Versterkercircuits begrijpen

Over het algemeen kan een versterker worden gedefinieerd als een circuit dat is ontworpen om een ​​toegepast ingangssignaal met laag vermogen te versterken in een uitgangssignaal met hoog vermogen, volgens de gespecificeerde classificatie van de componenten.

Hoewel de basisfunctie hetzelfde blijft, kunnen versterkers in verschillende categorieën worden ingedeeld, afhankelijk van hun ontwerp en configuraties.

Circuits voor het versterken van logische ingangen

Mogelijk bent u enkele transistorversterkers tegengekomen die zijn geconfigureerd om een ​​lage signaallogica van een ingangssensor zoals apparaten te bedienen en te versterken. LDR's, fotodiodes , IR-apparaten. De uitgang van deze versterkers wordt vervolgens gebruikt voor het schakelen van een slipper of een relais AAN / UIT in reactie op de signalen van de sensorinrichtingen.

Je hebt misschien ook kleine versterkers gezien die worden gebruikt voor het voorversterken van een muziek- of audio-ingang, of voor het bedienen van een LED-lamp.
Al deze kleine versterkers worden gecategoriseerd als kleine signaalversterkers.

Soorten versterkers

In de eerste plaats zijn versterkerschakelingen ingebouwd voor het versterken van een muziekfrequentie, zodat de toegevoerde kleine muziekinvoer vele malen wordt versterkt, normaal 100 keer tot 1000 keer, en wordt weergegeven via een luidspreker.

Afhankelijk van hun wattage of vermogen, kunnen dergelijke circuits ontwerpen hebben die variëren van kleine opamp-gebaseerde kleine signaalversterkers tot grote signaalversterkers die ook vermogensversterkers worden genoemd. Deze versterkers zijn technisch geclassificeerd op basis van hun werkingsprincipes, circuitfasen en de manier waarop ze werken. die ze kunnen worden geconfigureerd om de versterkingsfunctie te verwerken.

De volgende tabel geeft ons de classificatiegegevens van versterkers op basis van hun technische specificaties en werkingsprincipe:

In een basisversterkerontwerp zien we dat het meestal een paar trappen bevat met netwerken van bipolaire transistors of BJT's, veldeffecttransistors (FET's) of operationele versterkers.

Zulke versterkerblokken of -modules kunnen worden gezien met een paar aansluitingen voor het voeden van het ingangssignaal en een ander paar aansluitingen aan de uitgang voor het verkrijgen van het versterkte signaal via een aangesloten luidspreker.

Een van de terminals van deze twee zijn de aardingsklemmen en kunnen worden gezien als een gemeenschappelijke lijn over de ingangs- en de uitgangstrappen.

Drie eigenschappen van een versterker

De drie belangrijke eigenschappen die een ideale versterker zou moeten hebben, zijn:

• Ingangsweerstand (Rin)
• Uitgangsweerstand (Rout)
• Versterking (A), het versterkingsbereik van de versterker.

Begrijpen hoe een ideale versterker werkt

Het verschil in het versterkte signaal tussen de uitgang en de ingang wordt de versterking van de versterker genoemd. Het is de grootte of de hoeveelheid waarmee de versterker het ingangssignaal over zijn uitgangsklemmen kan versterken.

Als een versterker bijvoorbeeld geschikt is om een ​​ingangssignaal van 1 volt te verwerken tot een versterkt signaal van 50 volt, dan zouden we zeggen dat de versterker een versterking van 50 heeft, zo simpel is het.
Deze verbetering van een laag ingangssignaal naar een hoger uitgangssignaal wordt de krijgen van een versterker. Als alternatief kan dit worden opgevat als een toename van het ingangssignaal met een factor 50.

Winstverhouding De versterking van een versterker is dus in feite de verhouding tussen de uitgangs- en ingangswaarden van de signaalniveaus, of eenvoudigweg het uitgangsvermogen gedeeld door het ingangsvermogen, en wordt toegeschreven door de letter 'A' die ook het versterkingsvermogen van de versterker aangeeft.

