Forsterker - Amplifier

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
En 100 watt stereolydforsterker brukt i hjemmekomponentlydsystemer på 1970-tallet.
Forsterkning betyr å øke amplituden (spenning eller strøm) til et tidsvarierende signal med en gitt faktor, som vist her. Grafen viser inngangen (blå) og utgangsspenningen (rød) til en ideell lineær forsterker med et vilkårlig signal påført som inngang. I dette eksemplet har forsterkeren en spenningsforsterkning på 3; det er når som helst

En forsterker , elektronisk forsterker eller (uformell) forsterker er en elektronisk enhet som kan øke effekten av et signal (en tidsvarierende spenning eller strøm ). Det er en to-port elektronisk krets som bruker elektrisk kraft fra en strømforsyning for å øke amplituden til et signal som blir brukt til inngangsterminalene, og produsere et proporsjonalt større amplitudesignal ved utgangen. Mengden forsterkning gitt av en forsterker måles ved forsterkningen : forholdet mellom utgangsspenning, strøm eller strøm til inngang. En forsterker er en krets som har en kraftforsterkning større enn en.

En forsterker kan enten være et separat utstyr eller en elektrisk krets inneholdt i en annen enhet. Forsterkning er grunnleggende for moderne elektronikk, og forsterkere brukes mye i nesten alt elektronisk utstyr. Forsterkere kan kategoriseres på forskjellige måter. Den ene er av frekvensen til det elektroniske signalet som forsterkes. For eksempel, forsterkere forsterke signaler i audio (lyd) område på mindre enn 20 kHz, RF-forsterkere forsterker frekvenser i radiofrekvensområde mellom 20 kHz og 300 GHz, og servoforsterkere og instrumentforsterkere kan arbeide med meget lave frekvenser ned til likestrøm. Forsterkere kan også kategoriseres etter deres fysiske plassering i signalkjeden ; en forforsterker kan for eksempel gå foran andre signalbehandlingstrinn. Den første praktiske elektriske enheten som kunne forsterkes var triode- vakuumrøret , oppfunnet i 1906 av Lee De Forest , som førte til de første forsterkerne rundt 1912. I dag bruker de fleste forsterkere transistorer .

Historie

Vakuum-rør

Den første praktiske fremtredende enheten som kunne forsterkes var triode- vakuumrøret , oppfunnet i 1906 av Lee De Forest , som førte til de første forsterkerne rundt 1912. Vakuumrør ble brukt i nesten alle forsterkere frem til 1960- 1970-tallet da transistorer erstattet dem. I dag bruker de fleste forsterkere transistorer, men vakuumrør brukes fortsatt i noen applikasjoner.

De Forest's prototype lydforsterker fra 1914. Vakuumrøret Audion (triode) hadde en spenningsforsterkning på ca. 5, og ga en total forsterkning på ca. 125 for denne tretrinnsforsterkeren.

Utviklingen av lydkommunikasjonsteknologi i form av telefon , først patentert i 1876, skapte behovet for å øke amplituden til elektriske signaler for å utvide overføringen av signaler over stadig lengre avstander. I telegrafi hadde dette problemet blitt løst med mellominnretninger på stasjoner som etterfylte den avledede energien ved å betjene en signalopptaker og sender rygg mot rygg, og danne et relé , slik at en lokal energikilde ved hver mellomstasjon drev neste etappe av overføring. For tosidig overføring, dvs. sending og mottak i begge retninger, ble toveis relé-repeatere utviklet fra og med CF Varleys arbeid for telegrafisk overføring. Dupleksoverføring var avgjørende for telefoni, og problemet ble ikke løst tilfredsstillende før i 1904, da HE Shreeve fra American Telephone and Telegraph Company forbedret eksisterende forsøk på å konstruere en telefonrepeater bestående av rygg-mot-rygg karbongranulatosender og elektrodynamiske mottagerpar. Shreeve-repeateren ble først testet på en linje mellom Boston og Amesbury, MA, og mer raffinerte enheter forble i bruk i noen tid. Etter århundreskiftet ble det funnet at kvikksølvlamper med negativ motstand kunne forsterkes, og ble også prøvd i repeatere, med liten suksess.

Utviklingen av termionventiler som startet rundt 1902, ga en helt elektronisk metode for å forsterke signaler. Den første praktiske versjonen av slike enheter var Audion- trioden , oppfunnet i 1906 av Lee De Forest , som førte til de første forsterkerne rundt 1912. Siden den eneste forrige enheten som ble mye brukt for å styrke et signal var reléet som ble brukt i telegrafsystemer , forsterkende vakuumrør ble først kalt et elektronrelé . Begrepene forsterker og forsterkning , avledet fra den latinske amplificare , (for å forstørre eller utvide ), ble først brukt for denne nye evnen rundt 1915 da trioder ble utbredt.

