Grundlegendes zu Verstärkerschaltungen

Grundlegendes zu Verstärkerschaltungen

Im Allgemeinen kann ein Verstärker als eine Schaltung definiert werden, die dazu ausgelegt ist, ein angelegtes Eingangssignal mit niedriger Leistung gemäß der angegebenen Nennleistung der Komponenten in ein Ausgangssignal mit hoher Leistung umzuwandeln.

Obwohl die Grundfunktion gleich bleibt, können Verstärker je nach Design und Konfiguration in verschiedene Kategorien eingeteilt werden.



Schaltungen zur Verstärkung von Logikeingängen

Möglicherweise sind Sie auf einzelne Transistorverstärker gestoßen, die für den Betrieb und die Verstärkung einer Niedrigsignallogik von Eingangssensoren wie z LDRs, Fotodioden Der Ausgang dieser Verstärker wird dann zum Schalten von a verwendet Flip-Flop oder ein Relais EIN / AUS als Reaktion auf die Signale von den Sensorgeräten.



Möglicherweise haben Sie auch winzige Verstärker gesehen, die zum Vorverstärken eines Musik- oder Audioeingangs oder zum Betreiben einer LED-Lampe verwendet werden.
All diese kleine Verstärker werden als kleine Signalverstärker kategorisiert.

Arten von Verstärkern

In erster Linie sind Verstärkerschaltungen zum Verstärken einer Musikfrequenz eingebaut, so dass der eingespeiste kleine Musikeingang in viele Falten verstärkt wird, normalerweise 100-mal bis 1000-mal und über einen Lautsprecher wiedergegeben wird.



Abhängig von ihrer Leistung oder Nennleistung können solche Schaltungen Konstruktionen aufweisen, die von kleinen Signalverstärkern auf Opamp-Basis bis zu großen Signalverstärkern reichen, die auch als Leistungsverstärker bezeichnet werden. Diese Verstärker werden technisch anhand ihrer Arbeitsprinzipien, Schaltungsstufen und der Art und Weise klassifiziert welche sie konfiguriert sein können, um die Verstärkungsfunktion zu verarbeiten.

Die folgende Tabelle enthält die Klassifizierungsdetails von Verstärkern anhand ihrer technischen Spezifikationen und ihres Funktionsprinzips:



In einem grundlegenden Verstärkerdesign finden wir, dass es meistens einige Stufen mit Netzwerken von Bipolartransistoren oder BJTs, Feldeffekttransistoren (FETs) oder Operationsverstärkern enthält.

Es ist zu sehen, dass solche Verstärkerblöcke oder -module ein paar Anschlüsse zum Einspeisen des Eingangssignals und ein weiteres Paar Anschlüsse am Ausgang zum Erfassen des verstärkten Signals über einen angeschlossenen Lautsprecher aufweisen.

Einer der Anschlüsse von diesen beiden ist der Erdungsanschluss und kann als gemeinsame Leitung zwischen der Eingangs- und der Ausgangsstufe angesehen werden.

Drei Eigenschaften eines Verstärkers

Die drei wichtigen Eigenschaften, die ein idealer Verstärker haben sollte, sind:

  • Eingangswiderstand (Rin)
  • Ausgangswiderstand (Rout)
  • Verstärkung (A) ist der Verstärkungsbereich des Verstärkers.

Grundlegendes zur Funktionsweise eines idealen Verstärkers

Die Differenz im verstärkten Signal zwischen Ausgang und Eingang wird als Verstärkung des Verstärkers bezeichnet. Dies ist die Größe oder der Betrag, um den der Verstärker das Eingangssignal über seine Ausgangsanschlüsse verstärken kann.

Nehmen wir zum Beispiel an, wenn ein Verstärker für die Verarbeitung eines Eingangssignals von 1 Volt zu einem verstärkten Signal von 50 Volt ausgelegt ist, dann würden wir sagen, dass der Verstärker eine Verstärkung von 50 hat, so einfach ist das.
Diese Verbesserung eines niedrigen Eingangssignals zu einem höheren Ausgangssignal wird als bezeichnet dazugewinnen eines Verstärkers. Alternativ kann dies als eine Erhöhung des Eingangssignals um den Faktor 50 verstanden werden.