Soorten versterkerversterkingen De verschillende soorten versterkerversterkingen kunnen worden geclassificeerd als:

1. Spanningsversterking (uit)
2. Huidige winst (Ai)
3. Machtstoename (Ap)

Voorbeeldformules voor het berekenen van versterkerverwinst Afhankelijk van de bovenstaande 3 soorten winsten, kunnen de formules voor het berekenen hiervan worden geleerd uit de volgende voorbeelden:

1. Spanningsversterking (Av) = uitgangsspanning / ingangsspanning = Vout / Vin
2. Huidige versterking (Ai) = uitgangsstroom / ingangsstroom = Iout / Iin
3. Machtstoename (Ap) = Av.x.A ik

Als alternatief kunt u ook de formule gebruiken om de vermogenswinst te berekenen:
Vermogenstoename (Ap) = uitgangsvermogen / ingangsvermogen = Aout / Ain

Het is belangrijk op te merken dat het subscript p, v, ik gebruikt voor het berekenen van het vermogen worden toegewezen voor het identificeren van het specifieke type signaalversterking waaraan wordt gewerkt.

Decibels uitdrukken

U zult een andere methode vinden om de vermogensversterking van een versterker uit te drukken, namelijk in decibel of (dB).
De maat of de grootheid Bel (B) is een logaritmische eenheid (basis 10) die geen meeteenheid heeft.
Een decibel kan echter een te grote eenheid zijn voor praktisch gebruik, daarom gebruiken we de verlaagde decibel (dB) voor versterkerberekeningen.
Hier zijn enkele formules die kunnen worden gebruikt voor het meten van versterkerversterking in decibel:

1. Spanningsversterking in dB: uit = 20 * log (uit)
2. Huidige winst in dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Vermogenstoename in dB: ap = 10 * log (Ap)

Enkele feiten over dB-meting
Het zou belangrijk zijn op te merken dat de gelijkstroomvermogensversterking van een versterker 10 keer de gemeenschappelijke log van zijn output / input-verhouding is, terwijl de winsten van stroom en spanning 20 keer de gemeenschappelijke log van hun verhoudingen zijn.

Dit impliceert dat, omdat het om een ​​logschaal gaat, een versterking van 20 dB niet kan worden beschouwd als tweemaal 10 dB, vanwege de niet-lineaire meetkarakteristiek van logschalen.

Wanneer versterking wordt gemeten in dB, duiden positieve waarden op versterking van de versterker, terwijl een negatieve dB-waarde een verlies aan versterking van de versterker aangeeft.

Als er bijvoorbeeld een versterking van + 3dB wordt geïdentificeerd, duidt dit op een tweevoudige of x2 versterking van de specifieke versterkeruitgang.

Omgekeerd, als het resultaat -3dB is, geeft dit aan dat de versterker een verlies van 50% winst of een x0,5-maatstaf voor verlies in zijn winst heeft. Dit wordt ook wel half-power point genoemd, wat betekent -3dB lager dan het maximaal haalbare vermogen, met betrekking tot 0dB, wat de maximaal mogelijke output van de versterker is.

Versterkers berekenen

Bereken de spanning, stroom en vermogensversterking van een versterker met de volgende specificaties: Ingangssignaal = 10mV @ 1mA Uitgangssignaal = 1V @ 10mA. Ontdek daarnaast de versterking van de versterker met behulp van decibel (dB) waarden.

Oplossing:

Door de bovenstaande formules toe te passen, kunnen we de verschillende soorten winsten die aan de versterker zijn gekoppeld, evalueren volgens de specificaties van de ingangsuitgang in de hand:

Spanningsversterking (Av) = uitgangsspanning / ingangsspanning = Vout / Vin ​ 1 / 0,01 = 100
Huidige versterking (Ai) = uitgangsstroom / ingangsstroom = Iout / Iin ​ 10/1 = 10
Vermogensversterking (Ap) = Gem. x EEN ik ​ 100 x 10 = 1000

Om de resultaten in decibels te krijgen, passen we de bijbehorende formules toe zoals hieronder weergegeven:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Versterker onderverdelingen

Kleine signaalversterkers: Met betrekking tot de specificaties voor vermogens- en spanningsversterking van een versterker, wordt het voor ons mogelijk om ze in een aantal verschillende categorieën onder te verdelen.

Het eerste type wordt de kleine signaalversterker genoemd. Deze kleine signaalversterkers worden over het algemeen gebruikt in voorversterkertrappen, instrumentatieversterkers enz.

