Forståelse af forstærkerkredsløb

Forståelse af forstærkerkredsløb

Generelt kan en forstærker defineres som et kredsløb designet til at booste et anvendt lavt effektindgangssignal til et højt effektudgangssignal i henhold til den specificerede klassificering af komponenterne.



Selvom den grundlæggende funktion forbliver den samme, kunne forstærkere klassificeres i forskellige kategorier afhængigt af deres design og konfigurationer.

Kredsløb til forstærkning af logiske indgange

Du er muligvis stødt på enkelte transistorforstærkere, der er konfigureret til at betjene og forstærke en logik med lavt signal fra en indgangssensor som f.eks. LDR'er, fotodioder IR-enheder. Outputtet fra disse forstærkere bruges derefter til at skifte en klipklapper eller et relæ ON / OFF som reaktion på signalerne fra sensorenhederne.



Du har muligvis også set små forstærkere, der bruges til at forstærke en musik- eller lydindgang eller til at betjene en LED-lampe.
Alle disse små forstærkere er kategoriseret som små signalforstærkere.

Typer af forstærkere

Primært er forstærkerkredsløb inkorporeret til forstærkning af en musikfrekvens, således at den tilførte lille musikindgang forstærkes i mange folder, normalt 100 gange til 1000 gange og gengives over en højttaler.



Afhængigt af deres effekt eller effekt, kan sådanne kredsløb have design, der spænder fra små opamp-baserede små signalforstærkere til store signalforstærkere, som også kaldes effektforstærkere. Disse forstærkere er teknisk klassificeret ud fra deres arbejdsprincipper, kredsløbstrin og den måde, hvorpå som de kan konfigureres til at behandle forstærkningsfunktionen.

Følgende tabel giver os klassificeringsoplysninger for forstærkere baseret på deres tekniske specifikationer og funktionsprincip:

I et grundlæggende forstærkerdesign finder vi, at det for det meste inkluderer et par trin, der har netværk af bipolære transistorer eller BJT'er, felteffekt-transistorer (FET'er) eller operationelle forstærkere.

Sådanne forstærkerblokke eller -moduler kunne ses med et par terminaler til tilførsel af indgangssignalet, og et andet par terminaler ved udgangen til modtagelse af det forstærkede signal via en tilsluttet højttaler.

En af terminalerne ud af disse to er jordterminalerne og kunne ses som en fælles linje på tværs af input- og outputtrinnene.

Tre egenskaber ved en forstærker

De tre vigtige egenskaber, som en ideel forstærker skal have, er:

  • Inputmodstand (Rin)
  • Outputmodstand (Rout)
  • Forstærkning (A), som er forstærkerområdet for forstærkeren.

Forståelse af, at en ideel forstærker fungerer

Forskellen i det forstærkede signal mellem udgangen og indgangen betegnes som forstærkerens forstærkning. Det er størrelsen eller det beløb, hvormed forstærkeren er i stand til at forstærke indgangssignalet over dets udgangsterminaler.

Tag for eksempel, hvis en forstærker vurderes til at behandle et indgangssignal på 1 volt til et forstærket signal på 50 volt, så vil vi sige, at forstærkeren har en forstærkning på 50, det er så simpelt som det.
Denne forbedring af et lavt indgangssignal til et højere udgangssignal kaldes gevinst af en forstærker. Alternativt kan dette forstås som en forøgelse af indgangssignalet med en faktor på 50.

Gevinstforhold Således er forstærkningen af ​​en forstærker grundlæggende forholdet mellem output- og inputværdierne for signalniveauerne eller simpelthen udgangseffekten divideret med indgangseffekten og tilskrives bogstavet 'A', som også betyder forstærkerens forstærkningseffekt.

Typer af forstærkergevinster De forskellige typer forstærkergevinster kan klassificeres som:

  1. Spændingsforstærkning (Fra)
  2. Nuværende gevinst (Ai)
  3. Power Gain (Ap)

Eksempelformler til beregning af forstærkergevinster Afhængigt af ovenstående 3 typer gevinster kunne formlerne til beregning af disse læres fra følgende eksempler:

  1. Spændingsforstærkning (Av) = Udgangsspænding / Indgangsspænding = Vout / Vin
  2. Strømforstærkning (Ai) = Udgangsstrøm / Indgangsstrøm = Iout / Iin
  3. Power Gain (Ap) = Av.x.A jeg

Til beregning af effektforstærkning kan du alternativt også bruge formlen:
Effektforstærkning (Ap) = Udgangseffekt / Indgangseffekt = Aout / Ain

Det ville være vigtigt at bemærke, at abonnementet p, v, i bruges til beregning af effekt tildeles til identifikation af den specifikke type signalforstærkning, der arbejdes med.

