Wat is een versterker? Inleiding tot de versterker

Een versterker is een elektronisch apparaat of circuit dat wordt gebruikt om de sterkte van het signaal dat op de ingang wordt toegepast te vergroten

Versterker is de generieke term die wordt gebruikt om een ​​circuit te beschrijven dat een verhoogde versie van zijn ingangssignaal produceert. Niet alle versterkercircuits zijn echter hetzelfde, aangezien ze zijn geclassificeerd op basis van hun circuitconfiguraties en werkingsmodi.

In "Elektronica" zijn kleine signaalversterkers veelgebruikte apparaten omdat ze de mogelijkheid hebben om een ​​relatief klein ingangssignaal, bijvoorbeeld van een sensor zoals een fotoapparaat, te versterken tot een veel groter uitgangssignaal om bijvoorbeeld een relais, lamp of luidspreker aan te sturen.

Er zijn vele vormen van elektronische schakelingen die worden geclassificeerd als versterkers, van operationele versterkers en kleine signaalversterkers tot grote signaal- en eindversterkers. 

De classificatie van een versterker hangt af van de grootte van het signaal, groot of klein, de fysieke configuratie en hoe het het ingangssignaal verwerkt, dat wil zeggen de relatie tussen het ingangssignaal en de stroom die door de belasting vloeit.

Het type of de classificatie van een versterker wordt gegeven in de volgende tabel.

Classificatie van signaalversterker

Versterkers kunnen worden gezien als een eenvoudige doos of blok met daarin het versterkende apparaat, zoals een bipolaire transistor, veldeffecttransistor of operationele versterker, die twee ingangsaansluitingen en twee uitgangsaansluitingen heeft (massa is gemeenschappelijk) waarbij het uitgangssignaal veel groter is dan dat van het ingangssignaal zoals het is "versterkt".

Een ideale signaalversterker heeft drie hoofdeigenschappen: ingangsweerstand of (RIN), uitgangsweerstand of (ROUT) en natuurlijk versterking die algemeen bekend staat als Gain of (A). Hoe ingewikkeld een versterkerschakeling ook is, een algemeen versterkermodel kan nog steeds worden gebruikt om de relatie tussen deze drie eigenschappen te laten zien.

Ideaal versterkermodel

Het versterkte verschil tussen de ingangs- en uitgangssignalen staat bekend als de versterking van de versterker. Versterking is in feite een maat voor hoeveel een versterker het ingangssignaal "versterkt". 

Als we bijvoorbeeld een ingangssignaal hebben van 1 volt en een uitgang van 50 volt, dan zou de versterking van de versterker "50" zijn. Met andere woorden, het ingangssignaal is met een factor 50 verhoogd. Deze toename wordt Gain genoemd.

Versterkerversterking is gewoon de verhouding van de output gedeeld door de input. Gain heeft geen eenheden als verhouding, maar in de elektronica wordt het gewoonlijk het symbool "A" gegeven, voor versterking. Dan wordt de versterking van een versterker eenvoudig berekend als het "uitgangssignaal gedeeld door het ingangssignaal".

Versterker winst

De introductie van de versterkerversterking kan worden beschouwd als de relatie die bestaat tussen het signaal gemeten aan de uitgang en het signaal gemeten aan de ingang. 

Er zijn drie verschillende soorten versterkerversterking die kunnen worden gemeten en deze zijn: Spanningsversterking (Av), Stroomversterking (Ai) en Vermogensversterking (Ap), afhankelijk van de hoeveelheid die wordt gemeten met voorbeelden van deze verschillende soorten versterkingen die hieronder worden gegeven.

Versterkerversterking van het ingangssignaal

Versterkerspanningsversterking

Huidige versterkerversterking

Eindversterker versterking

Merk op dat u voor de vermogensversterking ook het aan de uitgang verkregen vermogen kunt delen met het aan de ingang verkregen vermogen. Ook bij het berekenen van de versterking van een versterker worden de subscripts v, i en p gebruikt om het type signaalversterking aan te geven dat wordt gebruikt.

