Forstærker (elektroteknik)

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

En forstærker er en elektronisk samling med mindst en aktiv komponent (normalt en transistor , en integreret operationsforstærker , lejlighedsvis også et rør ), som behandler et indgående analogt signal på en sådan måde, at outputvariablen er større end inputvariablen. Outputtet skal normalt være i stand til at levere mere strøm end input forbruger. Den ekstra effekt tages fra en energikilde, f.eks. B. et batteri eller en strømforsyning . Der er forstærkere til jævnstrøm eller jævnstrøm samt til vekselstrøm eller vekselstrøm .

Den væsentlige egenskab er normalt lineariteten : En fordobling af inputvariablen skal føre til en fordobling af outputvariablen. Afvigelser i linearitet er normalt uønskede og omtales som forvrængninger . Kombinationsfrekvenser genereres derefter også, som ikke er indeholdt i indgangssignalet og forårsager lydforvrængninger i lydforstærkere . Til specielle opgaver, i stedet for den lineære opførsel, for eksempel en logaritmisk eller kvadratrod eller adfærd indrettet til fonetisk korrekte volumen kan være passende.

Lille signalforstærker med bipolar transistor i fælles emitterkredsløb med negativ strømfeedback. Input- og outputvariablerne er skiftevis spænding. Spændingsforstærkning v = Ua / Ue
Lille signalforstærker med operationsforstærker. Input og output variabler er direkte eller skiftevis spænding.

Oversigt

Et signal, der indføres fra en ekstern kilde, formes af en forstærker på en sådan måde, at indgangssignalets tidsforløb simuleres - kun med højere effekt. Dette kan klart sammenlignes med forstørrelsesfunktionen på en kopimaskine - dette forstørrer heller ikke originalen, men skaber kun et større billede. En forstærker skaber således et "stærkere billede" af et svagt indgangssignal ved i det væsentlige at fungere som en elektrisk styrbar modstand : Med et lavt indgangssignal modsætter den sig spændingen fra energikilden med en høj modstand, så den er relativt stærkt svækket; med et højere indgangssignal repræsenterer det en lavere modstand, så energien kan flyde relativt uhindret.

Der skelnes mellem en spændingsforstærkning et U og en strømforstærkning a I , sidstnævnte kaldes også en buffer, fordi spændingen i indgangen er lig med spændingen i udgangen. I tilfælde af dæmpning, en negativ forstærkning, bliver en U mindre end 1 eller mindre end 0 dB (v), hvilket karakteriserer et filter, hvor visse frekvensområder dæmpes. Et typisk eksempel: lydindstillingen for lydforforstærkeren.

Forstærkning i lavfrekvensområdet betyder f.eks.: Lavspændingen på et par millivolt, som en mikrofon leverer, øges til et par volt med en lille signalforstærker. For at betjene en højttaler har du brug for et tilsvarende udgangstrin , som kan forstærke den lydfrekvensspænding, der tilbydes til den krævede værdi, og som en stor signalforstærker også kan levere tilstrækkelig strøm.

Eksempelvis betyder forstærkning i højfrekvensområdet : I modtageren øges en meget lav spænding på blot et par mikrovolt, der kommer fra antennen, en million gange i flere trin, hvor et frekvensvalg normalt foretages ved på samme tid ved hjælp af resonans kredsløb . I transmissionssystemer øges en oscillators lave effekt i flere forstærkerfaser til op til et par tusinde watt og udsendes via antenner. Den specifikke ydelse afhænger af det respektive transmissionssystems type og formål.

Spændingsfølere øger ikke spændingen, men strømmen, hvorved indgangsspændingen næppe belastes. Udgangsspændingen er omtrent lig med indgangsspændingen, den "følger" indgangsspændingen. Spændingsfølere bruges i effektforstærkere, i elektretmikrofoner og som elektrometerforstærkere .

Endvidere skelnes der imellem

  • Bredbåndsforstærkere med et bredt transmissionsområde , f.eks. B. Videoforstærker med et transmissionsområde fra 0 til 100 MHz.
  • Selektive forstærkere med et snævert transmissionsområde, f.eks. B. FM IF forstærker af FM heterodyne -modtager med et transmissionsområde på 10,6 til 10,8 MHz.