Dit type versterkers is gemaakt voor het verwerken van zeer kleine signaalniveaus bij hun ingangen, binnen het bereik van enkele microvolt, zoals van sensorapparaten of kleine audiosignalen.

Grote signaalversterkers: Het tweede type versterkers wordt grote signaalversterkers genoemd, en zoals de naam al aangeeft, worden deze gebruikt in eindversterkertoepassingen voor het bereiken van enorme versterkingsbereiken. In deze versterkers is het ingangssignaal relatief groter in omvang, zodat ze aanzienlijk kunnen worden versterkt voor weergave en ze in krachtige luidsprekers kunnen aansturen.

Hoe eindversterkers werken

Omdat kleine signaalversterkers zijn ontworpen om kleine ingangsspanningen te verwerken, worden deze kleine signaalversterkers genoemd. Wanneer een versterker echter moet werken met toepassingen met hoge schakelstroom aan hun uitgangen, zoals het bedienen van een motor of het bedienen van subwoofers, wordt een eindversterker onvermijdelijk.

In de volksmond worden eindversterkers gebruikt als audioversterkers voor het aansturen van grote luidsprekers en voor het bereiken van enorme versterkingen van muziekniveau en volume-uitgangen.

Vermogensversterkers hebben externe gelijkstroom nodig voor hun werking, en deze gelijkstroom wordt gebruikt om de beoogde hoge vermogensversterking aan hun uitgang te bereiken. De gelijkstroom wordt meestal verkregen via hoogspanningsvoedingen via transformatoren of op SMPS gebaseerde eenheden.

Hoewel eindversterkers in staat zijn om het lagere ingangssignaal om te zetten in hoge uitgangssignalen, is de procedure eigenlijk niet erg efficiënt. Het is omdat tijdens het proces een aanzienlijke hoeveelheid gelijkstroom wordt verspild in de vorm van warmteafvoer.

We weten dat een ideale versterker een output zou produceren die bijna gelijk is aan het opgenomen vermogen, wat resulteert in een efficiëntie van 100%. Dit ziet er praktisch echter nogal afgelegen uit en is misschien niet haalbaar vanwege de inherente gelijkstroomverliezen van de stroomapparaten in de vorm van warmte.

Efficiëntie van een versterker Uit de bovenstaande overwegingen kunnen we de efficiëntie van een versterker uitdrukken als:

Efficiëntie = Versterker Uitgangsvermogen / Versterker DC-verbruik = Pout / Pin

Ideale versterker

Met verwijzing naar de bovenstaande discussie, is het voor ons mogelijk om de belangrijkste kenmerken van een ideale versterker te schetsen. Ze zijn specifiek zoals hieronder uitgelegd:

De versterking (A) van een ideale versterker moet constant zijn, ongeacht een variabel ingangssignaal.

1. De versterking blijft constant, ongeacht de frequentie van het ingangssignaal, waardoor de uitgangsversterking onaangetast blijft.
2. De output van de versterker is vrij van enige vorm van ruis tijdens het versterkingsproces, integendeel, het bevat een ruisonderdrukkingsfunctie die alle mogelijke ruis die via de ingangsbron wordt geïntroduceerd, onderdrukt.
3. Het blijft onaangetast door de veranderingen in de omgevingstemperatuur of de atmosferische temperatuur.
4. Langdurig gebruik heeft minimaal of geen effect op de prestaties van de versterker en blijft consistent.

Classificatie van elektronische versterkers

Of het nu een spanningsversterker of een eindversterker is, deze worden geclassificeerd op basis van hun ingangs- en uitgangssignaalkenmerken. Dit wordt gedaan door de stroomstroom te analyseren met betrekking tot het ingangssignaal en de tijd die nodig is om de uitgang te bereiken.

Op basis van hun circuitconfiguratie kunnen eindversterkers in alfabetische volgorde worden gecategoriseerd. Ze krijgen verschillende operationele klassen toegewezen, zoals:

Klasse A, eerste klasse'
Klasse 'B'
Klasse 'C'
Klasse 'AB' enzovoort.

Deze kunnen eigenschappen hebben variërend van een bijna lineaire outputrespons maar eerder een laag rendement tot een niet-lineaire outputrespons met een hoog rendement.

