Forsterkere fortjenestetall - Amplifier figures of merit
I elektronikk er fortjenestetallene til en forsterker numeriske mål som karakteriserer dens egenskaper og ytelse. Tall av fortjeneste kan gis som en liste over spesifikasjoner som inkluderer egenskaper som forsterkning , båndbredde , støy og linearitet , blant annet oppført i denne artikkelen. Verdier er viktige for å bestemme egnetheten til en bestemt forsterker for en tiltenkt bruk.
Gevinst
Den forsterkning i en forsterker er forholdet mellom utgangs til inngangseffekt eller amplitude, og er vanligvis målt i desibel . Når det måles i desibel er det logaritmisk relatert til effektforholdet: G (dB) = 10 log ( P ut / P inn ). RF- forsterkere spesifiseres ofte i form av maksimal effektforsterkning som kan oppnås, mens spenningsforsterkningen til lydforsterkere og instrumentasjonsforsterkere vil oftere bli spesifisert. For eksempel vil en lydforsterker med forsterkning gitt som 20 dB ha en spenningsforsterkning på ti.
Bruken av tallet for spenningsforsterkning er passende når forsterkerens inngangsimpedans er mye høyere enn kildeimpedansen, og lastimpedansen høyere enn forsterkerens utgangsimpedans.
Hvis to likeverdige forsterkere sammenlignes, vil forsterkeren med høyere forsterkningsinnstillinger være mer følsom, da det vil ta mindre inngangssignal for å produsere en gitt mengde kraft.
Båndbredde
Den båndbredden av en forsterker er det frekvensområde for hvilket forsterkeren gir "tilfredsstillende ytelse". Definisjonen av "tilfredsstillende ytelse" kan være forskjellig for forskjellige applikasjoner. En vanlig og godt akseptert beregning er imidlertid halveffektpunktene (dvs. frekvensen der kraften går ned med halvparten av toppverdien) på utgangs- vs. frekvenskurven. Derfor kan båndbredde defineres som forskjellen mellom de nedre og øvre halvdelene. Dette er derfor også kjent som −3 dB båndbredde. Båndbredder (ellers kalt "frekvensresponser") for andre responstoleranser er noen ganger sitert ( −1 dB , −6 dB osv.) Eller "pluss eller minus 1 dB" (omtrent lydnivåforskjellen folk vanligvis kan oppdage).
Gevinsten av en lydforsterker av full kvalitet med god kvalitet vil i det vesentlige være flat mellom 20 Hz og ca. 20 kHz (området for normal menneskelig hørsel ). I ultra-high-fidelity-forsterkerdesign, bør forsterkerens frekvensrespons strekke seg betydelig utover dette (en eller flere oktaver på hver side) og kan ha -3 dB- punkter <10 Hz og> 65 kHz . Profesjonelle touringforsterkere har ofte inn- og / eller utfiltrering for å skarpt begrense frekvensresponsen utover 20 Hz-20 kHz ; for mye av forsterkerens potensielle utgangseffekt vil ellers bli kastet bort på infralyd- og ultralydfrekvenser , og faren for AM -radiointerferens vil øke. Moderne bryterforsterkere trenger bratt lavpasfiltrering ved utgangen for å kvitte seg med høyfrekvente svitsjestøy og harmoniske .
Frekvensområdet der forsterkningen er lik eller større enn 70,7% av den maksimale forsterkningen, betegnes som båndbredde.
Effektivitet
Effektivitet er et mål på hvor mye av strømkilden som brukes på forsterkerens utgang. Klasse A- forsterkere er veldig ineffektive, i området 10–20% med en maksimal effektivitet på 25% for direkte kobling av utgangen. Induktiv kobling av utgangen kan øke effektiviteten til maksimalt 50%.
Avløpseffektivitet er forholdet mellom RF-utgang og inngangsstrøm når primær inngangsstrøm er matet til avløpet til en felteffekt-transistor . Basert på denne definisjonen, kan avløpseffektiviteten ikke overstige 25% for en klasse A-forsterker som får tilført avløpsforspenningsstrøm gjennom motstander (fordi RF-signalet har nullnivået på omtrent 50% av inngangsstrømmen). Produsenter spesifiserer mye høyere avløpseffektivitet, og designere er i stand til å oppnå høyere effektivitet ved å gi strøm til avløpet til transistoren gjennom en induktor eller en transformatorvikling. I dette tilfellet er RF-nullnivået nær DC-skinnen og vil svinge både over og under skinnen under drift. Mens spenningsnivået er over DC-skinnestrømmen tilføres spolen.
Klasse B-forsterkere har veldig høy effektivitet, men er upraktiske for lydarbeid på grunn av høye nivåer av forvrengning (se: Crossover forvrengning ). I praktisk design er resultatet av en kompromiss klasse AB-design. Moderne klasse AB-forsterkere har ofte toppeffektiviteter mellom 30 og 55% i lydsystemer og 50-70% i radiofrekvenssystemer med et teoretisk maksimum på 78,5%.
Kommersielt tilgjengelige klasse D- bryterforsterkere har rapportert virkningsgrad så høyt som 90%. Forsterkere av klasse CF er vanligvis kjent for å være svært høyeffektive forsterkere. RCA produserte en AM-kringkastingssender som benytter en enkelt klasse C lav-mu-triode med RF-effektivitet i 90% -området.