Afgrænsning

Skifteforstærkere har kun to tilstande og diskuteres ikke yderligere i denne artikel. En væsentlig egenskab er, at du kan tænde og slukke en for det meste betydeligt større strøm (eller spænding) med lav effekt. Dette er ofte også forbundet med en potentiel adskillelse, f.eks. B. når netspændinger skiftes.

Skifteforstærkere kan implementeres med aktive elektroniske komponenter ( transistorer , thyristorer , triacs , halvlederrelæer ) eller med mekaniske relæer . I modsætning til analoge forstærkere har de ofte positiv feedback , hvilket forårsager hystereseadfærd . De fungerer derefter som en tærskelkontakt , især for at undgå upræcis skifteadfærd og for at fjerne forstyrrende signaler.

Komponenter

Forstærker af et hi-fi-system, åbent hus, toroidformet transformator øverst til højre, køleplade med transistorer og kølespor til venstre

Den egentlige forstærkende komponent i forstærkere er en såkaldt aktiv elektronisk komponent . Dette omfatter transistorer og elektronrør , men også transducere (magnetiske forstærkere). Maser , IMPATT-dioder eller tunneldioder bruges også i højfrekvent teknologi . I nogle få tilfælde bruges SQUID'er også som særligt støjsvage forstærkere inden for måleteknologi. Disse komponenter er kendetegnet ved styrbarheden af ​​en stor udgangsstrøm eller en stor udgangsspænding / effekt med et mindre indgangssignal.

Ud over disse aktive komponenter kræver en forstærker også et stort antal passive komponenter, som blandt andet bruges til at levere energi, stabilisere parametrene, matche impedans eller give beskyttelse. Disse omfatter modstande , kondensatorer , transformere eller sendere og dioder .

Diskrete transistorforstærkere erstattes i stigende grad af operationsforstærkere og integrerede effektforstærkere, som indeholder næsten hele forstærkerkredsløbet og kun kræver få eksterne komponenter til drift.

Klassificering af lydforstærkere

Skematisk diagram af en fuldbroforstærker

Forstærkningen inden for det bredest mulige frekvensområde, som er kendetegnet ved den nedre og øvre grænsefrekvens , bør være konstant. Der skelnes mellem følgende driftstilstande eller forstærkerklasser:

Strømforbrug af forskellige (ideelle) push-pull effektforstærkere
Effektivitet af forskellige (ideelle) push-pull effektforstærkere
  • Enkeltforstærker klasse A : En aktiv komponent leder altid, strømmen styres. Anvendes i forforstærkere såvel som i rørforstærkere til guitarforstærkere. Ulempen er den lave teoretiske effektivitet ved fuld modulering på 6,25% (ohmsk modstand i den ikke-aktive gren) eller 25% (spole / transformer eller konstant strømkilde i den ikke-aktive gren) [1] .
  • Klasse A push-pull forstærker : Der er to aktive komponenter, som begge altid er ledende. Anvendelse i transformerløse effektforstærkere. Den maksimale teoretiske effektivitet ved fuld effekt er 50%.
  • Push-pull forstærker klasse B : to aktive komponenter arbejder skiftevis i et push-pull kredsløb ( push-pull ). Teoretisk effektivitet på fuldt niveau: 78,5%. På grund af de høje ikke-lineariteter i overgangsområdet bruges denne variant kun i undtagelsestilfælde. [2]
  • Push-pull forstærker klasse AB : to aktive komponenter arbejder skiftevis i et push-pull kredsløb ( push-pull ). Teoretisk effektivitet ved fuld output: 50%... 78,5%. [3]
  • I en fuld bro forstærker, to push-pull forstærkere modarbejder hinanden på en af de load-forbindelser. Højttaleren danner en "bro" mellem de to forstærkere. De bruges, når den højest mulige output skal opnås ved en given belastningsimpedans og med en given forsyningsspænding (f.eks. Bilradioer). [4]
Kredsløbsdiagram for klasse E forstærkere
  • Klasse C -forstærkere : Disse forstærkere fungerer med en enkelt aktiv komponent og bruges f.eks. I RF -teknologi (som effektforstærkere). De kan ikke bruges til alle moduleringsmetoder . Klasse C-forstærkere er ekstremt ikke-lineære, men tilbyder høj effektivitet. De bruges derfor ofte til at forstærke signaler ved transmissionsantenner. [5]
  • Klasse D -forstærkere : Analoge effektforstærkere kan også bygges ved hjælp af switchforstærkere. Et analogt signal konverteres til et pulsbreddemoduleret koblingssignal med en PWM- modulator , som tænder og slukker høj effekt ved en høj frekvens. En low-pass filter fjerner de uønskede skifte frekvenskomponenter og rekonstruerer den ønskede tid-kontinuerlig nyttigt signal. Denne metode er kendt som et digitalt udgangstrin for lydforstærkere, hvis effektivitet er betydeligt højere end klasse AB og klasse B -forstærkere. De bruges derfor i højtydende lydforstærkere og i stigende grad også i små batteridrevne enheder. Teoretisk effektivitet uafhængig af moduleringen: 100%. [6]
  • Klasse E forstærkere kombinerer elementer fra klasse D og klasse C forstærkere til en forstærker med den højeste effektivitet. I disse fungerer et koblingstrin på et resonanskredsløb, hvis spænding når belastningen via et lavpasfilter. Omskiftningstrinnet lukker altid, når resonanskredsløbet har nået nul , hvilket reducerer koblingstab og interferens sammenlignet med klasse D -forstærkere. Denne type anvendelse er i smalbånds højfrekvente forstærkere. [7]