De vermogensversterking (Ap) of het vermogensniveau van de versterker kan ook worden uitgedrukt in decibel (dB). De Bel (B) is een logaritmische maateenheid (grondtal 10) zonder eenheden. 

Omdat de Bel een te grote maateenheid is, wordt deze voorafgegaan door deci, waardoor het Decibels wordt, waarbij één decibel een tiende (1/10e) van een Bel is. Om de versterking van de versterker in decibel of dB te berekenen, kunnen we de volgende uitdrukkingen gebruiken.

Spanningsversterking in dB: av = 20*log(Av)

Huidige winst in dB: ai = 20*log(Ai)

Vermogenswinst in dB: ap = 10*log(Ap)

Merk op dat de DC-vermogensversterking van een versterker gelijk is aan tien keer de gemeenschappelijke log van de uitvoer-ingangsverhouding, terwijl de spannings- en stroomversterkingen 20 keer de gemeenschappelijke log van de verhouding zijn. Merk echter op dat 20dB niet twee keer zoveel vermogen is als 10dB vanwege de logschaal.

Ook vertegenwoordigt een positieve waarde van dB een versterking en een negatieve waarde van dB vertegenwoordigt een verlies binnen de versterker. Een versterkerversterking van +3dB geeft bijvoorbeeld aan dat het uitgangssignaal van de versterker is "verdubbeld", (x2), terwijl een versterkerversterking van -3dB aangeeft dat het signaal is "gehalveerd", (x0.5) of met andere woorden een verlies.

Het -3dB-punt van een versterker wordt het halve vermogenspunt genoemd, dat is -3dB lager dan het maximum, waarbij 0dB als maximale uitgangswaarde wordt genomen.

Versterker Voorbeeld No1
Bepaal de spanning, stroom en vermogensversterking van een versterker met een ingangssignaal van 1mA bij 10mV en een overeenkomstig uitgangssignaal van 10mA bij 1V. Druk ook alle drie de winsten uit in decibel (dB).

De verschillende versterkerwinsten:

Versterkerwinst gegeven in decibel (dB):

Dan heeft de versterker een Voltage Gain, (Av) van 100, een Current Gain, (Ai) van 10 en een Power Gain, (Ap) van 1,000

Over het algemeen kunnen versterkers worden onderverdeeld in twee verschillende typen, afhankelijk van hun vermogen of spanningsversterking. Eén type wordt de kleine signaalversterker genoemd, waaronder voorversterkers, instrumentatieversterkers enz. Kleine signaalversterkers zijn ontworpen om zeer kleine signaalspanningsniveaus van slechts enkele microvolts (μV) van sensoren of audiosignalen te versterken.

Het andere type worden grote signaalversterkers genoemd, zoals audio-eindversterkers of vermogensschakelversterkers. Grote signaalversterkers zijn ontworpen om grote ingangsspanningssignalen te versterken of zware belastingsstromen te schakelen, zoals u zou vinden met aandrijvende luidsprekers.

versterkers
De kleine signaalversterker wordt over het algemeen een "spanningsversterker" genoemd omdat ze meestal een kleine ingangsspanning omzetten in een veel grotere uitgangsspanning. Soms is een versterkercircuit nodig om een ​​motor aan te drijven of een luidspreker te voeden en voor dit soort toepassingen waarbij hoge schakelstromen nodig zijn, zijn eindversterkers vereist.

Zoals hun naam al doet vermoeden, is de belangrijkste taak van een "eindversterker" (ook bekend als een grote signaalversterker) het leveren van stroom aan de belasting, en zoals we van bovenaf weten, is dit het product van de spanning en stroom die op de belasting worden toegepast, waarbij het uitgangssignaalvermogen groter is dan het ingangssignaalvermogen. Met andere woorden, een eindversterker versterkt het vermogen van het ingangssignaal en daarom worden dit soort versterkercircuits gebruikt in eindtrappen van audioversterkers om luidsprekers aan te sturen.

