Ein Verstärker ist ein elektronisches Gerät mit zwei Anschlüssen, das dazu dient, das Signal mithilfe eines Netzteils zu verstärken oder die Leistung eines Signals zu erhöhen. Die Stromversorgung erfolgt über die Eingangsklemme des Verstärkers. Der Ausgang des Verstärkers kann die erhöhte Amplitude usw. sein.
Die Verstärkung des Verstärkers bestimmt seine Verstärkung. Es ist der Hauptfaktor, der die Leistung eines Geräts bestimmt. Verstärker werden in nahezu allen Arten von elektronischen Bauteilen eingesetzt. Die Verstärkung wird als Verhältnis des Ausgangsparameters (Leistung, Strom oder Spannung) zum Eingangsparameter berechnet.
Verstärker werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Automatisierung, in der Schifffahrt, bei Sensoren usw. Die Leistungsverstärkung eines Verstärkers ist im Allgemeinen größer als eins. Lassen Sie uns einige grundlegende Eigenschaften eines idealen Verstärkers verstehen.
Hier werden wir diskutieren ein idealer Verstärker, Verstärkertypen, Eigenschaften, Funktionen, Und Anwendungen von Verstärkern .
Lasst uns beginnen.
Idealer Verstärker
Betrachten wir die Eigenschaften eines idealen Verstärkers, die unten aufgeführt sind:
- Eingangsimpedanz: Unendlich
- Ausgangsimpedanz: Null
- Verstärkung bei verschiedenen Frequenzen: Fest
Der Eingangsanschluss eines Verstärkers kann die Spannungsquelle oder die Stromquelle sein. Die Spannungsquelle ist nur von der Eingangsspannung abhängig und nimmt keinen Strom auf. Ebenso akzeptiert die Stromquelle den Strom und keine Spannung. Der Ausgang ist proportional zur Spannung oder zum Strom im gesamten Port.
Der Ausgang eines idealen Verstärkers kann entweder eine abhängige Stromquelle oder eine abhängige Spannungsquelle sein. Der Quellenwiderstand der abhängigen Spannungsquelle ist Null, während der der abhängigen Stromquelle unendlich ist.
Die Spannung oder der Strom der abhängigen Quelle hängt nur von der Eingangsspannung oder dem Eingangsstrom ab. Das bedeutet, dass die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung und der Ausgangsstrom von der eingangsstromunabhängigen Spannungsquelle bzw. Stromquelle abhängt.
Die idealen Verstärker werden weiter kategorisiert als CCCS (Stromsteuerstromquelle), CCVS (Stromsteuerspannungsquelle), VCVS (Spannungssteuerspannungsquelle) und VCCS (Spannungssteuerstromquelle).
Die Eingangsimpedanz von CCVS und CCCS ist Null, während VCCS und VCVS unendlich sind. Ebenso ist die Ausgangsimpedanz von CCCS und VCCS unendlich, während die von CCVS und VCVS Null ist.
Arten von Verstärkern
Lassen Sie uns die verschiedenen Arten von Verstärkern besprechen.
Operationsverstärker
Operationsverstärker oder Op-Amps sind direkt gekoppelte (DC) Verstärker mit hoher Verstärkung, die verschiedene mathematische Operationen wie Addition, Differentiation, Subtraktion, Integration usw. ausführen.
Es verfügt über zwei Eingangsanschlüsse und einen Ausgangsanschluss. Die Eingangsanschlüsse werden als invertierende und nicht invertierende Anschlüsse bezeichnet. Das an den invertierenden Anschluss angelegte Signal erscheint als phaseninvertiert, und das an den nichtinvertierenden Anschluss angelegte Signal erscheint am Ausgangsanschluss ohne Phasenumkehr.
Die am invertierenden Eingang angelegte Spannung wird als V- dargestellt und die Spannung am nichtinvertierenden Eingang wird als V+ dargestellt.
Hinweis: Die Ausgangsimpedanz und Drift eines idealen Operationsverstärkers sind 0. Die Spannungsverstärkung, die Eingangsimpedanz und die Bandbreite eines idealen Operationsverstärkers sind unendlich.
Die Operationsverstärker werden weiter in invertierende und nicht invertierende Verstärker kategorisiert. Lassen Sie uns die beiden oben genannten Arten von Operationsverstärkern im Detail besprechen.
Anwendungen
Operationsverstärker werden in verschiedenen Anwendungen in der Elektronik eingesetzt. Zum Beispiel,
- Filter
- Spannungskomparator
- Integrator
- Strom-Spannungs-Wandler
- Sommerverstärker
- Phasenwechsler
Der invertierende und nicht invertierende Eingang eines Verstärkers ist unten dargestellt:
Invertierender Verstärker
Der invertierende Verstärker ist unten dargestellt:
Es handelt sich um die Spannungs-Shunt-Rückkopplungskonfiguration des Operationsverstärkers. Eine an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegte Signalspannung führt zum Fluss des Stroms I1 in den Operationsverstärker. Wir wissen, dass die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers unendlich ist. Dadurch kann kein Strom in den Verstärker fließen. Der Strom fließt durch die Ausgangsschleife (durch den Widerstand R2) zum Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers.