Gewinnverhältnis Somit ist die Verstärkung eines Verstärkers im Wesentlichen das Verhältnis von Ausgangs- und Eingangswerten der Signalpegel oder einfach die Ausgangsleistung geteilt durch die Eingangsleistung und wird durch den Buchstaben 'A' zugeordnet, der auch die Verstärkungsleistung des Verstärkers bezeichnet.

Arten von Verstärkerverstärkungen Die verschiedenen Arten von Verstärkerverstärkungen können wie folgt klassifiziert werden:

  1. Spannungsverstärkung (Aus)
  2. Stromgewinn (Ai)
  3. Kraftgewinn (Ap)

Beispielformeln zur Berechnung der Verstärkerverstärkung Abhängig von den obigen 3 Arten von Gewinnen können die Formeln zur Berechnung dieser aus den folgenden Beispielen gelernt werden:

  1. Spannungsverstärkung (Av) = Ausgangsspannung / Eingangsspannung = Vout / Vin
  2. Stromverstärkung (Ai) = Ausgangsstrom / Eingangsstrom = Iout / Iin
  3. Leistungsgewinn (Ap) = Av.x.A. ich

Alternativ können Sie zur Berechnung der Leistungsverstärkung auch die folgende Formel verwenden:
Leistungsverstärkung (Ap) = Ausgangsleistung / Eingangsleistung = Aout / Ain

Es wäre wichtig zu beachten, dass der Index p, v, i Die zur Berechnung der Leistung verwendeten Werte werden zur Identifizierung der spezifischen Art der Signalverstärkung zugewiesen, an der gearbeitet wird.

Dezibel ausdrücken

Sie finden eine andere Methode zum Ausdrücken der Leistungsverstärkung eines Verstärkers in Dezibel oder (dB).
Das Maß oder die Größe Bel (B) ist eine logarithmische Einheit (Basis 10), die keine Maßeinheit hat.
Ein Dezibel könnte jedoch eine zu große Einheit für den praktischen Gebrauch sein, daher verwenden wir die abgesenkte Version Dezibel (dB) für Verstärkerberechnungen.
Hier sind einige Formeln, die zum Messen der Verstärkerverstärkung in Dezibel verwendet werden können:

  1. Spannungsverstärkung in dB: Aus = 20 * log (Aus)
  2. Stromverstärkung in dB: ai = 20 * log (Ai)
  3. Leistungsgewinn in dB: ap = 10 * log (Ap)

Einige Fakten zur dB-Messung
Es ist wichtig zu beachten, dass die Gleichstromverstärkung eines Verstärkers das 10-fache des gemeinsamen Logarithmus seines Ausgangs / Eingangs-Verhältnisses beträgt, während die Verstärkungen von Strom und Spannung das 20-fache des gemeinsamen Logarithmus ihrer Verhältnisse betragen.

Dies bedeutet, dass eine Verstärkung von 20 dB aufgrund der nichtlinearen Messcharakteristik von logarithmischen Skalen nicht als doppelt so hoch wie 10 dB angesehen werden kann, da es sich um eine logarithmische Skala handelt.

Wenn die Verstärkung in dB gemessen wird, bedeuten positive Werte die Verstärkung des Verstärkers, während ein negativer dB-Wert einen Verlust der Verstärkung des Verstärkers anzeigt.

Wenn beispielsweise eine Verstärkung von +3 dB identifiziert wird, zeigt dies eine zweifache oder x2-Verstärkung des jeweiligen Verstärkerausgangs an.

