Forstå forsterkerkretser

Generelt kan en forsterker defineres som en krets designet for å øke et påført inngangssignal med lav effekt til et høyt utgangssignal, i henhold til spesifisert vurdering av komponentene.

Selv om den grunnleggende funksjonen forblir den samme, kan forsterkerne klassifiseres i forskjellige kategorier, avhengig av design og konfigurasjoner.

Kretser for å forsterke logiske innganger

Du har kanskje kommet over enkle transistorforsterkere som er konfigurert til å betjene og forsterke en lavsignalogikk fra en inngangssensor som f.eks. LDR-er, fotodioder , IR-enheter. Utgangen fra disse forsterkerne brukes deretter til å bytte a flip flop eller et relé PÅ / AV som svar på signalene fra sensorenhetene.

Du har kanskje også sett små forsterkere som brukes til å forforsterke en musikk- eller lydinngang, eller for å betjene en LED-lampe.
Alle disse små forsterkere er kategorisert som små signalforsterkere.

Typer forsterkere

Primært er forsterkerkretser innarbeidet for å forsterke en musikkfrekvens slik at den matede lille musikkinngangen forsterkes i mange bretter, vanligvis 100 ganger til 1000 ganger og reproduseres over en høyttaler.

Avhengig av effekt eller effekt, kan slike kretser ha design fra små opamp-baserte små signalforsterkere til store signalforsterkere som også kalles effektforsterkere. Disse forsterkerne er teknisk klassifisert basert på deres arbeidsprinsipper, kretstrinn og måten å som de kan være konfigurert til å behandle forsterkningsfunksjonen.

Følgende tabell gir oss klassifiseringsdetaljer for forsterkere basert på deres tekniske spesifikasjoner og driftsprinsipp:

I en grunnleggende forsterkerdesign finner vi at den for det meste inkluderer noen få trinn som har nettverk av bipolare transistorer eller BJT, felteffekttransistorer (FET) eller operasjonsforsterkere.

Slike forsterkerblokker eller moduler kan sees med et par terminaler for å mate inngangssignalet, og et annet par terminaler ved utgangen for å motta det forsterkede signalet over en tilkoblet høyttaler.

En av terminalene ut av disse to er jordterminalene og kan sees på som en felles linje over inngangs- og utgangstrinnene.

Tre egenskaper til en forsterker

De tre viktige egenskapene som en ideell forsterker burde ha er:

• Inngangsmotstand (Rin)
• Utgangsbestandighet (Rout)
• Gain (A) som er forsterkningsområdet til forsterkeren.

Forstå en ideell forsterker som fungerer

Forskjellen i det forsterkede signalet mellom utgangen og inngangen betegnes som forsterkeren til forsterkeren. Det er størrelsen eller mengden som forsterkeren er i stand til å forsterke inngangssignalet over utgangsterminalene.

Ta for eksempel, hvis en forsterker er vurdert for å behandle et inngangssignal på 1 volt til et forsterket signal på 50 volt, vil vi si at forsterkeren har en forsterkning på 50, det er så enkelt som det.
Denne forbedringen av et lavt inngangssignal til et høyere utgangssignal kalles gevinst av en forsterker. Alternativt kan dette forstås som en økning av inngangssignalet med en faktor på 50.

Gevinstforhold Dermed er forsterkningen til en forsterker i utgangspunktet forholdet mellom utgangs- og inngangsverdiene til signalnivåene, eller rett og slett utgangseffekten delt på inngangseffekten, og tilskrives bokstaven 'A' som også betyr forsterkningseffekten til forsterkeren.

Typer forsterkergevinster De forskjellige typer forsterkningsgevinster kan klassifiseres som:

1. Spenningsforsterkning (av)
2. Nåværende gevinst (Ai)
3. Power Gain (Ap)

Eksempelformler for beregning av forsterkergevinster Avhengig av de ovennevnte 3 gevinsttyper, kan formlene for beregning av disse læres fra følgende eksempler:

1. Spenningsforsterkning (Av) = Utgangsspenning / Inngangsspenning = Vout / Vin
2. Strømforsterkning (Ai) = Utgangsstrøm / Inngangsstrøm = Iout / Iin
3. Power Gain (Ap) = Av.x.A Jeg

Alternativt kan du bruke formelen for å beregne kraftforsterkning:
Power Gain (Ap) = Utgangseffekt / Inngangseffekt = Aout / Ain

Det ville være viktig å merke seg at abonnementet p, v, i brukes til å beregne effekt, er tildelt for å identifisere den spesifikke typen signalforsterkning som det jobbes med.