Funktionelt eksempel

Små signalbredbåndsforstærker med bipolar transistor i fælles emitterkredsløb med negativ strømfeedback
Selektiv forstærker til omkring 3 MHz
Afhængighed af forstærkningen på excitationsfrekvensen og dæmpningen af ​​resonanskredsløbet

Funktionen af ​​en forstærker er beskrevet nedenfor ved hjælp af eksemplet på et transistorforstærkerstrin med lille signal.

Forstærkningen af ​​en transistor er særlig høj i emitterkredsløbet, og - hvis der ikke kræves nogen høj effekt - er en kollektorstrøm på omkring 1 mA tilstrækkelig til A -drift. Med nuværende negativ feedback er det muligt at sikre, at det valgte driftspunkt overholdes, selvom der er variationer i transistorparametrene, og at det er næsten uafhængigt af temperaturen. Til dette formål bør spændingsfaldet ved 1 kΩ modstanden mellem emitter og jord (dette er de laveste symboler, der er forbundet til 0 V) ​​være omkring 1 V, fordi U BE kan - afhængig af model og temperatur - være omkring 0,06 V. variere.

På billedet er grundspændingen indstillet til med en spændingsdeler

Krydsstrømmen I q for spændingsdeleren skal være stor i forhold til basisstrømmen I B. Dette krav er opfyldt, fordi I C / I B ≥ 100 gælder for konventionelle transistorer. U BE = 0,6 V gælder for silicium transistorer, hvorfor der er omkring 1,5 V ved emittermodstanden og 1,5 mA samler aktuelle strømme.

Spændingen på et par millivolt, der skal forstærkes, ledes til basen via en kondensator med lav impedans og tappes på kollektoren med en øget amplitude .

Det tilstødende øvre kredsløb forstærker alle frekvenser mellem ca. 150 Hz og 20 MHz uden forskel, den nedre kun et snævert område. Sammenligningen af ​​billederne viser, at dette primært bestemmes af typen af ​​kollektormodstand:

  • I kredsløbet ovenfor er det frekvensuafhængig og skal vælges således, at samleren spænding kan svinge så symmetrisk som muligt omkring gennemsnitsværdien (her cirka. 5 V) uden klipning og dermed forårsager forvrængning. Frekvensområdet er begrænset nedad af koblingskapacitanserne ved input og output og opad af transistoren og koblingskapacitanserne.
  • I kredsløbet nedenfor forstærkes kun et snævert område omkring resonansfrekvensen ω 0 i resonanskredsløbet. Kun her er det parallelle resonanskredsløb så højt, at der kan forventes tilstrækkelig forstærkning. Ved lavere frekvenser fungerer spolen som en kortslutning, ved højere frekvenser kondensatoren. Forstærkningsfaktor og båndbredde afhænger af kvalitetsfaktoren for resonanskredsløbet.