De vermogensversterker werkt volgens het basisprincipe van het omzetten van de gelijkstroom die wordt onttrokken aan de voeding in een wisselspanningssignaal dat aan de belasting wordt geleverd. Hoewel de versterking hoog is, is de efficiëntie van de conversie van de DC-voedingsingang naar de AC-spanningssignaaluitgang meestal slecht.

De perfecte of ideale versterker zou ons een rendement van 100% geven of tenminste het vermogen "IN" zou gelijk zijn aan het vermogen "OUT". In werkelijkheid kan dit echter nooit gebeuren, omdat een deel van het vermogen verloren gaat in de vorm van warmte en ook de versterker zelf stroom verbruikt tijdens het versterkingsproces. Dan wordt het rendement van een versterker gegeven als:

Versterker efficiëntie

Ideale versterker
We kunnen de kenmerken voor een ideale versterker weten uit onze discussie hierboven met betrekking tot de versterking, wat spanningsversterking betekent:

*De versterkerers gain, (A) moet constant blijven voor variërende waarden van het ingangssignaal.

*Verdienen wordt niet beïnvloed door de frequentie. Signalen van alle frequenties moeten met exact dezelfde hoeveelheid worden versterkt.

*De versterking van de versterker mag geen ruis toevoegen aan de ouitgangssignaal. Het zou alle ruis moeten verwijderen die al in het ingangssignaal aanwezig is.

*De versterking van de versterker mag niet worden beïnvloeddoor veranderingen in temperatuur waardoor een goede temperatuurstabiliteit wordt verkregen.

*De versterking van de versterker moet stabiel blijven over long periodes.

Elektronische versterkerklassen
De classificatie van een versterker als een spannings- of een vermogensversterker wordt gemaakt door de kenmerken van de ingangs- en uitgangssignalen te vergelijken door de hoeveelheid tijd te meten in relatie tot het ingangssignaal dat de stroom in het uitgangscircuit vloeit.

We zagen in de Common Emitter Transistor-tutorial dat om de transistor binnen zijn "Actieve Regio" te laten werken, een vorm van "Base Biasing" nodig was. Door deze kleine Base Bias-spanning die aan het ingangssignaal werd toegevoegd, kon de transistor de volledige ingangsgolfvorm aan de uitgang reproduceren zonder signaalverlies.

Door de positie van deze basisvoorspanning te wijzigen, is het echter mogelijk om een ​​versterker in een andere versterkingsmodus te laten werken dan die voor volledige golfvormweergave. 

Met de introductie van de versterker van een basisvoorspanning kunnen verschillende werkbereiken en werkingsmodi worden verkregen die zijn gecategoriseerd op basis van hun classificatie. Deze verschillende werkingsmodi zijn beter bekend als Amplifier Class.

Audio-eindversterkers worden in alfabetische volgorde gerangschikt op basis van hun circuitconfiguraties en werkingsmodus. Versterkers worden aangeduid met verschillende werkingsklassen, zoals klasse "A", klasse "B", klasse "C", klasse "AB", enz. Deze verschillende versterkerklassen variëren van een bijna lineaire output maar met een laag rendement tot een niet-lineaire output maar met een hoog rendement.

Geen enkele werkingsklasse is "beter" of "slechter" dan welke andere klasse dan ook, waarbij het type werking wordt bepaald door het gebruik van het versterkende circuit. Er zijn typische maximale conversie-efficiënties voor de verschillende typen of klasse versterkers, waarvan de meest gebruikte zijn:

*Klasse A-versterker  – heeft een lage efficiëntie van minder dan 40% maar goede signaalweergave en lineariteit.
*Klasse B-versterker  – is twee keer zo efficiënt als klasse A-versterkers met een maximaal theoretisch rendement van ongeveer 70% omdat de versterker slechts de helft van het ingangssignaal geleidt (en stroom verbruikt).
*Klasse AB-versterker  – heeft een efficiëntieclassificatie tussen die van Klasse A en Klasse B, maar een slechtere signaalweergave dan Klasse A-versterkers.