Wenn umgekehrt das Ergebnis -3 dB ist, bedeutet dies, dass der Verstärker einen Verlust von 50% oder ein x0,5-Maß für den Verlust seiner Verstärkung aufweist. Dies wird auch als Punkt mit halber Leistung bezeichnet, was bedeutet, dass -3 dB niedriger als die maximal erreichbare Leistung sind, bezogen auf 0 dB, was die maximal mögliche Ausgabe des Verstärkers ist

Verstärker berechnen

Berechnen Sie die Spannungs-, Strom- und Leistungsverstärkung eines Verstärkers mit den folgenden Spezifikationen: Eingangssignal = 10 mV bei 1 mA Ausgangssignal = 1 V bei 10 mA. Ermitteln Sie zusätzlich die Verstärkung des Verstärkers anhand von Dezibelwerten (dB).

Lösung:

Unter Anwendung der oben erlernten Formeln können wir die verschiedenen Arten von Verstärkungen, die mit dem Verstärker verbunden sind, gemäß den vorliegenden Eingangs- / Ausgangsspezifikationen bewerten:

Spannungsverstärkung (Av) = Ausgangsspannung / Eingangsspannung = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Stromverstärkung (Ai) = Ausgangsstrom / Eingangsstrom = Iout / Iin = 10/1 = 10
Leistungsgewinn (Ap) = Av. x A. ich = 100 x 10 = 1000

Um die Ergebnisse in Dezibel zu erhalten, wenden wir die folgenden Formeln an:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Verstärkerunterteilungen

Kleinsignalverstärker: In Bezug auf die Leistungs- und Spannungsverstärkungsspezifikationen eines Verstärkers können wir sie in verschiedene Kategorien unterteilen.

Der erste Typ wird als Kleinsignalverstärker bezeichnet. Diese Kleinsignalverstärker werden im Allgemeinen in Vorverstärkerstufen, Instrumentenverstärkern usw. verwendet.

Diese Verstärkertypen wurden für die Verarbeitung winziger Signalpegel an ihren Eingängen im Bereich einiger Mikrovolt entwickelt, z. B. von Sensorgeräten oder kleinen Audiosignaleingängen.

Großsignalverstärker: Der zweite Verstärkertyp wird als Großsignalverstärker bezeichnet, und wie der Name schon sagt, werden diese in Leistungsverstärkeranwendungen verwendet, um große Verstärkungsbereiche zu erreichen. Bei diesen Verstärkern ist das Eingangssignal relativ größer, so dass sie zur Wiedergabe und Ansteuerung in leistungsstarke Lautsprecher wesentlich verstärkt werden können.

Wie Leistungsverstärker funktionieren

Da Kleinsignalverstärker zur Verarbeitung kleiner Eingangsspannungen ausgelegt sind, werden diese als Kleinsignalverstärker bezeichnet. Wenn jedoch ein Verstärker an seinen Ausgängen mit Anwendungen mit hohem Schaltstrom arbeiten muss, z. B. mit einem Motor oder Subwoofern, ist ein Leistungsverstärker unvermeidlich.

Am beliebtesten sind Leistungsverstärker als Audioverstärker zum Ansteuern großer Lautsprecher und zum Erreichen großer Musikpegelverstärkungen und Lautstärkeausgänge.

Leistungsverstärker benötigen für ihre Arbeit eine externe Gleichstromleistung, und diese Gleichstromleistung wird verwendet, um die beabsichtigte Hochleistungsverstärkung an ihrem Ausgang zu erreichen. Die Gleichstromversorgung wird normalerweise durch Hochstrom-Hochspannungsversorgungen über Transformatoren oder SMPS-basierte Einheiten abgeleitet.

Obwohl Leistungsverstärker in der Lage sind, das niedrigere Eingangssignal in hohe Ausgangssignale umzuwandeln, ist das Verfahren tatsächlich nicht sehr effizient. Dies liegt daran, dass dabei eine erhebliche Menge an Gleichstrom in Form von Wärmeableitung verschwendet wird.