Uttrykker desibel

Du finner en annen metode for å uttrykke kraftforsterkningen til en forsterker, som er i desibel eller (dB).
Tiltaket eller mengden Bel (B) er en logaritmisk enhet (Base 10) som ikke har en måleenhet.
Imidlertid kan en Decibel være for stor enhet for praktisk bruk, derfor bruker vi senket versjon decibel (dB) for forsterkerberegninger.
Her er noen formler som kan brukes til å måle forsterkerforsterkningen i desibel:

1. Spenningsøkning i dB: av = 20 * logg (Av)
2. Gjeldende gevinst i dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Effektforsterkning i dB: ap = 10 * log (Ap)

Noen fakta om dB-måling
Det ville være viktig å merke seg at en forsterkeres likestrømforsterkning er 10 ganger den vanlige loggen for utgangs- / inngangsforholdet, mens gevinstene for strøm og spenning er 20 ganger den vanlige loggen for deres forhold.

Dette innebærer at fordi en loggskala er involvert, kan en 20dB forsterkning ikke anses som to ganger på 10dB, på grunn av den ikke-lineære målekarakteristikken til log-skalaer.

Når forsterkning måles i dB, betyr positive verdier forsterkning av forsterkeren mens en negativ dB-verdi indikerer tap av forsterkerens forsterkning.

For eksempel hvis en + 3dB forsterkning blir identifisert, indikerer den en 2 ganger eller x2 forsterkning av den spesifikke forsterkerutgangen.

Omvendt, hvis resultatet er -3dB, indikerer det at forsterkeren har et tap på 50% forsterkning eller et x0,5 mål på tap i sin forsterkning. Dette blir også referert til som et halvt effektpunkt som betyr -3dB lavere enn den maksimale oppnåelige effekten, med hensyn til 0dB som er den maksimale mulige utgangen fra forsterkeren.

Beregning av forsterkere

Beregn spenning, strøm og effektforsterkning til en forsterker med følgende spesifikasjoner: Inngangssignal = 10mV @ 1mA Utgangssignal = 1V @ 10mA.Finn ut forsterkningens forsterkning ved hjelp av desibel (dB) -verdier.

Løsning:

Ved å bruke formlene som er lært ovenfor, kan vi evaluere de forskjellige typene gevinster knyttet til forsterkeren i henhold til spesifikasjonene for inngangsutgang i hånden:

Spenningsforsterkning (Av) = Utgangsspenning / Inngangsspenning = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Strømforsterkning (Ai) = Utgangsstrøm / Inngangsstrøm = Iout / Iin = 10/1 = 10
Kraftforsterkning (Ap) = Av. x A Jeg = 100 x 10 = 1000

For å få resultatene i desibel bruker vi de tilsvarende formlene som gitt nedenfor:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Forsterker Underinndelinger

Små signalforsterkere: Med hensyn til effekt- og spenningsforsterkningsspesifikasjonene til en forsterker, blir det mulig for oss å dele dem et par forskjellige kategorier.

Den første typen er referert til som den lille signalforsterkeren. Disse små signalforsterkerne brukes vanligvis i forforsterkerfaser, instrumentasjonsforsterkere etc.

Disse forsterkerne er laget for å håndtere små signalnivåer ved inngangene, innenfor rekkevidden til noen mikrovolter, for eksempel fra sensorenheter eller små lydsignalinnganger.

Store signalforsterkere: Den andre typen forsterkere er navngitt som store signalforsterkere, og som navnet antyder, brukes disse i effektforsterkerapplikasjoner for å oppnå store forsterkningsområder. I disse forsterkerne er inngangssignalet relativt større, slik at de kan forsterkes vesentlig for å reprodusere og føre dem til kraftige høyttalere.

Hvordan effektforsterkere fungerer

Siden små signalforsterkere er designet for å behandle små inngangsspenninger, blir disse referert til som små signalforsterkere. Men når det kreves at en forsterker arbeider med høye bryterstrømapplikasjoner på utgangene, som å betjene en motor eller bruke subwoofere, blir en effektforsterker uunngåelig.

Mest populært er effektforsterkere brukt som lydforsterkere for å kjøre store høyttalere og for å oppnå enorme musikknivåforsterkninger og volumutganger.

Effektforsterker krever ekstern likestrøm for å fungere, og denne likestrømmen brukes til å oppnå den tiltenkte høyeffektsforsterkningen ved utgangen. DC-strømmen blir vanligvis avledet gjennom høyspent strømforsyninger gjennom transformatorer eller SMPS-baserte enheter.

Selv om forsterkere er i stand til å øke det lavere inngangssignalet til høysignaler, er prosedyren faktisk ikke veldig effektiv. Det er fordi i prosessen en betydelig mengde likestrøm blir kastet bort i form av varmespredning.

Vi vet at en ideell forsterker vil produsere en utgang nesten lik strømforbruket, noe som resulterer i en effektivitet på 100%. Imidlertid ser dette praktisk talt ganske fjernt ut og er kanskje ikke mulig på grunn av iboende likestrømstap fra kraftenhetene i form av varme.