Die Spannungsverstärkung am Ausgangsanschluss des invertierenden Verstärkers wird wie folgt berechnet:
A =Vo/Vs = -R2/R1
Wo,
Vo und Vs sind die Ausgangs- und Signalspannung.
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Das negative Vorzeichen zeigt an, dass der Ausgang des Verstärkers um 180 Grad phasenverschoben zum Eingang ist.
Der invertierende Verstärker ist einer der am häufigsten verwendeten Operationsverstärker. Es verfügt über sehr niedrige Eingangs- und Ausgangsimpedanzen.
Nichtinvertierender Verstärker
Der nichtinvertierende Verstärker ist unten dargestellt:
Die obige Konfiguration ist die Spannungsreihenrückkopplungsverbindung. Eine an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegte Signalspannung führt zum Fluss des Stroms I1 in den Operationsverstärker und des Stroms I2 aus dem Operationsverstärker.
Nach dem Konzept eines virtuellen Kurzschlusses gilt I1 = I2 und Vx =Vs.
Die Spannungsverstärkung des nichtinvertierenden Verstärkers kann wie folgt berechnet werden:
A = A + (R2/R1)
Nichtinvertierende Verstärker haben hohe Eingangs- und niedrige Ausgangsimpedanzen. Er wird auch als Spannungsverstärker bezeichnet.
DC-Verstärker
DC- oder direktgekoppelte Verstärker werden zur Verstärkung niederfrequenter und direktgekoppelter Signale verwendet. Die beiden Stufen eines Gleichstromverstärkers können durch eine direkte Kopplung zwischen diesen Stufen miteinander verbunden werden.
Die direkte Kopplung ist eine einfache und unkomplizierte Verbindungsart. Sie kann berechnet werden, indem der Kollektor des Transistors der ersten Stufe direkt mit der Basis des Transistors der zweiten Stufe verbunden wird, die als T1 und T2 bezeichnet wird.
Gleichstromverstärker verursachen jedoch zwei Probleme, die als Driftverschiebung und Pegelverschiebung bezeichnet werden. Das Design des Differenzverstärkers beseitigte solche Probleme. Lassen Sie uns den Differenzverstärker besprechen.
Differenzverstärker
Der Aufbau des Differenzverstärkers löste das Problem der Drift und Pegelverschiebung. Die Struktur besteht aus zwei BJT (Bipolar Junction Transistor) Verstärker, die nur über die Stromversorgungsleitungen angeschlossen sind. Er wird als Differenzverstärker bezeichnet, da der Ausgang des Verstärkers die Differenz zwischen den einzelnen Eingängen ist, wie unten dargestellt:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Wo,
Vo ist die Ausgabe und Vi1 und Vi2 sind die beiden Eingaben.
A ist die Verstärkung des Differenzverstärkers.
Nun, wenn
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
Die obige Operation wird als a bezeichnet Differentialmodus Betrieb. Dabei sind die Eingangssignale zueinander phasenverschoben. Solche phasenverschobenen Signale werden als Differenzmodussignale (DM) bezeichnet.
Wenn,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
In = 0
Dieser Vorgang ist bekannt als Gleichtakt (CM), da die Eingangssignale miteinander phasengleich sind. Der Nullausgang solcher Signale zeigt an, dass im Verstärker keine Drift auftritt.
Leistungsverstärker
Auch Leistungsverstärker genannt Stromverstärker . Diese Verstärker müssen den Strompegel eines eingehenden Signals erhöhen, um die Lasten problemlos anzutreiben. Zu den Arten von Leistungsverstärkern gehören Audio-Leistungsverstärker, Hochfrequenz-Leistungsverstärker usw.
Leistungsverstärker werden in Verstärker der Klasse A, Klasse AB, Klasse B und Klasse C eingeteilt. Wir werden die Leistungsverstärkerklassen später in diesem Thema besprechen.
Verstärker im Schaltmodus
Schaltverstärker sind eine Art nichtlinearer Verstärker mit hohem Wirkungsgrad.
Ein häufiges Beispiel für einen solchen Verstärkertyp sind Klasse-D-Verstärker.
Instrumentalverstärker
Der Instrumentenverstärker wird in analogen Erfassungs- und Messgeräten eingesetzt. Betrachten wir ein Beispiel.
Ein Voltmeter zur Messung sehr niedriger Spannungen benötigt für seine ordnungsgemäße Funktion einen Instrumentenverstärker. Es verfügt über verschiedene Merkmale, wie z. B. sehr hohe Spannungsverstärkung, gute Isolierung, sehr geringes Rauschen, geringer Stromverbrauch, große Bandbreite usw.
Negative Rückmeldung
Negative Rückkopplung ist eines der wesentlichen Merkmale zur Kontrolle der Verzerrung und Bandbreite in Verstärkern. Der Hauptzweck der negativen Rückkopplung besteht darin, die Verstärkung des Systems zu verringern. Der Teil des Ausgangs in der entgegengesetzten Phase wird in den Eingang zurückgeführt. Der Wert wird weiter von der Eingabe subtrahiert. Beim verzerrten Ausgangssignal wird der verzerrte Ausgang in entgegengesetzter Phase zurückgekoppelt. Es wird von der Eingabe subtrahiert; Wir können sagen, dass die negative Rückkopplung in Verstärkern die Nichtlinearitäten und unerwünschte Signale reduziert.