Mer effektive forsterkere kjører kjøligere, og trenger ofte ikke kjølevifter, selv ikke i flere kilowatt-design. Årsaken til dette er at effektivitetstapet produserer varme som et biprodukt av energien som går tapt under omdannelsen av kraft. I mer effektive forsterkere er det mindre tap av energi, så mindre varme.
I RF lineære effektforsterkere, for eksempel mobilbasestasjoner og kringkastingssendere, kan spesielle designteknikker brukes for å forbedre effektiviteten. Doherty-design, som bruker et andre utgangstrinn som en "peak" -forsterker, kan løfte effektiviteten fra de typiske 15% opp til 30-35% i en smal båndbredde. Konvoluttsporingsdesign er i stand til å oppnå virkningsgrader på opptil 60% ved å modulere forsyningsspenningen til forsterkeren i tråd med konvolutten til signalet.
Lineæritet
En ideell forsterker vil være en helt lineær enhet, men ekte forsterkere er bare lineære innenfor grenser.
Når signalstasjonen til forsterkeren økes, øker også utgangen til et punkt er nådd der en del av forsterkeren blir mettet og ikke kan produsere noe mer utgang; dette kalles klipping, og resulterer i forvrengning .
I de fleste forsterkere skjer en reduksjon i forsterkning før hard klipping skjer. resultatet er en komprimeringseffekt , som (hvis forsterkeren er en lydforsterker) høres mye mindre ubehagelig ut for øret. For disse forsterkerne er kompresjonspunktet på 1 dB definert som inngangseffekt (eller utgangseffekt) der forsterkningen er 1 dB mindre enn den lille signalforsterkningen. Noen ganger er denne ikke-lineariteten bevisst designet for å redusere den hørbare ubehageligheten ved hard klipping under overbelastning.
Syke effekter av ikke-linearitet kan reduseres med negativ tilbakemelding.
Linearisering er et fremvoksende felt, og det er mange teknikker, for eksempel feed forward , predistortion , postdistortion, for å unngå uønskede effekter av ikke-lineariteter.
Bråk
Dette er et mål på hvor mye støy som blir introdusert i forsterkningsprosessen. Støy er et uønsket, men uunngåelig produkt av elektroniske enheter og komponenter; også mye støy skyldes forsettlige økonomier i produksjon og designtid. Metrikken for støyytelse for en krets er støytall eller støyfaktor. Støytall er en sammenligning mellom utgangssignal og støyforhold og termisk støy fra inngangssignalet.
Utgang dynamisk område
Utgangsdynamisk område er området, vanligvis gitt i dB, mellom de minste og største nyttige utgangsnivåene. Det laveste brukbart nivå er begrenset av utgangsstøy , mens den største er begrenset oftest ved forvrengning. Forholdet mellom disse to er sitert som forsterkerens dynamiske område. Mer presist, hvis S = maksimal tillatt signaleffekt og N = støyeffekt, det dynamiske området DR er DR = (S + N) / N .
I mange forsterkere med omkoblet modus er dynamisk område begrenset av den minimale utgangstrinnstørrelsen.
Slew rate
Slew rate er den maksimale endringshastigheten for utgangen, vanligvis sitert i volt per sekund (eller mikrosekund). Mange forsterkere er til slutt svinghastighetsbegrensede (vanligvis ved impedansen til en drivstrøm som må overvinne kapasitive effekter på et eller annet tidspunkt i kretsen), som noen ganger begrenser full effekt båndbredde til frekvenser langt under forsterkerens småsignalsfrekvensrespons.
Stigetid
Den stigetiden , t r , av en forsterker er den tid det tar for utgangssignalet for å skifte fra 10% til 90% av sitt endelige nivå når det drives av en trinninngang . For et Gaussisk responssystem (eller en enkel RC- avrulling ) tilnærmet seg økningstiden med:
t r * BW = 0,35 , hvor t r stiger tid i sekunder og BW er båndbredde i Hz .
Settetid og ringer
Tiden det tar for utgangen å avgjøre seg innenfor en viss prosentandel av den endelige verdien (for eksempel 0,1%) kalles settlingstiden , og er vanligvis spesifisert for oscilloskop vertikale forsterkere og målesystemer med høy nøyaktighet. Ringing refererer til en utgangsvariasjon som sykler over og under en forsterkeres endelige verdi og fører til en forsinkelse i å nå en stabil utgang. Ringer er resultatet av overskudd forårsaket av en underdempet krets.
Overskyting
Som svar på trinninngang er overskridelsen mengden utgangen overstiger den endelige, steady-state-verdien.
Stabilitet
Stabilitet er et problem i alle forsterkere med tilbakemelding, om tilbakemeldingen legges til med vilje eller resulterer utilsiktet. Det er spesielt et problem når det brukes over flere forsterkningstrinn.
Stabilitet er en stor bekymring i RF- og mikrobølgeforsterkere . Graden av en forsterkeres stabilitet kan kvantifiseres med en såkalt stabilitetsfaktor. Det er flere forskjellige stabilitetsfaktorer, for eksempel Stern-stabilitetsfaktoren og Linvil-stabilitetsfaktoren, som spesifiserer en betingelse som må oppfylles for den absolutte stabiliteten til en forsterker når det gjelder parametrene for to porter .