Effektiviteten til en forsterker Fra ovenstående betraktninger kan vi uttrykke effektiviteten til en forsterker som:

Effektivitet = Forsterker Effektutgang / Forsterker DC-forbruk = Pout / Pin

Ideell forsterker

Med henvisning til ovennevnte diskusjon kan det være mulig for oss å skissere angående hovedegenskapene til en ideell forsterker. De er spesifikt som forklart nedenfor:

Forsterkningen (A) til en ideell forsterker skal være konstant uavhengig av et varierende inngangssignal.

1. Forsterkningen forblir konstant uavhengig av frekvensen til inngangssignalet, slik at utgangsforsterkningen forblir upåvirket.
2. Forsterkerens utgang er fri for støy under forsterkningsprosessen, tvert imot inneholder den en støyreduksjonsfunksjon som avbryter mulig støy introdusert gjennom inngangskilden.
3. Det forblir upåvirket av endringene i omgivelsestemperaturen eller atmosfæretemperaturen.
4. Lang tids bruk har minimal eller ingen effekt på forsterkerens ytelse, og den forblir konsistent.

Elektronisk forsterkerklassifisering

Enten det er en spenningsforsterker eller en effektforsterker, klassifiseres disse basert på deres inngangs- og utgangssignalegenskaper. Dette gjøres ved å analysere strømmen i forhold til inngangssignal og den tid det tar for å nå utgangen.

Basert på kretskonfigurasjonen, kan forsterkere kategoriseres i alfabetisk rekkefølge. De er tildelt forskjellige operasjonelle klasser som:

Klasse 'A'
Klasse 'B'
Klasse 'C'
Klasse 'AB' og så videre.

Disse kan ha egenskaper som spenner fra nesten lineær utgangssvar, men ganske lav effektivitet til en ikke-lineær utgangssvar med høy effektivitet.

Ingen av disse klassene av forsterkere kan skilles ut som dårligere eller bedre enn hverandre, siden hver har sitt eget spesifikke bruksområde, avhengig av behovet.

Du kan finne optimal konverteringseffektivitet for hver av disse, og deres popularitet kan identifiseres i følgende rekkefølge:

Klasse 'A' forsterkere: Effektiviteten er lavere, vanligvis mindre enn 40%, men kan vise forbedret lineær signalutgang.

Klasse 'B' forsterkere: Effektivitetsgraden kan være dobbelt så høy som for klasse A, praktisk talt rundt 70%, på grunn av at bare de aktive enhetene på forsterkeren bruker strøm, og forårsaker bare 50% strømforbruk.

Klasse 'AB'-forsterkere: Forsterkere i denne kategorien har effektivitetsnivå et sted mellom klasse A og klasse B, men signalgjengivelsen er dårligere sammenlignet med klasse A.

Klasse 'C' forsterkere: Disse anses å være eksepsjonelt effektive når det gjelder strømforbruk, men signalgjengivelsen er verst med mye forvrengning, og forårsaker veldig dårlig replikering av inngangssignalegenskapene.

Hvordan klasse A-forsterkere fungerer:

Klasse A-forsterkere har ideelt forspente transistorer innenfor den aktive regionen, noe som gjør det mulig for inngangssignalet å bli forsterket nøyaktig ved utgangen.

På grunn av denne perfekte forspenningsfunksjonen, får transistoren aldri lov til å drive mot deres avskårne eller over metningsområder, noe som resulterer i at signalforsterkningen blir riktig optimalisert og sentrert mellom de angitte øvre og nedre begrensningene til signalet, som vist i det følgende bilde:

I konfigurasjon av klasse A påføres identiske sett med transistorer over to halvdeler av utgangsbølgeformen. Og avhengig av hvilken type forspenning den benytter, blir utgangstransististorene alltid gjengitt i PÅ-posisjon, uavhengig av om inngangssignalet påføres eller ikke.

På grunn av dette får klasse A-forsterkere en ekstremt dårlig effektivitet når det gjelder strømforbruk, siden den faktiske tilførselen av strøm til utgangen blir hemmet på grunn av overflødig svinn gjennom enhetsdissipasjon.

Med den ovenfor forklarte situasjonen kan klasseforsterkere alltid se på overopphetede utgangstransistorer, selv i fravær av et inngangssignal.

Selv om det ikke er noe inngangssignal, får DC (Ic) fra strømforsyningen strømme gjennom krafttransistorene, som kan være lik strømmen som strømmer gjennom høyttaleren når inngangssignalet var til stede. Dette gir opphav til kontinuerlige 'varme' transistorer og spild av kraft.

