です。

モードCは増幅時の波形歪みが無い場合に使用します。アンプの出力電流が流れる時間は半周期未満であり、当然歪みが大きくなります。

D モードでは、入力信号をパルスに変換し、それらのパルスを増幅してから逆変換します。この場合、出力トランジスタはキー モード (トランジスタが完全に閉じているか完全に開いている) で動作し、アンプの効率を 100% に近づけます (AV モードでは、効率は 50% を超えません)。 Dモードで動作するアンプはデジタルアンプと呼ばれます。

プッシュプル回路では、増幅 (モード B および AB) は 2 クロック サイクルで発生します。最初の半サイクル中、入力信号は 1 つのトランジスタによって増幅され、この半サイクルまたはその一部の間、もう 1 つのトランジスタは閉じられます。 2 番目の半サイクルでは、信号は 2 番目のトランジスタによって増幅され、1 番目のトランジスタはオフになります。

トランジスタ アンプのスライディング回路を図 8 に示します。トランジスタ ステージ VT3 は、出力トランジスタ VT1 および VT2 にプッシュを提供します。抵抗 R1 と R2 は、トランジスタの定常動作モードを設定します。

負の半波Uinが到来すると、コレクタ電流VT3が増加し、これによりトランジスタVT1およびVT2のベースの電圧が増加する。この場合、VT2 が閉じ、VT1 を介してコレクタ電流が回路を通過します: + Up、遷移 K-E VT1、C2 (充電中)、Rn、ケース。

正の半波が到着すると、Uin VT3 が閉じ、トランジスタ VT1 と VT2 のベースの電圧が低下します。VT1 が閉じ、VT2 を介してコレクタ電流が回路に流れます。 + C2、遷移 EK VT2、ケース、Rn、-C2 。 T

これにより、入力電圧の両方の半波の電流が負荷に確実に流れます。

図 8 — パワーアンプの回路図

モード D では、アンプは次のように動作します。 パルス幅変調 (PWM)… 入力信号が変調する 方形パルス期間を変更することで。この場合、信号は同じ振幅の矩形パルスに変換され、その持続時間は任意の瞬間の信号の値に比例します。

パルス列は増幅のためにトランジスタに供給されます。増幅された信号はパルス状であるため、トランジスタはキー モードで動作します。キー モードでの動作は、トランジスタが閉じているか完全に開いている (抵抗が最小限である) ため、損失が最小限に抑えられます。増幅後、ローパス フィルターを使用して信号から低周波成分 (増幅された元の信号) が抽出されます ( LPF）を負荷に供給します。

図9 — D級アンプのブロック図

クラス D アンプは、ラップトップ オーディオ システム、モバイル通信、モーター制御デバイスなどで使用されます。

現代のアンプは、集積回路が広く使用されていることが特徴です。