Begge forstærkere tilbageføres med jævnstrøm med emittermodstanden 1 kΩ, hvilket sikrer et stabilt driftspunkt for transistoren. Forudsat at U BE falder med 40 mV på grund af temperaturen, stiger spændingen ved emittermodstanden til 1,54 V, og den planlagte kollektorstrøm stiger så lidt, at der ikke er nogen signifikant effekt på forstærkning eller harmonisk forvrængning. Uden denne negative feedback kunne driftspunktet nå mætningsområdet, hvor begge ændrer sig drastisk.

Denne ønskede og nødvendige jævnstrøm negative feedback reducerer også forstærkningsfaktoren for vekselstrøm i kredsløbet ovenfor til den meget lave værdi på 4,7, hvilket skyldes kvotienten af ​​kollektoren og emittermodstanden. Dette kan undgås ved at forbinde 100 Ω og 10 μF i serie parallelt. Kondensatoren bestemmer nu den nedre grænsefrekvens . Hvis kondensatorens impedans er tilstrækkelig lav (i det øvre kredsløb f.eks. Ved frekvenser i kHz -området), beregnes forstærkningen nu ud fra kvotienten for kollektormodstanden og emittermodstanden, der er effektiv til vekselstrøm (parallelforbindelse 1 kOhm og 100 Ohm) og stiger til værdien 4700/91 = 52.

Hvis du undviger 100 Ω modstanden og tilslutter 10 μF kondensatoren direkte fra emitteren til jorden, stiger forstærkningen ikke på ubestemt tid, men til omkring 200 - dette er begrænset af interne effekter i transistoren. Til gengæld er der dog hørbare forvrængninger, da transistorens ikke-lineære karakteristik ikke længere er lineariseret af negativ feedback .

Parametre for analoge forstærkere

Effekten ved forstærkernes output spænder fra et par μW i høreapparater til flere hundrede kilowatt i outputfaser af amplitude-modulerede radiosendere på mellem- og kortbølge. Forstærkere er specificeret for en bestemt belastningsimpedans (4 ... 8 ohm for lydforstærkere) eller, i tilfælde af switchforstærkere, for en maksimal udgangsstrøm og en maksimal udgangsspænding.

Forstærkningsfaktoren (kort sagt: forstærkningen) angiver forholdet mellem input- og outputvariablerne (spænding, strøm eller effekt). Det er givet med en faktor eller logaritmisk (i decibel ).

Signal-støj-forhold

Forstyrrelser ved forstærkning af analoge signaler er støj (se også: signal-til-støj-forhold ) samt eksterne spændinger såsom rester af den leverende vekselstrøm. De beskrives ved signal-støjforholdet eller det eksterne spændingsforhold og er normalt angivet i decibel i forhold til forstærkerens fulde niveau .

Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) beskriver blandt andet forstærkerens følsomhed over for eksterne elektromagnetiske felter (f.eks. Fra radiosendere, skiftende gnister eller mobiltelefoner).

Forvridninger

Der skelnes mellem lineære og ikke-lineære forvrængninger.

  • Lineære forvrængninger vedrører forstærkningens frekvensafhængighed og de tilhørende fasevinkelafvigelser. Med musik justeres forstærkningen ofte forsætligt til den individuelle smag ved hjælp af tonekontroller . Lineær forvrængning kan genkendes ved, at når flere frekvenser forstærkes på samme tid, opstår der ingen nye kombinationsfrekvenser, der ikke er indeholdt i det originale signal.
  • Ikke -lineær forvrængning opstår, når udgangsspændingen ikke ændres proportionalt med indgangsspændingen, f.eks. Ved overkørsel . Derefter taler man om forstærkerens forvrængningsfaktor , som genereres af den utilstrækkelige amplitude -linearitet . Der forekommer altid nye frekvenser, der ikke er inkluderet i det originale signal. Hvis forstærkeren fodres med en enkelt frekvens, kaldes de nyoprettede frekvenskomponenter for harmoniske . Hvis flere frekvenser fodres på samme tid (frekvens blanding), intermodulationsprodukterne forvridninger altid føre til kombination frekvenser, f.eks summen eller differencen af de oprindelige frekvenser. Dette er ønskeligt med en mixer eller guitarforstærker , med en hi-fi forstærker er det mangel på kvalitet.

I tilfælde af klasse D -forstærkere forekommer der også kvantiseringsfejl . Desuden kan der i overensstemmelse med Nyquist-Shannon-prøvetagningssætningen også opstå fejl på grund af utilstrækkelig prøveudtagning eller arbejdsfrekvens ( aliasing , sub-harmoniske).

Overfør forvrængning i nulkrydsningsområdet i et klasse B -forstærkerstadium

Ikke-lineær forvrængning opstår i tilfælde af overdrive (overstiger den maksimale amplitude af udgangsspændingen) eller i tilfælde af klasse B-forstærkere på grund af såkaldt overførselsforvrængning. Disse er forårsaget af utilstrækkelig hurtig strømoverførsel af de to skiftevis ledende udgangstrin.

Særligt høje krav stilles til måling og lydforstærkere med hensyn til signal-til- støj og signal-til-støj-forhold, stabilitet og frekvensrespons .

Lydforstærkere skal ikke kun sikre et stort frekvensområde , som bør omfatte det hørbare område , et lineært frekvensrespons og lav forvrængning ( THD ) af signalet, men også den mindst mulige interne modstand , en kort stigningstid , impulsfidelitet og kanal adskillelse . Emnet for høre-korrekt lydstyrke behandles i Psychoacoustics .

Negativ feedback

Negativ feedback er tilbagemeldingen i fase af en del af udgangssignalet til forstærkerens input med det formål at reducere forstærkningen. Ulempen ved den reducerede udgangseffekt kan let kompenseres for med yderligere forstærker -trin. Fordelene kan ikke opnås på anden måde:

  • Arbejdspunktet er stabiliseret og påvirkes næppe af fremstillingstolerancer, temperaturændringer osv. Negativ kobling har også bevist sig inden for andre teknologiske områder .
  • Forstærkerforvrængning kan kun reduceres ved negativ feedback.

Der er to forskellige tilgange:

  • Med negativ spændingsfeedback trækkes en brøkdel af udgangsspændingen fra indgangsspændingen, og kun forskellen forstærkes. Konsekvens: Med stigende negativ feedback falder forstærkerens outputmodstand (også kaldet kildemodstand eller intern modstand) (elektrisk adfærd for en konstant spændingskilde). Med lydforstærkere dæmpes den uønskede naturlige resonans af højttalerne kraftigt.
  • Med nuværende negativ feedback strømmer udgangsstrømmen gennem en modstand med en forholdsvis lav værdi (gennem belastningsmodstanden), hvor den nødvendige negative feedback -spænding kan tappes. I dette tilfælde øges outputmodstanden (en elektrisk adfærd øges med stigende negativ feedback konstant strømkilde ). Denne bivirkning er ønskelig med selektive forstærkere, fordi den øger kvalitetsfaktoren for de tilsluttede resonanskredsløb.

En stærk negativ feedback kræver et større antal forstærker -trin på grund af den reducerede forstærkning. Fordi elektronrør er betydeligt dyrere (~ 10 € hver) og mere voluminøse end transistorer (~ 0,1 € for enkelte transistorer, ~ 0,001 € i driftsforstærkere ), bruges negativ feedback sparsomt i rørforstærkere, og den dårlige trofasthed accepteres. Derudover genererer udgangstransformatoren faseforskydninger i nærheden af ​​de naturlige resonanser af dets viklinger, hvilket kan omdanne den negative feedback til en meget forstyrrende positiv feedback.

Halvlederteknologi, med sine mindre dimensioner og komponentpriser samt evnen til at blive integreret, giver mulighed for ekstremt at øge sløjfeforstærkningen (f.eks. I driftsforstærkere ) og for at opnå en linearisering af fremragende kvalitet med meget høje negative feedbackfaktorer.