Det forsterkende vakuumrøret revolusjonerte elektrisk teknologi, og skapte det nye feltet elektronikk , teknologien til aktive elektriske enheter. Det muliggjorde langdistanse telefonlinjer, offentlige adressesystemer , radiosendinger , snakkende filmbilder , praktisk lydopptak , radar , TV og de første datamaskinene . I 50 år brukte praktisk talt alle forbrukerelektroniske apparater vakuumrør. Tidlige rørforsterkere hadde ofte positiv tilbakemelding ( regenerering ), noe som kunne øke forsterkningen, men også gjøre forsterkeren ustabil og utsatt for svingning. Mye av den matematiske teorien om forsterkere ble utviklet på Bell Telephone Laboratories i løpet av 1920- til 1940-tallet. Forvrengningsnivåer i tidlige forsterkere var høye, vanligvis rundt 5%, til 1934, da Harold Black utviklet negativ tilbakemelding ; dette tillot forvrengningsnivåene å bli sterkt redusert, på bekostning av lavere gevinst. Andre fremskritt innen teorien om forsterkning ble gjort av Harry Nyquist og Hendrik Wade Bode .

Vakuumrøret var praktisk talt den eneste forsterkningsenheten, bortsett fra spesialiserte kraftenheter som magnetforsterkeren og amplidynen , i 40 år. Strømstyringskretser brukte magnetiske forsterkere til siste halvdel av det tjuende århundre da kraft halvleder enheter ble mer økonomiske, med høyere driftshastigheter. De gamle Shreeve elektroakustiske karbonforsterkere ble brukt i justerbare forsterkere i telefonabonnementsett for hørselshemmede til transistoren ga forsterkere med mindre og høyere kvalitet på 1950-tallet.

Transistorer

Den første fungerende transistoren var en punktkontakt-transistor oppfunnet av John Bardeen og Walter Brattain i 1947 på Bell Labs , hvor William Shockley senere oppfant den bipolare kryssstransistoren (BJT) i 1948. De ble fulgt av oppfinnelsen av metalloksyd- semiconductor field-effect transistor (MOSFET) av Mohamed M. Atalla og Dawon Kahng ved Bell Labs i 1959. På grunn av MOSFET-skalering , muligheten til å skalere ned til stadig mindre størrelser, har MOSFET siden blitt den mest brukte forsterkeren.

Utskifting av store elektronrør med transistorer i løpet av 1960- og 1970-tallet skapte en revolusjon innen elektronikk, noe som muliggjorde en stor klasse bærbare elektroniske enheter, som transistorradioen som ble utviklet i 1954. I dag er bruken av vakuumrør begrenset for noe høy effekt applikasjoner, for eksempel radiosendere.

Begynnelsen på 1970-tallet ble flere og flere transistorer koblet til på en enkelt chip, og derved ble det større skalaer for integrasjon (som småskala, mellomstor og storskala integrasjon ) i integrerte kretser . Mange forsterkere som er kommersielt tilgjengelige i dag, er basert på integrerte kretser.

For spesielle formål har andre aktive elementer blitt brukt. For eksempel, i de tidlige dagene av satellittkommunikasjonen , ble parametriske forsterkere brukt. Kjernekretsen var en diode hvis kapasitans ble endret av et RF-signal opprettet lokalt. Under visse forhold ga dette RF-signalet energi som ble modulert av det ekstremt svake satellitsignalet som ble mottatt på jordstasjonen.

Fremskritt innen digital elektronikk siden slutten av det 20. århundre ga nye alternativer til de tradisjonelle forsterkere med lineær forsterkning ved å bruke digital svitsj for å variere pulsformen til faste amplitudesignaler, noe som resulterte i enheter som klasse D-forsterkeren .

Ideell

De fire typene avhengig kilde - kontrollvariabel til venstre, utgangsvariabel til høyre

I prinsippet er en forsterker et elektrisk toportnettverk som produserer et signal i utgangsporten som er en kopi av signalet som blir påført inngangsporten, men økt i størrelse.

Inngangsporten kan idealiseres som enten å være en spenningsinngang, som ikke tar strøm, med utgangen proporsjonal med spenningen over porten; eller en strøminngang, uten spenning over den, der utgangen er proporsjonal med strømmen gjennom porten. Utgangsporten kan idealiseres som enten en avhengig spenningskilde , med null kildemotstand og utgangsspenningen avhengig av inngangen; eller en avhengig strømkilde , med uendelig kildemotstand og utgangsstrømmen avhengig av inngangen. Kombinasjoner av disse valgene fører til fire typer ideelle forsterkere. I idealisert form er de representert av hver av de fire typene avhengig kilde som brukes i lineær analyse, som vist i figuren, nemlig:

Inngang Produksjon Avhengig kilde Forsterker type Få enheter
Jeg Jeg Nåværende kontrollert strømkilde, CCCS Strømforsterker Enhetsfri
Jeg V Strømstyrt spenningskilde, CCVS Transresistance forsterker Ohm
V Jeg Spenningsstyrt strømkilde, VCCS Transconductance forsterker Siemens
V V Spenningsstyrt spenningskilde, VCVS Spenningsforsterker Enhetsfri

Hver forsterker i sin ideelle form har en ideell inngangs- og utgangsmotstand som er den samme som for den tilsvarende avhengige kilden:

Forsterker type Avhengig kilde Inngangsimpedans Utgangsimpedans
Nåværende CCCS 0
Transresistance CCVS 0 0
Transconductance VCCS
Spenning VCVS 0

I virkelige forsterkere er det ikke mulig å oppnå de ideelle impedansene, men disse ideelle elementene kan brukes til å konstruere ekvivalente kretsløp av virkelige forsterkere ved å legge til impedanser (motstand, kapasitans og induktans) til inngang og utgang. For en hvilken som helst bestemt krets brukes ofte en liten signalanalyse for å finne den faktiske impedansen. En AC test liten-signalstrøm I x påtrykkes inngangs- eller utgangsnoden, blir alle ytre kilder satt til AC null, og den tilsvarende vekselspenningen V x over teststrømkilden bestemmer impedansen sett på den noden som R = V x / I x .

Forsterkere designet for å feste til en overføringslinje ved inngang og utgang, spesielt RF-forsterkere , passer ikke inn i denne klassifiseringstilnærmingen. I stedet for å håndtere spenning eller strøm hver for seg, kobles de ideelt sett med en inngangs- eller utgangsimpedans som er matchet med overføringslinjeimpedansen, det vil si samsvarer med forholdet mellom spenning og strøm. Mange ekte RF-forsterkere kommer nær dette idealet. Selv om RF-forsterkere for en gitt passende kilde- og lastimpedans kan karakteriseres som forsterkende spenning eller strøm, er de i utgangspunktet forsterkende effekt.

Eiendommer

Forsterkeregenskaper er gitt av parametere som inkluderer:

Forsterkere er beskrevet i henhold til egenskapene til deres innganger, deres utganger, og hvordan de forholder seg. Alle forsterkere har forsterkning, en multiplikasjonsfaktor som relaterer størrelsen på en eller annen egenskap for utgangssignalet til en egenskap for inngangssignalet. Forsterkningen kan angis som forholdet mellom utgangsspenning for inngangsspenningen ( spenningsforsterkning ), utgangseffekt til inngangseffekten ( effektforsterkning ), eller en kombinasjon av strøm, spenning og effekt. I mange tilfeller er egenskapen til utgangen som varierer avhengig av den samme egenskapen til inngangen, noe som gjør forsterkningen enhetløs (men ofte uttrykt i desibel (dB)).

De fleste forsterkere er designet for å være lineære. Det vil si at de gir konstant forsterkning for ethvert normalt inngangsnivå og utgangssignal. Hvis forsterkers forsterkning ikke er lineær, kan utgangssignalet bli forvrengt . Det er imidlertid tilfeller der variabel gevinst er nyttig. Enkelte applikasjoner for signalbehandling bruker eksponensielle forsterkere.

Forsterkere er vanligvis laget for å fungere godt i et bestemt program, for eksempel: radio og fjernsynssendere og mottakere , high-fidelity ( "hi-fi") stereoutstyr, datamaskiner og annet digitalt utstyr, og gitar og andre instrumentforsterkere . Hver forsterker inneholder minst en aktiv enhet , for eksempel et vakuumrør eller transistor .

Negativ tilbakemelding

Negativ tilbakemelding er en teknikk som brukes i de fleste moderne forsterkere for å forbedre båndbredde og forvrengning og kontrollforsterkning. I en negativ tilbakemelding forsterkeres en del av utgangen og legges til inngangen i motsatt fase, og trekker fra inngangen. Hovedeffekten er å redusere systemets samlede gevinst. Imidlertid blir eventuelle uønskede signaler introdusert av forsterkeren, for eksempel forvrengning, også matet tilbake. Siden de ikke er en del av den opprinnelige inngangen, blir de lagt til inngangen i motsatt fase, og trekker dem fra inngangen. På denne måten reduserer negativ tilbakemelding også ikke-linearitet, forvrengning og andre feil introdusert av forsterkeren. Store mengder negativ tilbakemelding kan redusere feil til det punktet at selve forsterkerens respons blir nesten irrelevant så lenge den har stor forsterkning, og utgangsytelsen til systemet ("lukket sløyfeytelse ") defineres helt av komponenter i tilbakemeldingssløyfen. Denne teknikken brukes spesielt med operasjonsforsterkere (op-amp).

Ikke-tilbakemeldingsforsterkere kan bare oppnå omtrent 1% forvrengning for lydfrekvenssignaler. Med negativ tilbakemelding kan forvrengning vanligvis reduseres til 0,001%. Støy, til og med kryssforvrengning, kan praktisk talt elimineres. Negativ tilbakemelding kompenserer også for skiftende temperaturer og nedbrytende eller ikke-lineære komponenter i forsterkningsfasen, men enhver endring eller ikke-linearitet i komponentene i tilbakemeldingssløyfen vil påvirke utgangen. Faktisk brukes tilbakemeldingsløyfens evne til å definere utgangen for å lage aktive filterkretser .

