Zesilovač je obecně každé zařízení, které bude využívat malé množství energie k ovládání většího množství energie. V lidovém použití se dnes termín obvykle vztahuje na elektronický zesilovač, často jako v audio aplikacích. Vztah vstupu k výstupu zesilovače – obvykle vyjádřený jako funkce vstupní frekvence – se nazývá přenosová funkce zesilovače a velikost přenosové funkce se nazývá zisk.
Stručná charakteristika zesilovačů
Většinu zesilovačů lze charakterizovat řadou parametrů.
Zisk je poměr výstupního výkonu ke vstupnímu a obvykle se měří v decibelech .
(Při měření v decibelech je logaritmicky vztažen k poměru výkonu: G(dB)=10log(Pout/Pin)).
Výstupní dynamický rozsah je rozsah, obvykle udávaný v dB, mezi nejmenší a největší užitečnou výstupní úrovní. Protože nejnižší užitečná úroveň je omezena výstupním šumem, uvádí se jako dynamický rozsah zesilovače.
Šířka pásma (BW) zesilovače je obvykle definována jako rozdíl mezi spodní a horní polovinou výkonových bodů. Proto je také označována jako −3 dB BW. Někdy jsou uváděny šířky pásma pro jiné tolerance odezvy (−1 dB, −6 dB atd.).
Zesilovač s plným rozsahem zvuku bude v podstatě plochý mezi dvaceti hertzi až asi dvaceti kilohertzy (rozsah normálního lidského sluchu.) Při konstrukci minimalistického zesilovače musí použitelná frekvenční odezva zesilovače značně přesahovat tuto hodnotu (jedna nebo více oktáv na každou stranu) a typicky dobrý minimalistický zesilovač bude mít -3 dB bodů < 10 a > 65 kHz. Profesionální cestovní zesilovače mají často vstupní a/nebo výstupní filtrování, aby ostře omezily frekvenční odezvu nad 20-20 kHz; příliš velká část potenciálního výstupního výkonu zesilovače by jinak byla vyplýtvána na infrazvukové a ultrazvukové frekvence a nebezpečí rádiového rušení AM by se zvýšilo. Moderní spínací zesilovače potřebují strmé nízkofrekvenční filtrování na výstupu, aby se zbavily vysokofrekvenčního spínacího hluku a harmonických zvuků.
Doba náběhu zesilovače je doba potřebná k tomu, aby se výstup změnil z 10% na 90% své konečné úrovně, když je řízen skokovým vstupem.
Mnoho zesilovačů je v konečném důsledku omezeno rychlostí otáčení (typicky impedancí hnacího proudu, který musí překonat kapacitní efekty v určitém bodě obvodu), což může omezit šířku pásma plného výkonu na frekvence hluboko pod frekvenční odezvou zesilovačů při práci s malými signály.
U systému Gaussovy odezvy (nebo jednoduchého rozjezdu RC) se doba náběhu aproximuje takto:
Tr * BW = 0,35, kde Tr je v sekundách a BW je v Hz.
Doba usazování a aberace
Čas potřebný k tomu, aby se výstup ustálil na určitém procentu konečné hodnoty (řekněme 0,1%). Obvykle je to specifikováno pro vertikální zesilovače osciloskopu a systémy pro měření s vysokou přesností.
Rychlost otáčení je maximální rychlost změny výstupní proměnné, obvykle uváděná ve voltech za sekundu (nebo mikrosekundu).
Měří se, kolik šumu je do procesu zesílení zavedeno. Hluk je nežádoucím, ale nevyhnutelným produktem elektronických zařízení a součástek. Měří se buď v decibelech, nebo ve špičkovém výstupním napětí, které produkuje zesilovač, když není aplikován žádný signál.
Účinnost je měřítkem toho, jak velká část vstupního výkonu je užitečně aplikována na výstup zesilovače. Zesilovače třídy A jsou velmi neefektivní, v rozsahu 10-20% s maximální účinností 25%. Moderní zesilovače třídy AB jsou běžně mezi 35-55% účinné s teoretickým maximem 78,5%. Komerčně dostupné spínací zesilovače třídy D hlásí účinnost až 97%. Účinnost zesilovače omezuje množství celkového výkonu, které je užitečně dostupné. Všimněte si, že výkonnější zesilovače běží mnohem chladněji a často nepotřebují žádné ventilátory ani ve vícekilowattovém provedení.
Ideální zesilovač by byl zcela lineární přístroj, ale skutečné zesilovače jsou lineární jen v určitých praktických mezích. Když se zvýší signálový pohon zesilovače, zvyšuje se i výstup, dokud není dosaženo bodu, kdy se některá část zesilovače nasytí a nemůže produkovat další výstup; tomu se říká ořez a výsledkem je zkreslení.
Některé zesilovače jsou navrženy tak, aby to zvládly kontrolovaným způsobem, který způsobí snížení zisku místo nadměrného zkreslení; výsledkem je kompresní efekt, který (pokud je zesilovač audio zesilovač) bude znít uchu mnohem méně nepříjemně. U těchto zesilovačů je kompresní bod 1dB definován jako vstupní výkon (nebo výstupní výkon), kde zisk je o 1dB menší než malý zisk signálu.
Linearizace je vznikající pole, a existuje mnoho technik, jako nás feedforward, predistortion, postdistortion, EER, LINC, CALLUM, kartézská zpětná vazba, atd., aby se zabránilo nežádoucím účinkům non-linearities.
Existuje mnoho typů elektronických zesilovačů pro různé aplikace.