Negativ feedback kan imidlertid påvirke frekvensområdet og tidsresponsen af ​​en forstærker negativt: Hvis en puls (engangsprocess, muligvis stejlkantet proces) når indgangen til en forstærker, vises udgangssignalet først efter et bestemt tidspunkt; det negative feedback -signal når input endnu senere. I denne periode har den negative feedback ingen effekt, sløjfen er "åben". Dette fører, især ved høje negative feedbackfaktorer og utilstrækkeligt kredsløbsdesign til transiente signalvariationer (såkaldte "Overshoots" eller transient), og dette indtil udgangssignalet falder til ro (engl. Settling). Disse afvigelser er større, jo tættere forstærkeren arbejder på dens ustabilitetsgrænse . Belastningen påvirker også faseadfærden, hvorfor lydforstærkere er særlig påvirket, da højttalerbokse, der drives på dem, har en meget frekvensafhængig impedanskurve.

Elektronrør- og transistorforstærkere adskiller sig både i forholdet mellem lige og ulige harmoniske (forvrængningsspektrum) og i de forbigående forvrængninger. Rørforstærkere er kendetegnet ved en blødere brug af overdrive -forvrængning ( blødt klipning ), men den højere kildemodstand sammenlignet med transistorforstærkere fører til dårligere impulstrohed, fordi højttalerens naturlige resonanser næppe svækkes. Med sin uundgåelige lækageinduktans sikrer outputtransformatoren en lav båndbredde.

Lydtransistorforstærkere har derimod mere ubehagelige forvrængninger, når de overbelastes. Overførselsforvridninger kan undgås ved at øge hvilestrømmen og tilstrækkeligt hurtige transistorer.

Anvendelsesområder

Forstærker af et hi-fi-system

Forstærkere bruges inden for næsten alle områder inden for elektroteknik og elektronik.

Eksempler er kommunikationsteknologi , underholdningselektronik ( effektudstyr , elektroniske musikinstrumenter , synthesizere , lydforstærkere , mikrofonforstærkere), måleforstærkere, forstærkere til styring af aktuatorer ( motorer , piezo -elementer , trækmagneter). I kommunikationsteknologi kaldes de også repeatere .

harddiske og båndoptagere fungerer forstærkere med magnetiske hoveder, når de læser og skriver. I fiberoptiske netværk og cd- og dvd -afspillere kræves elektriske forstærkere for at betjene laserdioder og forstærke signalerne fra fotodioder .

CD- og DVD -drev har også analoge forstærkere til at betjene galvanometer -drevene til at styre placeringen af ​​det optiske hoved til læsning / brænding.

Mobiltelefoner , radioer , satellitter, og broadcast sendere kræver højfrekvente forstærkere til at sende og modtage radiobølger .

Skifteforstærkere fungerer z. B. at betjene signallamperne og vinduesløfterne i motorkøretøjer eller i impulskredsløb og trykknapkredsløb . De driver trækmagneter og magnetventiler i automatiseringssystemer og maskiner.

Se også

Teknologier

Grundlæggende kredsløb

Ansøgninger

litteratur

  • Jean Pütz: Introduktion til elektronik , vgs, 3. udgave 1972, kapitel Transistoren i forstærkerbetjening

Weblinks

Commons : Elektroniske forstærkere - samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. Grundlæggende om forstærker i klasse A
  2. Grundlæggende om forstærker i klasse B
  3. Grundlæggende om klasse AB -forstærker
  4. Grundlæggende forstærker broforstærker
  5. Grundlæggende forstærker Klasse C
  6. Grundlæggende om forstærker i klasse D
  7. Stefan Fäh, Andreas Ranalder: Klasse E -forstærker. (Bacheloropgave), University of Applied Sciences Northwestern Switzerland , University of Technology , EIT -kursus, side 12–13, 19. august 2011. PDF online ( Memento af originalen fra 12. januar 2016 i internetarkivet ) Info: Arkivlinket blev indsat automatisk og er endnu ikke kontrolleret. Kontroller det originale og arkivlink i henhold til instruktionerne, og fjern derefter denne meddelelse. @ 1 @ 2 Skabelon: Webachiv / IABot / web.fhnw.ch , åbnet den 14. januar 2016.