Klasse B Forsterkerdrift

I motsetning til klasse A-forsterkerkonfigurasjon som avhenger av enkeltkraftstransistorer, bruker klasse B et par komplementære BJT-er på tvers av hver halvdel av kretsen. Disse kan være i form av NPN / PNP, eller N-kanal mosfet / P-kanal mosfet).

Her får en av transistorene lede seg som respons på den ene halvbølgeformsyklusen til inngangssignalet, mens den andre transistoren håndterer den andre halvsyklusen til bølgeformen.

Dette sikrer at hver transistor i paret leder halvparten av tiden innenfor det aktive området og halvparten av tiden i avskjæringsområdet, og tillater således bare 50% involvering i forsterkningen av signalet.

I motsetning til klasse A-forsterkere, I klasse B-forsterkere er ikke effekttransistorene forspent med en direkte DC, i stedet sørger konfigurasjonen for at de bare leder mens inngangssignalet går høyere enn basissenderspenningen, som kan være rundt 0,6 V for silisium-BJT.

Dette innebærer at når det ikke er noe inngangssignal, forblir BJT-ene avstengt og utgangsstrømmen er null. Og på grunn av dette får bare 50% av inngangssignalet komme inn i utgangen når som helst, noe som muliggjør en mye bedre effektivitetsgrad for disse forsterkerne. Resultatet kan sees i følgende diagram:

Siden det ikke er noen direkte involvering av DC for forspenning av effekttransistorene i klasse B-forsterkere, for å starte ledningen som respons på hver halv +/- bølgeformsyklus, blir det viktig for deres base / emitter Vbe for å oppnå et høyere potensial enn 0,6V (standard basiskjevningsverdi for BJT)

På grunn av ovennevnte faktum innebærer det at mens utgangsbølgeformen er under 0,6V-merket, kan den ikke forsterkes og reproduseres.

Dette gir opphav til en forvrengt region for utgangsbølgeformen, akkurat i løpet av den perioden da en av BJT-ene blir slått AV og venter på at den andre skal slå seg på igjen.

Dette resulterer i at en liten del av bølgeformen blir utsatt for mindre forvrengning under kryssperioden eller overgangsperioden nær nullkryssingen, nøyaktig når overgangen fra en transistor til den andre skjer over komplementære par.

Klasse AB forsterkerdrift

Klasse AB-forsterkeren er bygget ved hjelp av en blanding av egenskaper fra klasse A og klasse B kretsdesign, derav navnet klasse AB.

Selv om klasse AB-design også fungerer med et par komplementære BJT-er, sørger utgangstrinnet for at forspenningen av kraft-BJT-ene styres i nærheten av kutt-terskelen, i fravær av et inngangssignal.

I denne situasjonen, så snart et inngangssignal er registrert, negerer transistorene normalt i deres aktive område og hindrer dermed muligheten for kryssforvrengning, som normalt er vanlig i klasse B-konfigurasjoner. Imidlertid kan det være en liten mengde samlerstrøm som fører over BJT-ene, mengden kan betraktes som ubetydelig sammenlignet med klasse A-design.

Klasse AB-type forsterker har en mye forbedret effektivitetsgrad og en lineær respons i motsetning til klasse A-motstykke.

Klasse AB Forsterkerutgangsbølgeform

Forsterkerklasse er en viktig parameter som avhenger av hvordan transistorer er forspent gjennom amplituden til inngangssignalet, for å implementere forsterkningsprosessen.

Den er avhengig av hvor mye av størrelsen på inngangssignalbølgeformen som brukes for transistorene til å lede, og også effektivitetsfaktoren, som bestemmes av mengden effekt som faktisk brukes til å levere utgangen og / eller bortkastet gjennom spredning.

Når det gjelder disse faktorene, kan vi endelig lage en sammenligningsrapport som viser forskjellene mellom de forskjellige klassene av forsterkere, som gitt i tabellen nedenfor.

Deretter kan vi sammenligne de vanligste typene av forsterkerklassifiseringer i tabellen nedenfor.

Strømforsterkerklasser

Siste tanker

Hvis en forsterker ikke er utformet riktig, som for eksempel en klasse A-forsterkerdesign, kan det kreve betydelig varmeavleder på kraftenhetene, sammen med kjølevifter for operasjonene. Slike konstruksjoner vil også trenge større strømforsyningsinnganger for å kompensere de enorme mengder kraft som er bortkastet i varme. Alle slike ulemper kan gjøre slike forsterkere svært ineffektive, noe som igjen kan forårsake en gradvis forverring av enhetene og til slutt feil.

Derfor kan det være lurt å gå etter en klasse B-forsterker designet med høyere effektivitet på rundt 70% i motsetning til 40% av en klasse A-forsterker. Sagt det, klasse A forsterker kan love en mer lineær respons med sin forsterkning og en bredere frekvensrespons, selv om dette kommer med en pris på betydelig kraftavfall.