Wir wissen, dass ein idealer Verstärker eine Leistung erzeugen würde, die fast der verbrauchten Leistung entspricht, was zu einem Wirkungsgrad von 100% führt. Praktisch sieht dies jedoch ziemlich abgelegen aus und ist möglicherweise aufgrund der inhärenten Gleichstromverlustverluste der Leistungsgeräte in Form von Wärme nicht durchführbar.

Effizienz eines Verstärkers Aus den obigen Überlegungen können wir die Effizienz eines Verstärkers wie folgt ausdrücken:

Wirkungsgrad = Verstärkerleistung / Gleichstromverbrauch des Verstärkers = Pout / Pin

Idealer Verstärker

Unter Bezugnahme auf die obige Diskussion kann es uns möglich sein, die Hauptmerkmale eines idealen Verstärkers zu skizzieren. Sie sind speziell wie unten erklärt:

Die Verstärkung (A) eines idealen Verstärkers sollte unabhängig von einem variierenden Eingangssignal konstant sein.

  1. Die Verstärkung bleibt unabhängig von der Frequenz des Eingangssignals konstant, so dass die Ausgangsverstärkung nicht beeinflusst wird.
  2. Der Ausgang des Verstärkers ist während des Verstärkungsprozesses frei von jeglichem Rauschen. Im Gegensatz dazu enthält er eine Rauschunterdrückungsfunktion, die jegliches mögliche Rauschen, das durch die Eingangsquelle eingeführt wird, unterdrückt.
  3. Es bleibt von den Änderungen der Umgebungstemperatur oder der atmosphärischen Temperatur unberührt.
  4. Eine lange Nutzung hat nur minimale oder keine Auswirkungen auf die Leistung des Verstärkers und bleibt konstant.

Klassifizierung elektronischer Verstärker

Unabhängig davon, ob es sich um einen Spannungsverstärker oder einen Leistungsverstärker handelt, werden diese anhand ihrer Eingangs- und Ausgangssignaleigenschaften klassifiziert. Dies erfolgt durch Analyse des Stromflusses in Bezug auf das Eingangssignalsignal und die Zeit, die erforderlich ist, um den Ausgang zu erreichen.

Leistungsverstärker können aufgrund ihrer Schaltungskonfiguration in alphabetischer Reihenfolge kategorisiert werden. Sie sind verschiedenen Betriebsklassen zugeordnet, wie z.

Klasse a'
Klasse b'
Klasse C'
Klasse 'AB' und so weiter.

Diese können Eigenschaften haben, die von einer nahezu linearen Ausgangsantwort, aber einem eher geringen Wirkungsgrad bis zu einer nichtlinearen Ausgangsantwort mit hohem Wirkungsgrad reichen.

Keine dieser Verstärkerklassen kann als schlechter oder besser als die anderen unterschieden werden, da jeder je nach Anforderung seinen eigenen spezifischen Anwendungsbereich hat.

Möglicherweise finden Sie für jede dieser Optionen optimale Konvertierungseffizienzen, und ihre Beliebtheit kann in der folgenden Reihenfolge ermittelt werden:

Klasse-A-Verstärker: Der Wirkungsgrad liegt normalerweise unter 40%, kann jedoch eine verbesserte lineare Signalausgabe aufweisen.

Verstärker der Klasse B: Der Wirkungsgrad kann doppelt so hoch sein wie der der Klasse A, praktisch etwa 70%, da nur die aktiven Geräte des Verstärkers Strom verbrauchen und nur 50% des Stromverbrauchs verursachen.

Verstärker der Klasse 'AB': Verstärker dieser Kategorie haben einen Wirkungsgrad zwischen dem der Klasse A und der Klasse B, aber die Signalwiedergabe ist im Vergleich zur Klasse A schlechter.

Klasse-C-Verstärker: Diese werden hinsichtlich des Stromverbrauchs als außerordentlich effizient angesehen, aber die Signalwiedergabe ist mit viel Verzerrung am schlechtesten, was zu einer sehr schlechten Replikation der Eingangssignaleigenschaften führt.