Geen van deze klassen versterkers kan worden onderscheiden als slechter of beter dan elkaar, aangezien elk zijn eigen specifieke toepassingsgebied heeft, afhankelijk van de vereisten.

Wellicht vindt u optimale conversie-efficiëntie voor elk van deze, en hun populariteit kan in de volgende volgorde worden geïdentificeerd:

Klasse 'A' versterkers: efficiëntie is lager, doorgaans minder dan 40%, maar kan een verbeterde lineaire signaaluitvoer vertonen.

Klasse 'B'-versterkers: het rendement kan twee keer zo hoog zijn als die van klasse A, praktisch rond de 70%, vanwege het feit dat alleen de actieve apparaten van de versterker stroom verbruiken, waardoor slechts 50% stroom wordt verbruikt.

Klasse 'AB'-versterkers: versterkers in deze categorie hebben een efficiëntieniveau dat ergens tussen dat van klasse A en klasse B ligt, maar de signaalweergave is slechter in vergelijking met klasse A.

Klasse 'C'-versterkers: deze worden beschouwd als uitzonderlijk efficiënt in termen van stroomverbruik, maar de signaalweergave is het slechtst met veel vervorming, waardoor de replicatie van de ingangssignaalkenmerken zeer slecht is.

Hoe Klasse A-versterkers werken:

Klasse A versterkers hebben een ideaal voorgespannen transistors binnen het actieve gebied waardoor het mogelijk is dat het ingangssignaal nauwkeurig wordt versterkt aan de uitgang.

Vanwege deze perfecte voorspanningsfunctie mag de transistor nooit naar hun afgesneden of oververzadigingsgebieden afdrijven, waardoor de signaalversterking correct wordt geoptimaliseerd en gecentreerd tussen de gespecificeerde bovenste en onderste beperkingen van het signaal, zoals hieronder wordt getoond beeld:

In een klasse A-configuratie worden identieke sets transistors toegepast over twee helften van de uitgangsgolfvorm. En afhankelijk van het soort voorspanning dat het gebruikt, worden de transistors van het uitgangsvermogen altijd in de ingeschakelde stand weergegeven, ongeacht of het ingangssignaal wordt toegepast of niet.

Hierdoor krijgen klasse A-versterkers een extreem slechte efficiëntie in termen van stroomverbruik, aangezien de feitelijke levering van vermogen aan de uitgang wordt belemmerd door overmatige verspilling door apparaatdissipatie.

Met de hierboven uiteengezette situatie kunnen klasseversterkers altijd oververhitte uitgangsvermogentransistors hebben, zelfs als er geen ingangssignaal is.

Zelfs als er geen ingangssignaal is, mag de DC (Ic) van de voeding door de vermogenstransistors stromen, wat gelijk kan zijn aan de stroom die door de luidspreker vloeit als er een ingangssignaal aanwezig was. Dit leidt tot een continue 'hete' transistors en verspilling van vermogen.

Klasse B versterkerwerking

In tegenstelling tot een klasse A versterkerconfiguratie die afhankelijk is van enkele vermogenstransistors, gebruikt klasse B een paar complementaire BJT's over elke halve sectie van het circuit. Deze kunnen de vorm hebben van NPN / PNP of N-kanaal mosfet / P-kanaal mosfet).

Hier mag een van de transistors geleiden als reactie op de ene halve golfvormcyclus van het ingangssignaal, terwijl de andere transistor de andere halve golfvorm afhandelt.

Dit zorgt ervoor dat elke transistor in het paar de helft van de tijd binnen het actieve gebied en de helft van de tijd in het afsnijgebied geleidt, waardoor slechts 50% betrokkenheid bij de versterking van het signaal mogelijk is.

In tegenstelling tot klasse A-versterkers, zijn in klasse B-versterkers de vermogenstransistors niet voorgespannen met een directe gelijkstroom, in plaats daarvan zorgt de configuratie ervoor dat ze alleen geleiden als het ingangssignaal hoger wordt dan de basisemitterspanning, die ongeveer 0,6 V zou kunnen zijn voor silicium BJT's.