*Klasse C-versterker  – is de meest efficiënte versterkerklasse, maar de vervorming is zeer hoog omdat slechts een klein deel van het ingangssignaal wordt versterkt, waardoor het uitgangssignaal zeer weinig lijkt op het ingangssignaal. Klasse C versterkers hebben de slechtste signaalweergave.

Klasse A versterkerwerking

Klasse A-versterkerwerking is waar de volledige golfvorm van het ingangssignaal getrouw wordt gereproduceerd aan de uitgangsaansluiting van de versterker, aangezien de transistor perfect is voorgespannen binnen zijn actieve gebied. Dit betekent dat de schakeltransistor nooit in zijn afsnij- of verzadigingsgebieden wordt gestuurd. Het resultaat is dat het AC-ingangssignaal perfect "gecentreerd" is tussen de bovenste en onderste signaallimieten van de versterker, zoals hieronder weergegeven.

Uitgangsgolfvorm van klasse A-versterker

Een klasse-A versterkerconfiguratie gebruikt dezelfde schakeltransistor voor beide helften van de uitgangsgolfvorm en vanwege de centrale voorspanningsopstelling heeft de uitgangstransistor altijd een constante DC-voorspanningsstroom (ICQ) die er doorheen vloeit, zelfs als er geen ingangssignaal aanwezig is. Met andere woorden, de uitgangstransistors schakelen nooit "UIT" en bevinden zich in een permanente inactieve toestand.

Dit heeft tot gevolg dat de werking van het klasse A-type enigszins inefficiënt is, aangezien de conversie van het DC-voedingsvermogen naar het AC-signaalvermogen dat aan de belasting wordt geleverd, meestal erg laag is.

Vanwege dit gecentreerde voorspanningspunt kan de uitgangstransistor van een Klasse-A-versterker erg heet worden, zelfs als er geen ingangssignaal aanwezig is, dus enige vorm van warmteafvoer is vereist. 

De DC-voorspanningsstroom die door de collector van de transistor (ICQ) vloeit, is gelijk aan de stroom die door de collectorbelasting vloeit. Een klasse-A-versterker is dus erg inefficiënt, aangezien het grootste deel van dit gelijkstroomvermogen wordt omgezet in warmte.

Klasse B-versterkerwerking
In tegenstelling tot de bovenstaande Klasse-A-versterkermodus die een enkele transistor gebruikt voor zijn uitgangsvermogenstrap, gebruikt de Klasse-B-versterker twee complementaire transistors (ofwel een NPN en een PNP of een NMOS en een PMOS) om elke helft van de uitgangsgolfvorm.

De ene transistor geleidt slechts de helft van de signaalgolfvorm terwijl de andere de andere of tegenovergestelde helft van de signaalgolfvorm geleidt. Dit betekent dat elke transistor de helft van zijn tijd in het actieve gebied en de helft van zijn tijd in het afsnijgebied doorbrengt, waardoor slechts 50% van het ingangssignaal wordt versterkt.

Klasse-B-werking heeft geen directe DC-voorspanning in tegenstelling tot de klasse-A-versterker, maar in plaats daarvan geleidt de transistor alleen wanneer het ingangssignaal groter is dan de basis-emitterspanning (VBE) en voor siliciumtransistors is dit ongeveer 0.7 V. 

Daarom is er bij nul ingangssignaal nul uitgang. Aangezien slechts de helft van het ingangssignaal wordt gepresenteerd aan de uitgang van de versterker, verbetert dit de efficiëntie van de versterker ten opzichte van de vorige Klasse-A-configuratie, zoals hieronder weergegeven.

Uitgangsgolfvorm van klasse B-versterker

In een Klasse-B-versterker wordt geen gelijkspanning gebruikt om de transistors voor te spannen, dus om de uitgangstransistors elke helft van de golfvorm te laten geleiden, zowel positief als negatief, hebben ze de basis-emitterspanning VBE nodig die groter is dan de 0.7 V voorwaartse spanningsval die nodig is om een ​​standaard bipolaire transistor te laten geleiden.