Funktionsweise von Klasse-A-Verstärkern:

Klasse-A-Verstärker haben idealerweise vorgespannte Transistoren innerhalb des aktiven Bereichs, wodurch das Eingangssignal am Ausgang genau verstärkt werden kann.

Aufgrund dieser perfekten Vorspannungsfunktion darf der Transistor niemals in Richtung seiner Grenz- oder Sättigungsbereiche driften, was dazu führt, dass die Signalverstärkung korrekt optimiert und zwischen den angegebenen oberen und unteren Einschränkungen des Signals zentriert wird, wie im Folgenden gezeigt Bild:

In der Klasse-A-Konfiguration werden identische Sätze von Transistoren über zwei Hälften der Ausgangswellenform angelegt. Und abhängig von der Art der verwendeten Vorspannung werden die Ausgangsleistungstransistoren immer in der eingeschalteten Position gerendert, unabhängig davon, ob das Eingangssignal angelegt wird oder nicht.

Aus diesem Grund erhalten Verstärker der Klasse A einen äußerst schlechten Wirkungsgrad hinsichtlich des Stromverbrauchs, da die tatsächliche Leistungsabgabe an den Ausgang aufgrund übermäßiger Verschwendung durch Verlustleistung des Geräts behindert wird.

Mit der oben erläuterten Situation können Klassenverstärker gesehen werden, die selbst in Abwesenheit eines Eingangssignals immer überhitzte Ausgangsleistungstransistoren aufweisen.

Selbst wenn kein Eingangssignal vorhanden ist, kann der Gleichstrom (Ic) von der Stromversorgung durch die Leistungstransistoren fließen, was dem Strom entsprechen kann, der durch den Lautsprecher fließt, wenn ein Eingangssignal vorhanden war. Dies führt zu kontinuierlichen 'heißen' Transistoren und Energieverschwendung.

Verstärkerbetrieb der Klasse B.

Im Gegensatz zur Verstärkerkonfiguration der Klasse A, die von einzelnen Leistungstransistoren abhängt, verwendet die Klasse B ein Paar komplementärer BJTs über jeden halben Abschnitt der Schaltung. Diese können in Form von NPN / PNP oder N-Kanal-Mosfet / P-Kanal-Mosfet vorliegen.

Hier kann einer der Transistoren als Reaktion auf den einen halben Wellenformzyklus des Eingangssignals leiten, während der andere Transistor den anderen halben Zyklus der Wellenform handhabt.

Dies stellt sicher, dass jeder Transistor in dem Paar die Hälfte der Zeit innerhalb des aktiven Bereichs und die Hälfte der Zeit im Grenzbereich leitet, wodurch nur eine 50% ige Beteiligung an der Verstärkung des Signals ermöglicht wird.

Im Gegensatz zu Klasse-A-Verstärkern sind bei Klasse-B-Verstärkern die Leistungstransistoren nicht mit einem direkten Gleichstrom vorgespannt, sondern die Konfiguration stellt sicher, dass sie nur leiten, während das Eingangssignal höher als die Basis-Emitter-Spannung ist, die für Silizium-BJTs etwa 0,6 V betragen könnte.

Dies bedeutet, dass die BJTs ausgeschaltet bleiben und der Ausgangsstrom Null ist, wenn kein Eingangssignal vorhanden ist. Aus diesem Grund dürfen zu jedem Zeitpunkt nur 50% des Eingangssignals in den Ausgang gelangen, was eine viel bessere Effizienzrate für diese Verstärker ermöglicht. Das Ergebnis ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Da es keine direkte Beteiligung von Gleichstrom zum Vorspannen der Leistungstransistoren in Verstärkern der Klasse B gibt, wird es für deren Basis / Emitter unabdingbar, um die Leitung als Reaktion auf die jeweils halben +/- Wellenformzyklen zu initiieren Vbe ein höheres Potential als 0,6 V zu erhalten (Standard-Basisvorspannungswert für BJTs)

Aufgrund der obigen Tatsache bedeutet dies, dass die Ausgangswellenform zwar unter der 0,6-V-Marke liegt, jedoch nicht verstärkt und reproduziert werden kann.