Udtrykker decibel

Du finder en anden metode til at udtrykke effektforstærkning af en forstærker, som er i decibel eller (dB).
Målingen eller størrelsen Bel (B) er en logaritmisk enhed (Base 10), der ikke har en måleenhed.
En Decibel kan dog være for stor en enhed til praktisk brug, derfor bruger vi den nedsatte version decibel (dB) til forstærkerberegninger.
Her er nogle formler, der kan bruges til at måle forstærkerforstærkning i decibel:

  1. Spændingsforstærkning i dB: fra = 20 * log (Fra)
  2. Strømforøgelse i dB: ai = 20 * log (Ai)
  3. Effektforøgelse i dB: ap = 10 * log (Ap)

Nogle fakta om dB-måling
Det ville være vigtigt at bemærke, at en forstærkers DC-forstærkning er 10 gange den fælles log for dens output / input-forhold, mens forstærkning af strøm og spænding er 20 gange den fælles log for deres forhold.

Dette indebærer, at da en logskala er involveret, kan en forstærkning på 20 dB ikke betragtes som to gange 10 dB på grund af logskalernes ikke-lineære målekarakteristik.

Når forstærkning måles i dB, betyder positive værdier forstærkerens forstærkning, mens en negativ dB-værdi angiver et tab af forstærkerens forstærkning.

For eksempel, hvis en + 3dB forstærkning identificeres, indikerer den en 2 gange eller x2 forstærkning af den bestemte forstærkeroutput.

Omvendt, hvis resultatet er -3dB, indikerer det, at forstærkeren har et tab på 50% forstærkning eller et x0,5 mål for tab i sin forstærkning. Dette kaldes også halvt effektpunkt, hvilket betyder -3dB lavere end den maksimalt opnåelige effekt, i forhold til 0dB, som er den maksimalt mulige udgang fra forstærkeren.

Beregning af forstærkere

Beregn spænding, strøm og forstærkning af en forstærker med følgende specifikationer: Indgangssignal = 10 mV @ 1 mA Udgangssignal = 1 V @ 10 mA Find ud af forstærkerens forstærkning ved hjælp af decibelværdier (dB).

Opløsning:

Ved at anvende formlerne lært ovenfor kan vi evaluere de forskellige typer gevinster, der er forbundet med forstærkeren i henhold til input output specifikationer i hånden:

Spændingsforstærkning (Av) = Udgangsspænding / Indgangsspænding = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Strømforstærkning (Ai) = Udgangsstrøm / Indgangsstrøm = Iout / Iin = 10/1 = 10
Power Gain (Ap) = Av. x A jeg = 100 x 10 = 1000

For at få resultaterne i Decibel anvender vi de tilsvarende formler som angivet nedenfor:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Forstærkerinddelinger

Små signalforstærkere: Med hensyn til effekt- og spændingsforøgelsesspecifikationer for en forstærker bliver det muligt for os at underopdele dem et par forskellige kategorier.

Den første type kaldes den lille signalforstærker. Disse små signalforstærkere bruges generelt i forforstærkerfaser, instrumentationsforstærkere osv.

Disse forstærkere er skabt til håndtering af minutsignalniveauer ved deres indgange inden for rækkevidden af ​​nogle mikrolad, som f.eks. Fra sensorenheder eller små lydsignalindgange.

Store signalforstærkere: Den anden type forstærkere er navngivet som store signalforstærkere, og som navnet antyder, anvendes disse i effektforstærkerapplikationer til opnåelse af enorme forstærkningsområder. I disse forstærkere er indgangssignalet relativt større i størrelsesorden, så de kunne forstærkes væsentligt til gengivelse og kørsel til kraftige højttalere.

Sådan fungerer forstærkere

Da små signalforstærkere er designet til at behandle små indgangsspændinger, kaldes disse små signalforstærkere. Men når en forstærker skal arbejde med høje skiftestrømapplikationer ved deres udgange, som at betjene en motor eller betjene subwoofere, bliver en effektforstærker uundgåelig.

Mest populært er effektforstærkere anvendt som lydforstærkere til kørsel af store højttalere og til opnåelse af enorme musikforstærkninger og lydudgange.

Effektforstærker kræver ekstern jævnstrøm for deres arbejde, og denne jævnstrøm bruges til at opnå den tilsigtede høje effektforstærkning ved deres output. DC-strømmen stammer normalt fra højstrømsspændingsforsyninger via transformatorer eller SMPS-baserede enheder.

Selvom effektforstærkere er i stand til at booste det lavere indgangssignal til høje udgangssignaler, er proceduren faktisk ikke særlig effektiv. Det skyldes, at der i processen spildes en betydelig mængde jævnstrøm i form af varmeafledning.

Vi ved, at en ideel forstærker ville producere et output, der næsten svarer til den forbrugte strøm, hvilket resulterer i en effektivitet på 100%. Dette ser dog praktisk talt fjernt ud og er muligvis ikke muligt på grund af iboende jævnstrømstab fra strømforsyningerne i form af varme.