Jedním z běžných typů zesilovačů je elektronický zesilovač, běžně používaný v rozhlasových a televizních vysílačích a přijímačích, stereofonních zařízeních s vysokou věrností („hi-fi“), mikropočítačích a jiných elektronických digitálních zařízeních a kytarových a jiných nástrojových zesilovačích. Jeho kritickými součástmi jsou aktivní zařízení, jako jsou vakuové trubice nebo tranzistory.
Elektronické třídy zesilovačů
Zesilovače jsou obvykle klasifikovány podle úhlu vedení (někdy známého jako „úhel proudění“) vstupního signálu přes zesilovací zařízení.
Vysavačové trubicové (ventilové) zesilovače
Podle Symonse, zatímco polovodičové zesilovače mají do značné míry vytlačené ventilové zesilovače pro aplikace s nízkým výkonem, ventilové zesilovače jsou mnohem nákladově efektivnější v aplikacích s vysokým výkonem, jako je „radar, měřicí zařízení nebo komunikační zařízení“ (str. 56). Mnoho mikrovlnných zesilovačů jsou speciálně konstruované ventily, jako je klystron, gyrotron, trubice s pohyblivou vlnou a zesilovač s kříženým polem, a tyto mikrovlnné ventily poskytují mnohem větší výkon jednoho zařízení na mikrovlnných frekvencích než zařízení v pevné fázi (str. 59).
Podstatnou úlohou tohoto aktivního prvku je zvětšení vstupního signálu pro získání výrazně většího výstupního signálu. Velikost zvětšení (dále jen „zisk vpřed“) je určena konstrukcí vnějšího obvodu a také aktivního zařízení.
Mnoho běžných aktivních zařízení v tranzistorových zesilovačích jsou tranzistory s bipolárními spoji (BJT) a polovodičové polovodičové tranzistory s efektem pole (MOSFET).
Aplikací je mnoho, některé běžné příklady jsou audio zesilovače v domácím stereo nebo PA systému, RF vysoký výkon pro polovodičová zařízení, na RF a mikrovlnné aplikace, jako jsou rádiové vysílače.
Operační zesilovače (operační zesilovače)
Operační zesilovač je v pevném stavu integrovaný obvodový zesilovač, který využívá externí zpětnou vazbu pro řízení své přenosové funkce nebo zisku.
Plně diferenciální zesilovače (FDA)
Plně diferenciální zesilovač je v pevném stavu integrovaný obvodový zesilovač, který využívá externí zpětnou vazbu pro řízení své přenosové funkce nebo zisku. Je podobný operačnímu zesilovači, ale má také diferenciální výstupní piny.
Ty se zabývají videosignálem a mají šířku pásma okolo 5 MHz. Určité požadavky na krokovou odezvu a přestřelení jsou nezbytné pro prezentaci přijatelných televizních obrazů.
Vertikální zesilovače osciloskopu
Ty se používají pro práci s video signály pro pohon osciloskopické zobrazovací trubice a mohou mít šířku pásma kolem 500 MHz. Specifikace krokové odezvy, náběhu času, přestřelení a aberací mohou konstrukci těchto zesilovačů značně ztížit. Jedním z průkopníků vertikálních zesilovačů s vysokou šířkou pásma byla společnost Tektronix.
Ty používají přenosové linky k dočasnému rozdělení signálu a zesílení každé části zvlášť, aby bylo dosaženo větší šířky pásma, než lze získat z jednoho zesilovacího zařízení. Výstupy každého stupně jsou kombinovány ve výstupním přenosovém vedení. Tento typ zesilovače byl běžně používán na osciloskopech jako konečný vertikální zesilovač. Přenosové linky byly často umístěny uvnitř skleněného obalu zobrazovací trubice.
Zesilovače pohyblivé vlny (TWT)
Používá se pro zesilování vysokého výkonu při nízkých mikrovlnných frekvencích. Obvykle mohou zesilovat v širokém spektru frekvencí, ale obvykle nejsou tak laditelné jako klystrony.
Velmi podobné zesilovačům TWT, ale výkonnější a se specifickou frekvencí „sweet spot“. Obecně jsou také mnohem těžší než zesilovače TWT, a proto jsou nevhodné pro lehké mobilní aplikace. Klystrony jsou laditelné, nabízejí selektivní výstup ve stanoveném frekvenčním rozsahu.
zesilovače hudebních nástrojů (audio)
Zvukový zesilovač se obvykle používá k zesílení signálů, jako je hudba nebo řeč.
Jedním z prvních přístrojů používaných k zesílení signálů byl uhlíkový mikrofon (v podstatě variabilní rezistor ovládaný zvukem). Díky vedení velkého elektrického proudu přes stlačené uhlíkové granule v mikrofonu mohl malý zvukový signál produkovat mnohem větší elektrický signál. Uhlíkový mikrofon byl nesmírně důležitý v raných telekomunikacích; analogové telefony ve skutečnosti fungují bez použití jakéhokoli jiného zesilovače. Před vynálezem elektronických zesilovačů se mechanicky vázané uhlíkové mikrofony používaly také jako zesilovače v telefonních opakovačích pro dálkový provoz.
Magnetický zesilovač je zařízení podobné transformátoru, které využívá nasycení magnetických materiálů k výrobě zesilovače. Jedná se o neelektronický elektrický zesilovač bez pohyblivých částí. Šířka pásma magnetických zesilovačů dosahuje stovek kilohertzů.
Amplidyn nebo rototrol je rotující stroj jako elektrický generátor, který zajišťuje zesílení elektrických signálů přeměnou mechanické energie na elektrickou energii.
Optické zesilovače zesilují světlo procesem stimulované emise.