En annen fordel med negativ tilbakemelding er at den utvider båndbredden til forsterkeren. Konseptet med tilbakemelding brukes i operasjonelle forsterkere for å presist definere forsterkning, båndbredde og andre parametere helt basert på komponentene i tilbakemeldingssløyfen.

Negativ tilbakemelding kan brukes i hvert trinn i en forsterker for å stabilisere driftspunktet til aktive enheter mot mindre endringer i strømforsyningsspenning eller enhetskarakteristikker.

Noen tilbakemeldinger, positive eller negative, er uunngåelige og ofte uønskede - introdusert for eksempel av parasittiske elementer , slik som iboende kapasitans mellom inngang og utgang av enheter som transistorer, og kapasitiv kobling av eksterne ledninger. Overdreven frekvensavhengig positiv tilbakemelding kan gi parasittisk svingning og gjøre en forsterker til en oscillator .

Kategorier

Aktive enheter

Alle forsterkere inkluderer en eller annen form for aktiv enhet: dette er enheten som gjør den faktiske forsterkningen. Den aktive enheten kan være et vakuumrør , diskret solid state-komponent, for eksempel en enkelt transistor , eller en del av en integrert krets , som i en op-amp ).

Transistorforsterkere (eller solid state forsterkere) er den vanligste typen forsterker som brukes i dag. En transistor brukes som det aktive elementet. Forsterkerens forsterkning bestemmes av egenskapene til selve transistoren, så vel som kretsen den er inne i.

Vanlige aktive enheter i transistorforsterkere inkluderer bipolare junction transistors (BJTs) og metalloksyd halvleder felt-effekt transistorer (MOSFETs).

Applikasjonene er mange, noen vanlige eksempler er lydforsterkere i et stereoanlegg for hjemmet eller en offentlig adressesystem , RF-kraftproduksjon for halvlederutstyr, til RF- og mikrobølgeapplikasjoner som radiosendere.

Transistorbasert forsterkning kan realiseres ved hjelp av forskjellige konfigurasjoner: for eksempel kan en bipolar kryssstransistor realisere felles base , felles kollektor eller vanlig emitterforsterkning ; en MOSFET kan realisere felles gate , felles kilde eller felles avløpsforsterkning. Hver konfigurasjon har forskjellige egenskaper.

Vakuumrørforsterkere (også kjent som rørforsterkere eller ventilforsterkere) bruker et vakuumrør som den aktive enheten. Mens halvlederforsterkere i stor grad har forskjøvet ventilforsterkere for applikasjoner med lav effekt, kan ventilforsterkere være mye mer kostnadseffektive i applikasjoner med høy effekt, slik som radar, mottiltak og kommunikasjonsutstyr. Mange mikrobølgeforsterkere er spesielt utformet ventil forsterkere, slik som klystron , gyrotron , vandrebølgerør , og kryssfeltforsterker , og disse mikrobølge ventilene tilveiebringe mye høyere enkelt innretning energiutgang ved mikrobølgefrekvenser enn SSD-enheter. Vakuumrør forblir i bruk i noe avansert lydutstyr, så vel som i musikkinstrumentforsterkere , på grunn av en preferanse for " rørlyd ".

Magnetforsterkere er enheter som ligner en transformator der en vikling brukes til å kontrollere metningen til en magnetkjerne og dermed endre impedansen til den andre viklingen.

De har i stor grad falt ut av bruk på grunn av utvikling i halvlederforsterkere, men er fremdeles nyttige i HVDC- kontroll og i kjernekraftkontrollkretser på grunn av ikke å bli påvirket av radioaktivitet.

Negative motstander kan brukes som forsterkere, for eksempel tunneldiodeforsterkeren .

Effektforsterkere

Effektforsterker fra Skyworks Solutions i en smarttelefon .

En effektforsterker er en forsterker designet primært for å øke effekten som er tilgjengelig for en belastning . I praksis avhenger forsterker effektforsterkning på kilden og lasten impedanser , så vel som de iboende spenning og strømforsterkning. En radiofrekvens (RF) forsterkerdesign optimaliserer vanligvis impedanser for kraftoverføring, mens lyd- og instrumentasjonsforsterkerdesign normalt optimaliserer inngangs- og utgangsimpedans for minst belastning og høyest signalintegritet. En forsterker som sies å ha en forsterkning på 20 dB kan ha en spenningsforsterkning på 20 dB og en tilgjengelig effektforsterkning på mye mer enn 20 dB (effektforhold på 100) - men faktisk gir en mye lavere effektforsterkning hvis for eksempel , inngangen er fra en 600 Ω mikrofon og utgangen kobles til en 47  inngangskontakt for en effektforsterker. Generelt er effektforsterkeren den siste "forsterkeren" eller den faktiske kretsen i en signalkjede (utgangstrinnet) og er forsterkertrinnet som krever oppmerksomhet rundt strømeffektivitet. Effektivitetshensyn fører til de forskjellige klassene effektforsterkere basert på forspenning av utgangstransistorer eller rør: se effektforsterkerklasser nedenfor.