Dit houdt in dat, wanneer er geen ingangssignaal is, de BJT's uitgeschakeld blijven en de uitgangsstroom nul is. En hierdoor mag slechts 50% van het ingangssignaal de uitgang binnenkomen, wat een veel betere efficiëntie voor deze versterkers mogelijk maakt. Het resultaat is te zien in het volgende diagram:

Aangezien er geen directe betrokkenheid is van DC voor het voorinstellen van de vermogenstransistors in klasse B-versterkers, wordt het noodzakelijk voor hun basis / emitter om de geleiding te initiëren in reactie op de elke halve +/- golfvormcyclus. Vbe om een ​​hoger potentieel dan 0,6 V te verwerven (standaard basisinstelwaarde voor BJT's)

Vanwege het bovenstaande feit impliceert dit dat zolang de uitgangsgolfvorm onder de 0,6V-markering ligt, deze niet kan worden versterkt en gereproduceerd.

Dit geeft aanleiding tot een vervormd gebied voor de uitgangsgolfvorm, juist gedurende de periode dat een van de BJT's wordt uitgeschakeld en wacht tot de andere weer wordt ingeschakeld.

Dit heeft tot gevolg dat een klein deel van de golfvorm wordt onderworpen aan een geringe vervorming tijdens de overgangsperiode of de overgangsperiode nabij de nuldoorgang, precies wanneer de overgang van de ene transistor naar de andere plaatsvindt over complementaire paren.

Klasse AB versterkerwerking

De klasse AB-versterker is gebouwd met behulp van een blend-f-karakteristiek van klasse A- en klasse B-circuitontwerpen, vandaar de naam Class AB.

Hoewel het Klasse AB-ontwerp ook werkt met een paar complementaire BJT's, zorgt de eindtrap ervoor dat de voorspanning van de vermogens-BJT's wordt bestuurd tot dichtbij de uitschakeldrempel, bij afwezigheid van een ingangssignaal.

In deze situatie, zodra een ingangssignaal wordt gedetecteerd, werken de transistoren normaal niet in hun actieve gebied, waardoor elke mogelijkheid van een cross-over-vervorming wordt voorkomen, die normaal gesproken voorkomt in klasse B-configuraties. Er kan echter een kleine hoeveelheid collectorstroom door de BJT's worden geleid, de hoeveelheid kan als verwaarloosbaar worden beschouwd in vergelijking met klasse A-ontwerpen.

Klasse AB-type versterker vertoont een sterk verbeterde efficiëntie en een lineaire respons in tegenstelling tot de Klasse A-tegenhanger.

Klasse AB versterker uitgangsgolfvorm

Versterkerklasse is een belangrijke parameter die afhankelijk is van hoe de transistors worden voorgespannen door de amplitude van het ingangssignaal, voor het implementeren van het versterkingsproces.

Het is afhankelijk van hoeveel van de grootte van de ingangssignaalgolfvorm wordt gebruikt om de transistors te geleiden, en ook van de efficiëntiefactor, die wordt bepaald door de hoeveelheid vermogen die daadwerkelijk wordt gebruikt voor het leveren van de uitgang en / of wordt verspild door dissipatie.

Met betrekking tot deze factoren kunnen we eindelijk een vergelijkingsrapport maken met de verschillen tussen de verschillende klassen versterkers, zoals weergegeven in de volgende tabel.

Vervolgens kunnen we een vergelijking maken tussen de meest voorkomende typen versterkerclassificaties in de volgende tabel.

Eindversterkerklassen

Laatste gedachten

Als een versterker niet correct is ontworpen, zoals bijvoorbeeld een klasse A versterker, kan er een aanzienlijke warmteafvoer nodig zijn voor de stroomtoestellen, samen met koelventilatoren voor de bewerkingen. Dergelijke ontwerpen hebben ook een grotere voedingsingang nodig om de enorme hoeveelheden stroomverspilling in warmte te compenseren. Al dergelijke nadelen kunnen dergelijke versterkers erg inefficiënt maken, wat op zijn beurt een geleidelijke verslechtering van de apparaten en uiteindelijk storingen kan veroorzaken.

Daarom kan het raadzaam zijn om voor een Klasse B-versterker te gaan die is ontworpen met een hoger rendement van ongeveer 70% in plaats van 40% van een Klasse A-versterker. Gezegd dat klasse A-versterker een meer lineaire respons kan beloven met zijn versterking en een bredere frequentierespons, hoewel dit gepaard gaat met een prijs van aanzienlijk stroomverlies.