Dies führt zu einem verzerrten Bereich für die Ausgangswellenform, genau während des Zeitraums, in dem einer der BJTs ausgeschaltet wird und darauf wartet, dass der andere wieder eingeschaltet wird.

Dies führt dazu, dass ein kleiner Abschnitt der Wellenform während der Überkreuzungsperiode oder der Übergangsperiode nahe dem Nulldurchgang einer geringfügigen Verzerrung ausgesetzt ist, genau dann, wenn der Wechsel von einem Transistor zum anderen über komplementäre Paare erfolgt.

Verstärkerbetrieb der Klasse AB

Der Verstärker der Klasse AB wird unter Verwendung einer Mischung von f-Eigenschaften aus Schaltungsdesigns der Klassen A und B hergestellt, daher der Name Klasse AB.

Obwohl das Design der Klasse AB auch mit einem Paar komplementärer BJTs funktioniert, stellt die Ausgangsstufe sicher, dass die Vorspannung der Leistungs-BJTs nahe der Grenzschwelle gesteuert wird, wenn kein Eingangssignal vorhanden ist.

In dieser Situation negieren die Transistoren, sobald ein Eingangssignal erfasst wird, normal in ihrem aktiven Bereich, wodurch jede Möglichkeit einer Überkreuzungsverzerrung verhindert wird, die normalerweise in Konfigurationen der Klasse B vorherrscht. Es kann jedoch zu einer geringen Menge an Kollektorstrom kommen, der über die BJTs geleitet wird. Diese Menge kann im Vergleich zu Konstruktionen der Klasse A als vernachlässigbar angesehen werden.

Verstärker vom Typ Klasse AB weisen im Gegensatz zum Gegenstück der Klasse A eine stark verbesserte Effizienzrate und eine lineare Reaktion auf.

Ausgangswellenform des Verstärkers der Klasse AB

Die Verstärkerklasse ist ein wichtiger Parameter, der davon abhängt, wie die Transistoren durch die Amplitude des Eingangssignals vorgespannt sind, um den Verstärkungsprozess zu implementieren.

Es hängt davon ab, wie viel von der Größe der Eingangssignalwellenform für die Transistoren zum Leiten verwendet wird, und auch vom Wirkungsgrad, der durch die tatsächlich zur Abgabe des Ausgangs verwendete und / oder durch Verlustleistung verschwendete Energiemenge bestimmt wird.

In Bezug auf diese Faktoren können wir schließlich einen Vergleichsbericht erstellen, der die Unterschiede zwischen den verschiedenen Klassen von Verstärkern zeigt, wie in der folgenden Tabelle angegeben.

Dann können wir einen Vergleich zwischen den häufigsten Arten von Verstärkerklassifizierungen in der folgenden Tabelle durchführen.

Leistungsverstärkerklassen

Abschließende Gedanken

Wenn ein Verstärker nicht richtig ausgelegt ist, wie beispielsweise ein Verstärker der Klasse A, kann dies zu erheblichen Kühlkörpern an den Leistungsgeräten sowie zu Kühlgebläsen für den Betrieb führen. Solche Konstruktionen benötigen auch größere Stromversorgungseingänge, um die enormen Mengen an Energie zu kompensieren, die durch Wärme verschwendet werden. All diese Nachteile können solche Verstärker sehr ineffizient machen, was wiederum zu einer allmählichen Verschlechterung der Vorrichtungen und schließlich zu Ausfällen führen kann.

Daher kann es ratsam sein, einen Verstärker der Klasse B zu wählen, der mit einem höheren Wirkungsgrad von etwa 70% im Gegensatz zu 40% eines Verstärkers der Klasse A ausgelegt ist. Der Verstärker der Klasse A verspricht möglicherweise eine linearere Reaktion mit seiner Verstärkung und einen breiteren Frequenzgang, obwohl dies mit einem Preis für erhebliche Energieverschwendung verbunden ist.




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