Effektivitet af en forstærker Fra ovenstående overvejelser kan vi udtrykke effektiviteten af ​​en forstærker som:

Effektivitet = Forstærker Effektudgang / Forstærker DC-forbrug = Pout / Pin

Ideel forstærker

Med henvisning til ovenstående diskussion kan det være muligt for os at skitsere med hensyn til de vigtigste egenskaber ved en ideel forstærker. De er specifikt som forklaret nedenfor:

Forstærkningen (A) for en ideel forstærker skal være konstant uanset et varierende indgangssignal.

  1. Forstærkningen forbliver konstant uanset frekvensen af ​​indgangssignalet, hvilket gør det muligt for udgangsforstærkningen at forblive upåvirket.
  2. Forstærkerens output er fri for enhver form for støj under forstærkningsprocessen, tværtimod indeholder den en støjreduktionsfunktion, der annullerer enhver mulig støj, der introduceres gennem inputkilden.
  3. Det forbliver upåvirket af ændringerne i den omgivende temperatur eller den atmosfæriske temperatur.
  4. Lang tids brug har minimal eller ingen effekt på forstærkerens ydeevne, og den forbliver konsistent.

Elektronisk forstærkerklassificering

Uanset om det er en spændingsforstærker eller en effektforstærker, klassificeres disse ud fra deres input- og output-signalegenskaber. Dette gøres ved at analysere strømmen i forhold til indgangssignalet og den tid, der kræves for at nå udgangen.

Baseret på deres kredsløbskonfiguration kan effektforstærkere kategoriseres i alfabetisk rækkefølge. De tildeles forskellige operationelle klasser såsom:

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

Disse kan have egenskaber, der spænder fra næsten lineært outputrespons, men temmelig lav effektivitet til et ikke-lineært outputrespons med høj effektivitet.

Ingen af ​​disse klasser af forstærkere kan skelnes som dårligere eller bedre end hinanden, da hver har sit eget specifikke anvendelsesområde afhængigt af kravet.

Du kan finde optimale konverteringseffektiviteter for hver af disse, og deres popularitet kan identificeres i følgende rækkefølge:

Klasse 'A' forstærkere: Effektiviteten er lavere, typisk mindre end 40%, men kan vise forbedret lineært signaloutput.

Klasse 'B' forstærkere: Effektivitetsgraden kan være dobbelt så høj som klasse A, praktisk talt omkring 70%, på grund af det faktum, at kun forstærkerens aktive enheder bruger strøm og kun medfører 50% strømforbrug.

Klasse 'AB'-forstærkere: Forstærkere i denne kategori har et effektivitetsniveau et sted mellem klasse A og klasse B, men signalgengivelsen er dårligere sammenlignet med klasse A.

Klasse 'C' forstærkere: Disse anses for at være usædvanligt effektive med hensyn til strømforbrug, men signalgengivelsen er værst med masser af forvrængning, hvilket forårsager meget dårlig replikering af indgangssignalets egenskaber.

Sådan fungerer klasse A forstærkere:

Klasse A forstærkere har en ideel forspændt transistor inden for det aktive område, hvilket gør det muligt for indgangssignalet at blive forstærket nøjagtigt ved udgangen.

På grund af denne perfekte forspændingsfunktion får transistoren aldrig lov til at drive mod deres afskårne eller over mætningsregioner, hvilket resulterer i, at signalforstærkningen er korrekt optimeret og centreret mellem de angivne øvre og nedre begrænsninger af signalet, som vist i det følgende billede:

I konfiguration af klasse A påføres identiske sæt transistorer på tværs af to halvdele af outputbølgeformen. Og afhængigt af den slags forspænding, den anvender, gengives udgangseffekttransistorer altid i den tændte position, uanset om indgangssignalet tilføres eller ej.

På grund af dette får klasse A-forstærkere en ekstrem dårlig effektivitet med hensyn til strømforbrug, da den faktiske levering af strøm til output bliver hæmmet på grund af overskydende spild ved enhedens spredning.

Med den ovenfor forklarede situation kan klasseforstærkere altid ses med overophedede udgangstransistorer, selv i fravær af et indgangssignal.

Selvom der ikke er noget indgangssignal, får DC (Ic) fra strømforsyningen lov til at strømme gennem effekttransistorerne, hvilket kan være lig med strømmen, der strømmer gennem højttaleren, når der var indgangssignal. Dette giver anledning til kontinuerlige 'varme' transistorer og spild af magt.

Betjening af klasse B forstærker

I modsætning til klasse A forstærkerkonfiguration, der afhænger af enkelt effekt transistorer, bruger klasse B et par komplementære BJT'er på tværs af hver halvdel af kredsløbet. Disse kunne være i form af NPN / PNP eller N-kanal mosfet / P-kanal mosfet).