Lydforsterkere brukes vanligvis til å drive høyttalere . De vil ofte ha to utgangskanaler og levere like kraft til hver. En RF-effektforsterker er funnet i radiosendesluttfasen. En servomotorstyring : forsterker en styrespenning for å justere motorens hastighet, eller posisjonen til et motorisert system.

Operasjonsforsterkere (op-forsterkere)

En LM741 generelle formål op-amp

En operasjonsforsterker er en forsterkerkrets som vanligvis har veldig høy åpen sløyfeforsterkning og differensialinnganger. Op-forsterkere har blitt veldig mye brukt som standardiserte "forsterkningsblokker" i kretser på grunn av deres allsidighet; gevinst, båndbredde og andre egenskaper kan kontrolleres ved tilbakemelding gjennom en ekstern krets. Selv om begrepet i dag ofte gjelder integrerte kretser, brukte den originale operasjonsforsterkerkonstruksjonen ventiler, og senere design brukte diskrete transistorkretser.

En fullt differensial forsterker er lik operasjonsforsterkeren, men har også differensialutganger. Disse er vanligvis konstruert ved hjelp av BJT eller FET .

Distribuerte forsterkere

Disse bruker balanserte overføringslinjer for å skille individuelle enkelttrinnsforsterkere, hvis utganger summeres av samme overføringslinje. Overføringslinjen er en balansert type med inngangen i den ene enden og bare på den ene siden av den balanserte overføringslinjen, og utgangen i den motsatte enden er også den motsatte siden av den balanserte overføringslinjen. Forsterkningen av hvert trinn legger til lineært til utgangen i stedet for å multiplisere hverandre som i en kaskadekonfigurasjon. Dette gjør det mulig å oppnå en høyere båndbredde enn det som ellers kunne realiseres selv med de samme forsterkningselementene.

Switched mode forsterkere

Disse ikke-lineære forsterkerne har mye høyere effektivitet enn lineære forsterkere, og brukes der strømsparing rettferdiggjør den ekstra kompleksiteten. Klasse D-forsterkere er hovedeksemplet på denne typen forsterkning.

Negativ motstandsforsterker

Negativ motstandsforsterker er en type regenerativ forsterker som kan bruke tilbakemeldingen mellom transistorens kilde og gate for å transformere en kapasitiv impedans på transistorens kilde til en negativ motstand på porten. Sammenlignet med andre typer forsterkere, vil denne "negative motstandsforsterkeren" bare kreve en liten mengde kraft for å oppnå veldig høy forsterkning, og opprettholde en god støytall samtidig.

applikasjoner

Videoforsterkere

Videoforsterkere er designet for å behandle videosignaler og har varierende båndbredde, avhengig av om videosignalet er for SDTV, EDTV, HDTV 720p eller 1080i / p osv. Spesifikasjonen for selve båndbredden avhenger av hva slags filter som brukes - og ved hvilket punkt ( −1 dB eller −3 dB for eksempel) måles båndbredden. Visse krav til trinnrespons og overskridelse er nødvendige for et akseptabelt TV-bilde.

Mikrobølgeovnforsterkere

Vandrebølgerør -forsterkere (TWTAs) blir brukt for høy effektforsterkning ved lave mikrobølgefrekvenser. De kan vanligvis forsterkes over et bredt spekter av frekvenser; de er imidlertid vanligvis ikke så avstemmbare som klystroner.

Klystrons er spesialiserte vakuumapparater med lineær stråle, designet for å gi høyeffekt, bredt innstillbar forsterkning av millimeter- og sub-millimeterbølger. Klystrons er designet for operasjoner i stor skala, og til tross for at de har en smalere båndbredde enn TWTA, har de fordelen av koherent å forsterke et referansesignal, slik at utgangen kan styres nøyaktig i amplitude, frekvens og fase.

Solid-state enheter som silisium kortkanal MOSFETs som dobbeltdiffusert metalloksyd-halvleder (DMOS) FETs, GaAs FETs , SiGe og GaAs heterojunction bipolare transistorer / HBTs, HEMTs , IMPATT dioder og andre, brukes spesielt ved lavere mikrobølgeovn frekvenser og effektnivåer i størrelsesorden watt, spesielt i applikasjoner som bærbare RF-terminaler / mobiltelefoner og tilgangspunkter der størrelse og effektivitet er driverne. Nye materialer som galliumnitrid ( GaN ) eller GaN på silisium eller på silisiumkarbid / SiC dukker opp i HEMT-transistorer og applikasjoner der forbedret effektivitet, bred båndbredde, drift omtrent fra få til noen få titalls GHz med utgangseffekt på få watt til noen få hundre av Watts er nødvendig.

Avhengig av forsterkerens spesifikasjoner og størrelseskrav kan mikrobølgeovnforsterkere realiseres som monolitisk integrerte, integrerte som moduler eller basert på diskrete deler eller en hvilken som helst kombinasjon av disse.

Den maser er en ikke-elektronisk mikrobølgeovn forsterker.

Musikkinstrumentforsterkere

Instrumentforsterkere er en rekke lydforsterkere som brukes til å øke lydnivået til musikkinstrumenter, for eksempel gitarer, under forestillinger.

Klassifisering av forsterkerstadier og -systemer

Felles terminal

Ett sett med klassifiseringer for forsterkere er basert på hvilken enhetsterminal som er felles for både inngangen og utgangskretsen. Når det gjelder bipolare kryssstransistorer , er de tre klassene vanlig emitter, felles base og felles kollektor. For felt-effekt-transistorer er de tilsvarende konfigurasjonene vanlig kilde, felles gate og felles avløp; for vakuumrør , vanlig katode, felles rutenett og felles plate.

Den vanlige emitteren (eller den vanlige kilden, den vanlige katoden osv.) Er oftest konfigurert for å gi forsterkning av en spenning som påføres mellom basen og emitteren, og utgangssignalet som tas mellom samler og emitter er invertert, i forhold til inngangen. Det vanlige samlerarrangementet bruker inngangsspenningen mellom base og kollektor, og for å ta utgangsspenningen mellom emitter og kollektor. Dette forårsaker negativ tilbakemelding, og utgangsspenningen har en tendens til å følge inngangsspenningen. Dette arrangementet brukes også da inngangen gir høy impedans og ikke laster signalkilden, selv om spenningsforsterkningen er mindre enn en. Felles kollektorkretsen er derfor bedre kjent som en emitterfølger, kildefølger eller katodefølger.

Ensidig eller bilateral

En forsterker hvis utgang ikke viser tilbakemelding til inngangssiden, blir beskrevet som 'ensidig'. Inngangsimpedansen til en ensidig forsterker er uavhengig av belastning, og utgangsimpedansen er uavhengig av signalkildeimpedansen.

En forsterker som bruker tilbakemelding for å koble en del av utgangen tilbake til inngangen, er en bilateral forsterker. Bilateral forsterkerens inngangsimpedans avhenger av belastningen og utgangsimpedansen på signalkildens impedans. Alle forsterkere er til en viss grad bilaterale; Imidlertid kan de ofte modelleres som ensidige under driftsforhold der tilbakemeldinger er små nok til å forsømmes for de fleste formål, forenkler analysen (se den vanlige basisartikkelen for et eksempel).

Inverterende eller ikke-inverterende

En annen måte å klassifisere forsterkere på er faseforholdet mellom inngangssignalet og utgangssignalet. En 'inverterende' forsterker produserer en utgang 180 grader ut av fase med inngangssignalet (det vil si en polaritetsinversjon eller et speilbilde av inngangen sett på et oscilloskop ). En 'ikke-inverterende' forsterker opprettholder fasen til inngangssignalbølgeformene. En emitterfølger er en type ikke-inverterende forsterker, noe som indikerer at signalet ved emitteren til en transistor følger (det vil si samsvarer med enhetsforsterkning, men kanskje en forskyvning) inngangssignalet. Spenningsfølger er også en ikke-inverterende type forsterker som har enhetsforsterkning.

Denne beskrivelsen kan gjelde for et enkelt trinn i en forsterker, eller for et komplett forsterkeranlegg.

Funksjon

Andre forsterkere kan klassifiseres etter funksjon eller utgangskarakteristikker. Disse funksjonelle beskrivelsene gjelder vanligvis for komplette forsterkersystemer eller undersystemer og sjelden for individuelle trinn.

Interstage koblingsmetode

Forsterkere klassifiseres noen ganger etter koblingsmetoden til signalet ved inngang, utgang eller mellom trinn. Ulike typer av disse inkluderer:

Resistiv-kapasitiv (RC) koblet forsterker, ved hjelp av et nettverk av motstander og kondensatorer
Disse designene kan ikke konstruere DC-signaler, da kondensatorene blokkerer DC-komponenten i inngangssignalet. RC-koblede forsterkere ble brukt veldig ofte i kretsløp med vakuumrør eller diskrete transistorer. I dagene av den integrerte kretsen er noen flere transistorer på en chip mye billigere og mindre enn en kondensator.
Induktiv-kapasitiv (LC) koblet forsterker, ved hjelp av et nettverk av induktorer og kondensatorer
Denne typen forsterker brukes oftest i selektive radiofrekvenskretser.
Transformator koblet forsterker, ved hjelp av en transformator for å matche impedanser eller for å koble fra deler av kretsene
Ganske ofte kan ikke LC-koblede og transformator-koblede forsterkere skilles ut som en transformator er en slags induktor.
Direkte koblet forsterker , uten komponenter med impedans og skjevhet
Denne klassen av forsterker var veldig uvanlig i vakuumrørsdager da anode (utgangsspenningen) var større enn flere hundre volt og nettet (inngangsspenningen) på noen få volt minus. Så de ble bare brukt hvis forsterkningen ble spesifisert ned til DC (f.eks. I et oscilloskop). I sammenheng med moderne elektronikk oppfordres utviklere til å bruke direkte koblede forsterkere når det er mulig. I FET- og CMOS-teknologier er direkte kobling dominerende siden MOSFET-porter teoretisk ikke fører noen strøm gjennom seg selv. Derfor blir DC-komponenten i inngangssignalene automatisk filtrert.