Het onderste deel van de uitvoergolfvorm dat zich onder dit 0.7 V-venster bevindt, wordt dus niet nauwkeurig gereproduceerd. Dit resulteert in een vervormd gebied van de uitgangsgolfvorm wanneer de ene transistor "UIT" wordt en wacht tot de andere weer "AAN" gaat zodra VBE > 0.7 V. Het resultaat is dat er een klein deel van de uitgangsgolfvorm bij het nulspanningsovergangspunt is dat vervormd zal zijn. 

Dit type vervorming wordt crossover-vervorming genoemd en wordt verderop in dit gedeelte besproken.

Klasse AB-versterkerwerking
De Klasse-AB-versterker is een compromis tussen de Klasse-A- en Klasse-B-configuraties hierboven. Hoewel klasse-AB-werking nog steeds twee complementaire transistors in de uitgangstrap gebruikt, wordt een zeer kleine voorspanning toegepast op de basis van elke transistor om ze dicht bij hun afsnijgebied voor te spannen wanneer er geen ingangssignaal aanwezig is.

Een ingangssignaal zorgt ervoor dat de transistor normaal werkt binnen zijn actieve gebied, waardoor eventuele crossover-vervorming wordt geëlimineerd die altijd aanwezig is in de klasse-B-configuratie. Er zal een kleine voorspanningscollectorstroom (ICQ) door de transistor vloeien als er geen ingangssignaal aanwezig is, maar over het algemeen is dit veel minder dan voor de Klasse-A versterkerconfiguratie.

Dus elke transistor geleidt, "AAN" voor iets meer dan een halve cyclus van de ingangsgolfvorm. De kleine voorspanning van de Klasse-AB-versterkerconfiguratie verbetert zowel de efficiëntie als de lineariteit van het versterkercircuit in vergelijking met een pure Klasse-A-configuratie hierboven.

Uitgangsgolfvorm van klasse AB-versterker

Bij het ontwerpen van versterkercircuits is de werkingsklasse van een versterker erg belangrijk, omdat deze de hoeveelheid transistorvoorspanning bepaalt die nodig is voor de werking ervan, evenals de maximale amplitude van het ingangssignaal.

Versterkerclassificatie houdt rekening met het deel van het ingangssignaal waarin de uitgangstransistor geleidt en bepaalt zowel de efficiëntie als de hoeveelheid vermogen die de schakeltransistor verbruikt en verspreidt in de vorm van verspilde warmte. Hier kunnen we een vergelijking maken tussen de meest voorkomende soorten versterkerclassificaties in de volgende tabel.

Eindversterkerklassen

Slecht ontworpen versterkers, vooral de Klasse "A" -types, kunnen ook grotere vermogenstransistors, duurdere koellichamen, koelventilatoren of zelfs een grotere voeding nodig hebben om het extra verspilde vermogen te leveren dat de versterker nodig heeft. 

Stroom omgezet in warmte van transistors, weerstanden of welke andere component dan ook, maakt elk elektronisch circuit inefficiënt en zal resulteren in het voortijdig falen van het apparaat.

Dus waarom zou u een Klasse A-versterker gebruiken als het rendement minder dan 40% is in vergelijking met een Klasse B-versterker met een hoger rendement van meer dan 70%. Kortom, een klasse A-versterker geeft een veel lineairere output, wat betekent dat hij lineariteit heeft over een grotere frequentierespons, zelfs als hij grote hoeveelheden gelijkstroom verbruikt.

In deze Inleiding tot de Amplifier-zelfstudie hebben we gezien dat er verschillende soorten versterkercircuits zijn, elk met hun eigen voor- en nadelen. In de volgende tutorial over versterkers zullen we kijken naar het meest gebruikte type transistorversterkercircuit, de gemeenschappelijke emitterversterker.

 De meeste transistorversterkers zijn van het Common Emitter- of CE-type circuit vanwege hun grote winsten in spanning, stroom en vermogen, evenals hun uitstekende input/output-karakteristieken.

Laat een bericht achter 

Message List