Her får en af ​​transistorer lov til at udføre som reaktion på den ene halvbølgeformcyklus for indgangssignalet, mens den anden transistor håndterer den anden halvdel af bølgeformen.

Dette sikrer, at hver transistor i parret leder halvdelen af ​​tiden inden for det aktive område og halvdelen af ​​tiden i afskæringsområdet, hvorved kun 50% involveres i forstærkning af signalet.

I modsætning til klasse A forstærkere, I klasse B forstærkere er effekttransistorer ikke forspændt med en direkte DC, i stedet sikrer konfigurationen, at de kun leder, mens indgangssignalet går højere end basens emitterspænding, som kunne være omkring 0,6 V for silicium BJT'er.

Dette indebærer, at når der ikke er noget indgangssignal, forbliver BJT'erne lukket, og udgangsstrømmen er nul. Og på grund af dette får kun 50% af indgangssignalet adgang til udgangen i ethvert tilfælde, hvilket muliggør en meget bedre effektivitetsrate for disse forstærkere. Resultatet kan ses i følgende diagram:

Da der ikke er nogen direkte involvering af DC for forspænding af effekttransistorer i klasse B forstærkere, for at indlede ledningen som reaktion på hver halv +/- bølgeformcyklus, bliver det bydende nødvendigt for deres base / emitter Vbe at erhverve et højere potentiale end 0,6V (standardbasisk forspændingsværdi for BJT'er)

På grund af ovenstående antyder det, at mens outputbølgeformen er under 0,6V-mærket, kan den ikke forstærkes og reproduceres.

Dette giver anledning til et forvrænget område for outputbølgeformen lige i den periode, hvor en af ​​BJT'erne bliver slået fra og venter på, at den anden tænder igen.

Dette resulterer i, at en lille del af bølgeformen udsættes for mindre forvrængning under krydsperioden eller overgangsperioden nær nulovergangen, nøjagtigt når overgangen fra en transistor til den anden sker på tværs af komplementære par.

Klasse AB-forstærkerfunktion

Klassen AB forstærker er bygget ved hjælp af en blanding f karakteristika fra klasse A og klasse B kredsløb design, deraf navnet klasse AB.

Selvom klasse AB-design også fungerer med et par komplementære BJT'er, sikrer udgangstrinnet, at forspændingen af ​​effekt-BJT'erne styres tæt på afskæringstærsklen i fravær af et indgangssignal.

I denne situation, så snart et indgangssignal registreres, negerer transistorerne normalt i deres aktive område og hæmmer således enhver mulighed for en krydsning over forvrængning, som normalt er fremherskende i klasse B-konfigurationer. Imidlertid kan der være en lille mængde samlerstrøm, der fører over BJT'erne, mængden kan betragtes som ubetydelig sammenlignet med klasse A-design.

Klasse AB-type forstærker udviser en meget forbedret effektivitetshastighed og en lineær respons i modsætning til klasse A-modstykke.

Klasse AB forstærker output bølgeform

Forstærkerklasse er en vigtig parameter, der afhænger af, hvordan transistorer er forspændte gennem indgangssignalets amplitude til implementering af forstærkningsprocessen.

Det afhænger af, hvor meget af størrelsen af ​​indgangssignalbølgeformen, der bruges til transistorer til at lede, og også effektivitetsfaktoren, der bestemmes af den mængde effekt, der faktisk bruges til at levere output og / eller spildt gennem spredning.

Med hensyn til disse faktorer kan vi endelig oprette en sammenligningsrapport, der viser forskellene mellem de forskellige klasser af forstærkere, som angivet i den følgende tabel.

Derefter kan vi sammenligne de mest almindelige typer af forstærkerklassifikationer i følgende tabel.

Effektforstærkerklasser

Afsluttende tanker

Hvis en forstærker ikke er designet korrekt, som f.eks. Et klasse A-forstærkerdesign, kan det kræve betydelige kølelegemer på strømforsyningerne sammen med køleventilatorer til operationerne. Sådanne designs vil også have behov for større strømforsyningsindgange for at kompensere for de enorme mængder strøm, der spildes i varme. Alle sådanne ulemper kan gøre sådanne forstærkere meget ineffektive, hvilket igen kan forårsage en gradvis forringelse af enhederne og til sidst fejl.

Derfor kan det være tilrådeligt at gå efter en klasse B-forstærker designet med højere effektivitet på omkring 70% i modsætning til 40% af en klasse A-forstærker. Sagde det, at klasse A-forstærker kan love et mere lineært svar med sin forstærkning og et bredere frekvensrespons, selvom dette kommer med en pris på betydeligt effektspild.




Tidligere: Grundlæggende læring om halvledere Næste: 2 enkle tovejs motorstyringskredsløb udforsket