Frekvensområde

Avhengig av frekvensområdet og andre egenskaper er forsterkere designet i henhold til forskjellige prinsipper.

Frekvensområder ned til DC brukes bare når denne egenskapen er nødvendig. Forsterkere for likestrømsignaler er sårbare for mindre variasjoner i egenskapene til komponenter med tiden. Spesielle metoder, for eksempel chopper- stabiliserte forsterkere, brukes for å forhindre stødig drift i forsterkerens egenskaper for DC. "DC-blokkerende" kondensatorer kan legges til for å fjerne DC- og lydfrekvenser fra lydforsterkerne.

Avhengig av spesifisert frekvensområde må forskjellige designprinsipper brukes. Opp til MHz-området trenger bare "diskrete" egenskaper å bli vurdert; for eksempel har en terminal en inngangsimpedans.

Så snart en hvilken som helst forbindelse i kretsen blir lengre enn kanskje 1% av bølgelengden til den høyeste spesifiserte frekvensen (f.eks. Ved 100 MHz er bølgelengden 3 m, så den kritiske tilkoblingslengden er ca. 3 cm), endrer designegenskapene seg radikalt. For eksempel kan en spesifisert lengde og bredde på et PCB- spor brukes som en selektiv eller impedansmatchende enhet. Over noen hundre MHz blir det vanskelig å bruke diskrete elementer, spesielt induktorer. I de fleste tilfeller brukes PCB-spor etter veldig nøye definerte former i stedet ( stripline- teknikker).

Frekvensområdet som håndteres av en forsterker kan spesifiseres i form av båndbredde (normalt antyder et svar som er 3  dB nede når frekvensen når den spesifiserte båndbredden), eller ved å spesifisere et frekvensrespons som er innenfor et visst antall desibel mellom en lavere og en øvre frekvens (f.eks. "20 Hz til 20 kHz pluss eller minus 1 dB").

Effektforsterkerklasser

Effektforsterkerkretser (utgangstrinn) er klassifisert som A, B, AB og C for analoge design — og klasse D og E for å bytte design. De effektforsterker klasser er basert på andelen av hver inngangssyklus (ledningsvinkelen) i løpet av hvilken en forsterkeranordning passerer strøm. Bildet av ledningsvinkelen kommer fra å forsterke et sinusformet signal. Hvis enheten alltid er på, er ledningsvinkelen 360 °. Hvis den bare er på halvparten av hver syklus, er vinkelen 180 °. Strømningsvinkelen er nært knyttet til forsterkerens effektivitet .

Eksempel på forsterkerkrets

Et elektronisk kretsskjema inkludert motstander, kondensatorer, transistorer og dioder
En praktisk forsterkerkrets

Den praktiske forsterkerkretsen vist ovenfor kan være grunnlaget for en moderat lydforsterker. Den har en typisk (men vesentlig forenklet) design som finnes i moderne forsterkere, med en klasse-AB push-pull utgangstrinn , og bruker noen generelle negative tilbakemeldinger. Bipolare transistorer er vist, men denne utformingen kan også realiseres med FET eller ventiler.

Inngangssignalet er koblet gjennom kondensatoren Cl til basen til transistoren Q1. Kondensatoren lar AC- signalet passere, men blokkerer DC- forspenningen som er etablert av motstandene R1 og R2, slik at en hvilken som helst foregående krets ikke blir påvirket av den. Q1 og Q2 danner en differensialforsterker (en forsterker som multipliserer forskjellen mellom to innganger med en eller annen konstant), i et arrangement kjent som et par med lang hale . Dette arrangementet brukes for å praktisk muliggjøre bruk av negativ tilbakemelding, som mates fra utgangen til Q2 via R7 og R8.

Den negative tilbakemeldingen til forskjellsforsterkeren gjør at forsterkeren kan sammenligne inngangen til den faktiske utgangen. Det forsterkede signalet fra Q1 mates direkte til det andre trinnet, Q3, som er et vanlig emittertrinn som gir ytterligere forsterkning av signalet og DC-forspenningen for utgangstrinnene, Q4 og Q5. R6 gir belastningen for Q3 (et bedre design vil sannsynligvis bruke en eller annen form for aktiv belastning her, for eksempel en konstantstrømsvask). Så langt fungerer hele forsterkeren i klasse A. Utgangsparet er ordnet i klasse-AB push-pull, også kalt et komplementært par. De gir størstedelen av strømforsterkningen (mens de bruker lav hvilestrøm) og driver lasten direkte, koblet via DC-blokkerende kondensator C2. De diodene D1 og D2 gi en liten mengde av konstant forspenning for utgangspar, bare å forspenne dem inn i den ledende tilstand, slik at krysstaleforstyrrelser blir minimalisert. Det vil si at dioder skyver utgangstrinnet fast i klasse-AB-modus (forutsatt at utgangstransistorenes base-emitterfall reduseres ved varmespredning).