Das folgende Bild stellt negatives Feedback dar:
Mit Hilfe der Gegenkopplung können auch Crossover-Verzerrungen und andere physikalische Fehler eliminiert werden. Weitere Vorteile der Verwendung von negativer Rückkopplung sind die Erweiterung der Bandbreite, die Korrektur von Temperaturänderungen usw.
Die negative Rückkopplung kann eine negative Spannungsrückkopplung oder eine negative Stromrückkopplung sein. In beiden Fällen ist die Spannungs- oder Stromrückführung proportional zum Ausgang.
Wir sollten nicht zwischen positivem und negativem Feedback verwechseln. Positives Feedback verstärkt tendenziell die Veränderung, während negatives Feedback dazu neigt, die Veränderung zu verringern. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Eingangs- und Ausgangssignale bei positiver Rückkopplung in Phase sind und addiert werden. Bei negativer Rückkopplung sind die Ein- und Ausgangssignale phasenverschoben und werden subtrahiert.
Aktive Geräte im Verstärker
Der Verstärker besteht aus einigen aktiven Geräten, die für den Verstärkungsprozess verantwortlich sind. Es kann sich um einen einzelnen Transistor, eine Vakuumröhre, eine Festkörperkomponente oder einen beliebigen Teil der integrierten Schaltkreise handeln.
Lassen Sie uns die aktiven Geräte und ihre Rolle im Verstärkungsprozess besprechen.
BJT
BJT ist allgemein bekannt als stromgesteuert Gerät. Bipolare Sperrschichttransistoren werden als Schalter zur Stromverstärkung in Verstärkern verwendet.
MOSFET
MOSFET bzw Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren werden häufig bei der Verstärkung elektronischer Signale verwendet. MOSFETs können verwendet werden, um die Leitfähigkeit durch Steuerung der Gate-Spannung zu ändern. MOSFET kann auch die Stärke des schwachen Signals erhöhen. Daher können MOSFETs als Verstärker verwendet werden.
Vakuumröhrenverstärker
Der Vakuumröhrenverstärker verwendet Vakuumröhren als Quellgerät. Es wird verwendet, um die Amplitude des Signals zu erhöhen. Unterhalb der Mikrowellenfrequenzen wurden Ende des 19. Jahrhunderts Röhrenverstärker durch Halbleiterverstärker ersetztThJahrhundert.
Mikrowellenverstärker
Mikrowellenverstärker werden üblicherweise in Mikrowellensystemen verwendet. Es wird verwendet, um den Pegel des Eingangssignals mit sehr geringer Verzerrung anzuheben. Es kann auch die elektrische Leistung schalten oder erhöhen. Im Vergleich zu Halbleitergeräten bietet es bei Mikrowellenfrequenzen eine bessere Einzelgeräteleistung.
Magnetische Verstärker
Magnetische Verstärker wurden im 20. Jahrhundert entwickeltThJahrhundert, um die Nachteile (hohe Stromkapazität und Stärke) der Vakuumröhrenverstärker zu überwinden. Magnetische Verstärker ähneln Transistoren. Es steuert die magnetische Stärke des Kerns, indem es die Steuerspule (eine weitere Wicklungsspule) mit Strom versorgt.
Integrierte Schaltkreise
Integrierte Schaltkreise können mehrere elektronische Geräte enthalten, beispielsweise Kondensatoren und Transistoren. Die Popularität von IC hat auch elektronische Geräte auf der ganzen Welt verbreitet.
Leistungsverstärkerklassen
Leistungsverstärkerklassen werden klassifiziert als Klasse A, Klasse B, Klasse AB, Und Klasse C . Lassen Sie uns eine kurze Beschreibung der Leistungsverstärkerklassen besprechen.
Leistungsverstärker der Klasse A
Der Eingang des Klasse-A-Verstärkers ist klein, weshalb auch der Ausgang klein ist. Daher erzeugt es keine große Leistungsverstärkung. Mit Transistoren kann es als Spannungsverstärker eingesetzt werden. Klasse-A-Verstärker mit Vakuumpentoden können auch eine einzelne Leistungsverstärkungsstufe zur Ansteuerung von Lasten wie Lautsprechern bereitstellen.
Leistungsverstärker der Klasse B
BJTs erfordern im Allgemeinen Leistungsverstärker der Klasse B, um Lasten wie Lautsprecher anzutreiben. Der Eingang von Klasse-B-Verstärkern ist groß, wodurch auch der Ausgang sehr groß ist. Dadurch entsteht eine große Verstärkung. Bei einem einzelnen Transistor wird jedoch nur die Hälfte des Eingangssignals verstärkt.
Leistungsverstärker der Klasse AB
Die Konfiguration der AB-Leistungsverstärker liegt zwischen Klasse-A- und Klasse-B-Verstärkern. