Узмацняльнік, або электронны ўзмацняльнік — гэта электронная прылада, якая можа павялічваць магутнасць сігналу (зменнае ў часе напружанне ці ток). Электронная схема выкарыстоўвае электраэнергію ад крыніцы сілкавання для павелічэння амплітуды сігналу, што паступае на яго ўваход, ствараючы прапарцыйна большую амплітуду сігналу на яго выхадзе. Узмацненне, якое забяспечвае ўзмацняльнік, вымяраецца яго каэфіцыентам: суадносам выхаднога напружання, току або магутнасці да ўваходнага. Узмацняльнік — гэта схема, якая мае каэфіцыент ўзмацнення магутнасці больш за адзінку.

Узмацняльнік можа быць альбо асобным абсталяваннем, альбо электрычным ланцугом, які з’яўляецца часткай іншай прылады. Узмацненне з’яўляецца адным з асноўных паняццяў электронікі XX стагоддзя. Узмацняльнікі шырока выкарыстоўваюцца практычна ва ўсім электронным абсталяванні. Узмацняльнікі можна класіфікаваць па-рознаму. Адна з класіфікацый — па частаце ўзмацняемага электроннага сігналу. Напрыклад, узмацняльнікі гуку ўзмацняюць сігналы ў гукавым дыяпазоне менш за 20 кГц, антэнныя ўзмацняльнікі ўзмацняюць частоты ў дыяпазоне радыёчастот паміж 20 кГц і 300 ГГц, серваўзмацняльнікі і вымяральныя ўзмацняльнікі могуць працаваць з вельмі нізкімі частотамі аж да пастаяннага току. Узмацняльнікі таксама можна класіфікаваць па паслядоўнасці размяшчэння ў сігнальным ланцугу; напр., папярэдні ўзмацняльнік можа быць першым этапам апрацоўкі сігналу.

Гісторыя элементнай базы

Радыёлямпы Першай практычнай электрычнай прыладай, якая была ўжыта для ўзмацнення, была радыёлямпа трыёд, вынайдзеная ў 1906 г. Лі Дэ Форэстам The link is to a reprint of the paper in the Scientific American Supplement, No. 1665, November 30, 1907, p.348-350, copied on Thomas H. White’s United States Early Radio History website. Вынаходства прывяло да з’яўлення першых узмацняльнікаў прыблізна ў 1912 г. Вакуумныя радыёлямпы выкарыстоўваліся практычна ва ўсіх узмацняльніках да 1960-1970-х гадоў, пакуль транзістары іх не выцеснілі. Сёння ў большасці ўзмацняльнікаў выкарыстоўваюцца транзістары, але электронныя лямпы працягваюць выкарыстоўвацца ў некаторых галінах.

Развіццё тэхналогіі тэлефоннай сувязі, запатэнтаванай упершыню ў 1876 г., стварыла неабходнасць павялічваць амплітуду электрычных сігналаў для перадачы сігналаў на ўсё большыя адлегласці. У тэлеграфіі гэтая праблема была вырашана з дапамогай прамежкавых прылад на станцыях, якія папаўнялі рассеяную энергію, ўключаючы рэгістратар сігналу наўпрасткі да перадатчыкаў. Так стваралі паслядоўны ланцуг перадачы, і мясцовая крыніца энергіі на кожнай прамежкавай станцыі сілкавала наступны этап перадачы. Для дуплекснай перадачы, значыць адпраўкі і прыёму ў абодвух напрамках, распрацоўваліся двухнакіраваныя рэтранслятары, пачынаючы з працы К. Ф. Варлі. Дуплексная перадача мела важнае значэнне для тэлефаніі, і праблема не была вырашана задавальняюча да 1904 г., калі Г. Э. Шрыў з кампаніі AT&T палепшыў існуючыя спробы пабудовы тэлефоннага рэтранслятара, спалучыўшы вугальны мікрафон і электрадынамічны прыёмнік.Gherardi B., Jewett F.B., Telephone Repeaters, Transactions of the AIEE 38(11), 1 Oct 1919, p.1298 Упершыню рэтранслятар Шрыва быў выпрабаваны на лініі паміж Бостанам і Эймсберы, штат Масачусэтс, і больш дасканалыя прылады заставаліся ў эксплуатацыі некаторы час. На рубяжы XIX—XX стагоддзяў было вызначана, што ртутныя лямпы з адмоўным дыферэнцыяльным супраціўленнем могуць ужывацца для узмацнення, і іх таксама спрабавалі выкарыстоўваць у рэтранслятарах без асаблівага поспеху. Ф

Распрацоўка тэрмаэлектронных радыёлямп, пачынаючы з 1902 года, зрабіла магчымым цалкам электронны метад узмацнення сігналаў.. Паколькі адзінай папярэдняй прыладай, якая шырока выкарыстоўвалася для ўзмацнення сігналу, было рэле, якое выкарыстоўвалася ў тэлеграфных сістэмах, узмацняльная радыёлямпа пачаткова называлася электронным рэле.Hong 2001, Wireless: From Marconi’s Black-Box to the Audion, p. 177 Тэрміны ўзмацняльнік і ўзмацненне былі ўпершыню выкарыстаны для азначэння магчымасці павялічэння энергіі сігналу каля 1915 года, калі трыёды атрымалі шырокае распаўсюджанне.

Узмацняльная радыёлямпа зрабіла рэвалюцыю ў электратэхніцы, стварыўшы новую вобласць электронікі — тэхналогію актыўных электрычных прылад. Гэтая прылады зрабілі магчымымі міжгароднія тэлефонныя лініі, мегафоны, радыёвяшчанне, агучаныя кінафільмы, запіс аўдыёпраграм, радар, тэлебачанне і першыя камп’ютары. На працягу 50 гадоў практычна ўсе бытавыя электронныя прылады выкарыстоўвалі радыёлямпы. Першыя лямпавыя ўзмацняльнікі часта мелі станоўчую зваротную сувязь (рэгенерацыю), што магло павялічыць узмацненне, але таксама зрабіць узмацняльнік няўстойлівым і схільным да ўзбуджэння. Большая частка матэматычнай тэорыі ўзмацняльнікаў была распрацавана ў тэлефонных лабараторыях Bell ў 1920-1940-х гг. Узровень скажэнняў у ранніх узмацняльніках быў высокі, звычайна каля 5 %, да 1934 г., калі Гаральд Блэк вынайшаў адмоўную зваротную сувязь; гэта дазволіла значна знізіць узровень скажэння за кошт меншага ўзмацнення. Іншыя поспехі ў тэорыі ўзмацнення былі зроблены Гары Найквістам і Хендрыкам Уэйдам Бодэ.

На працягу 40 гадоў радыёлямпа была практычна адзінай узмацняльнай прыладай, акрамя спецыялізаваных сілавых прыбораў, такіх як магнітны ўзмацняльнік і ратацыйны ўзмацняльнік. У схемах кіравання магутнасцю ўжывалі магнітныя ўзмацняльнікі да другой паловы ХХ стагоддзя, калі магутныя паўправадніковыя прыборы сталі больш эканамічнымі і хуткімі. Старыя электраакустычныя рэтранслятары Герберта Шрыва (Herbert Shreeve) ужываліся ў рэгулюемых узмацняльніках абаненцкіх тэлефонных апаратаў для людзей са слабым слыхам, пакуль у 1950-я гады паўправаднікі не зрабілі магчымымі меншыя памерам і якаснейшыя ўзмацняльнікі.AT&T, Bell System Practices Section C65.114, Telephone Sets for Subscribers with Impaired Hearing — 334 Type

Паўправаднікі Першым працуючым транзістарам быў кропкавы транзістар, вынайдзены Джонам Бардзінам і Уолтэрам Братэйнам у 1947 г. у Bell Labs, дзе Уільям Шоклі пазней вынайшаў біпалярны транзістар у 1948 годзе. У 1959 годзе ўслед за імі рушыла вынаходніцтва Махамеда М. Аталы і Давона Канга з Bell Labs, — палявога транзістара складзенага з метала-аксіду-паўправадніку (МАП). Дзякуючы здольнасці МАП да памяншэння, МАП-узмацняльнікі з тых часоў сталі найбольш распаўсюджаным узмацняльнікам.https://www.computerhistory.org/siliconengine/timeline/

Замена грувасткіх электронных лямпаў на транзістары стварыла рэвалюцыю ў электроніцы ў 1960-1970-х гг., зрабіўшы магчымым новы клас партатыўных электронных прылад, такіх як транзістарнае радыё, распрацаванае ў 1954 годзе. Сёння выкарыстанне вакуумных лямпаў абмежавана схемамі вялікай магутнасці, такімі як радыёперадатчыкі.

Пачынаючы з 1970-х гадоў, усё больш і больш транзістараў размяшчалася на адной падложцы мікрасхемы, ствараючы тым самым больш высокія маштабы інтэграцыі (такія як дробная, сярэдняя і буйная інтэграцыя) у інтэгральных мікрасхемах. Шматлікія ўзмацняльнікі ў сучасных прыладах будуюцца на інтэгральных схемах.

Для спецыяльных мэт ужываюцца іншыя актыўныя элементы. Напрыклад, на пачатку развіцця спадарожнікавай сувязі былі папулярны параметрычныя ўзмацняльнікі. Ланцуг параметрычнага узмацняльніка будуецца на варыкапе, ёмістасць якога змяняецца радыёчастотным сігналам. Пры пэўных умовах гэты сігнал змяшчае энергію, якая мадулюецца слабым спадарожнікавым сігналам, атрыманым на зямной станцыі.

З дасягненнямі лічбавай электронікі, на прыканцы XX стагоддзя з’явіліся альтэрнатывы традыцыйным лінейным узмацняльнікам — на базе лічбавага пераключэння і кіравання формай і шырынёй імпульсу, напрыклад, такія прылады, як шыротна-імпульсны ўзмацняльнік.

Мадэлі

У прынцыпе, узмацняльнік — гэта электрычны двухпортавы ланцуг, ствараючы павялічаную копію ўваходнага сігналу на выхадзе.

Уваходны порт можна ідэалізаваць як уваход напружання, які амаль не спажывае ток ад крыніцы сігналу, тады на выхадзе утвараецца напружанне, суадноснае напружанню на порце Уваходны порт можна ідэалізаваць як ўваход току амаль без напружання на ім, тады на выхадзе утвараецца ток, суадносны току праз уваходны порт. Выхадны порт можна ідэалізаваць як залежную крыніцу напружання з нулявым супраціўленнем крыніцы і выхадное напружанне залежыць ад уваходнага Выхадны порт можна ідэалізаваць як залежную крыніцу току, з бясконцым супраціўленнем крыніцы, дзе выхадны ток залежыць ад уваходнага.

Камбінацыі гэтых варыянтаў прыводзяць да чатырох тыпаў ідэальных узмацняльнікаў. У ідэалізаваным выглядзе яны прадстаўлены кожным з чатырох тыпаў залежных крыніц, якія выкарыстоўваюцца ў лінейным аналізе, як паказана на малюнку, а менавіта: Уваход Выхад Залежная крыніца Тып узмацняльніка Адзінка узмацнення I I Крыніца току з кіраваным токам, CCCS Узмацняльнік току Каэфіцыент I V Крыніца напружання з кіраваннем токам, CCVS Узмацняльнік напружання, кіраваны токам Ом V I Крыніца току з кіраваннем напругай, VCCSУзмацняльнік току, кіраваны напругай СіменсVV Крыніца напружання з кіраваннем напругай, VCVS Узмацняльнік напружання Каэфіцыент Кожны тып узмацняльніка ў ідэале мае ідэальнае ўваходнае і выходнае супраціўленне, аднолькавае з супраціўленнем адпаведнай залежнай крыніцы:Гэтая табліца ўзята з «Zwicky box». Глядзі Fritz Zwicky. Тып узмацняльніка Залежная крыніца Уваходнае супраціўленне Выхадное супрацiўленне Ток CCCS 0 ∞ Трансрэзістэнцыя CCVS 0 0 Трансдуктыўнасць VCCS ∞ ∞ Напружанне VCVS ∞ 0 У рэальных узмацняльніках немагчыма дасягнуць ідэальных імпедансаў. Гэтыя ідэальныя элементы можна выкарыстоўваць для пабудовы эквівалентных ланцугоў рэальных узмацняльнікаў, дадаючы на ўваход і выхад імпедансы — супраціўленне, ёмістасць і індуктыўнасць. Для канкрэтнай схемы ўжываецца аналіз малога сігналу, каб знайсці фактычнае супраціўленне. Малы сігнал выпрабавальнага пераменнага току I x прыкладаецца да ўваходнага або выхаднога вузла, усе знешнія крыніцы маюць нуль пераменнага току, і адпаведнае пераменнае напружанне V x на крыніцы выпрабавальнага току вызначае імпеданс на гэтым вузле як R = V х / I х.

Узмацняльнікі, прызначаныя для падлучэння да лініі перадачы на ўваходзе і на выхадзе, асабліва ўзмацняльнікі ВЧ, не ўпісваюцца ў гэты падыход. Замест таго, каб мець справу з напругай ці токам паасобку, яны ў ідэале спалучаюцца з уваходным і выходным імпедансам, адпаведным імпедансу лініі электраперадачы, гэта значыць адпавядаюць суадносінам напружання і току. Шмат сапраўдных узмацняльнікаў ВЧ больш блізкія да гэтай мадэлі. Для дадзеных адпаведных імпедансу крыніцы і нагрузкі радыёчастотны ўзмацняльнік можна ахарактарызаваць як узмацняльнік напружання або току, аднак па сутнасці радыёчастотны ўзмацняльнік ўзмацняе магутнасць.

Уласцівасці Ўласцівасці ўзмацняльніка задаюцца параметрамі, якія ўключаюць:

Каэфіцыент узмацнення, суадносіны паміж велічынёй выходных і ўваходных сігналаў Шырыня карыснага дыяпазону частот Эфектыўнасць, суадносіны магутнасці на выхадзе і агульнай спажыванай магутнасці Лінейнасць, ступень, у якой прапорцыя паміж уваходнай і выходнай амплітудай аднолькавая для ўводнага сігналу з высокай і нізкай амплітудай Шум, мера непажаданага змянення выходнага сігналу ад чаканага Выхадны дынамічны дыяпазон, суадносіны найбольшага і найменшага карысных узроўняў выхаду Хуткасць росту, максімальная хуткасць змены узроўня выхаду Час нарастання, час усталявання, нераўнамернасць вяршыні імпульсу, якія характарызуюць водгук на прыступкавідны сігнал і апісваюць пераходную характарыстыку Устойлівасць, здольнасць пазбягаць самаўзбуджэння