Denne designen er enkel, men et godt grunnlag for en praktisk design fordi den automatisk stabiliserer driftspunktet, siden tilbakemelding fungerer internt fra DC opp gjennom lydområdet og utover. Ytterligere kretselementene vil trolig bli funnet i en virkelig konstruksjon som ville roll-off den frekvensrespons over det nødvendig området for å unngå muligheten for uønsket oscillasjon . Bruk av fast diode som vist her kan forårsake problemer hvis diodene ikke er både elektrisk og termisk tilpasset til utgangstransistorene - hvis utgangstransistorene slås på for mye, kan de lett overopphetes og ødelegge seg selv, som full strøm strømforsyningen er ikke begrenset på dette stadiet.

En vanlig løsning for å stabilisere utgangsenhetene er å inkludere noen emittermotstander, vanligvis en ohm eller så. Beregning av verdiene til kretsens motstander og kondensatorer gjøres basert på komponentene som brukes og den tiltenkte bruken av forsterkeren.

Merknader om implementering

Enhver ekte forsterker er en ufullkommen realisering av en ideell forsterker. En viktig begrensning for en ekte forsterker er at utgangen den genererer til slutt er begrenset av strømmen som er tilgjengelig fra strømforsyningen. En forsterker metter og klipper utgangen hvis inngangssignalet blir for stort til at forsterkeren kan reprodusere eller overskrider driftsgrensene for enheten. Strømforsyningen kan påvirke utgangen, så må tas med i utformingen. Effekten fra en forsterker kan ikke overstige inngangseffekten.

Forsterkerkretsen har en "open loop" ytelse. Dette er beskrevet av forskjellige parametere (forsterkning, svinghastighet , utgangsimpedans , forvrengning , båndbredde , signal-støy-forhold , etc.). Mange moderne forsterkere bruker negative tilbakemeldingsteknikker for å holde forsterkningen til ønsket verdi og redusere forvrengning. Negativ tilbakemelding fra sløyfe har den tiltenkte effekten av å senke utgangsimpedansen og derved øke elektrisk demping av høyttalerbevegelsen ved og nær høyttalerens resonansfrekvens.

Når du vurderer nominell forsterkereffekt, er det nyttig å ta i betraktning den påførte belastningen, signaltypen (f.eks. Tale eller musikk), ønsket effektutgangsvarighet (dvs. kort tid eller kontinuerlig) og nødvendig dynamisk område (f.eks. Registrert eller live lyd). I kraftige lydapplikasjoner som krever lange kabler til belastningen (f.eks. Kinoer og kjøpesentre), kan det være mer effektivt å koble til belastningen ved linjeutgangsspenning, med matchende transformatorer ved kilde og belastning. Dette unngår lange løp av tunge høyttalerkabler.

For å forhindre ustabilitet eller overoppheting må du være forsiktig med å sikre at solid state-forsterkere er tilstrekkelig belastet. De fleste har en nominell minimum lastimpedans.

Alle forsterkere genererer varme gjennom elektriske tap. Forsterkeren må avgi denne varmen via konveksjon eller tvungen luftkjøling. Varme kan skade eller redusere levetiden for elektroniske komponenter. Designere og installatører må også vurdere varmeeffekter på tilstøtende utstyr.

Ulike strømforsyningstyper resulterer i mange forskjellige forspenningsmetoder . Bias er en teknikk der aktive enheter er satt til å operere i en bestemt region, eller ved hvilken DC-komponenten i utgangssignalet er satt til midtpunktet mellom de maksimale spenningene som er tilgjengelige fra strømforsyningen. De fleste forsterkere bruker flere enheter på hvert trinn; de samsvares vanligvis i spesifikasjoner bortsett fra polaritet. Matchede inverterte polaritetsenheter kalles komplementære par. Klasse A-forsterkere bruker vanligvis bare én enhet, med mindre strømforsyningen er innstilt på å gi både positive og negative spenninger, i hvilket tilfelle en symmetrisk design med to enheter kan brukes. Klasse C-forsterkere bruker per definisjon en enkelt polaritetsforsyning.

Forsterkere har ofte flere trinn i kaskade for å øke forsterkningen. Hvert trinn i disse designene kan være en annen type forsterker som passer til det trinnet. For eksempel kan det første trinnet være et klasse A-trinn, som mater et klasse-AB push-pull andre trinn, som deretter driver et klasse G-sluttutgangstrinn, og utnytter styrkene til hver type, samtidig som de minimerer svakhetene.

Se også

Referanser

Eksterne linker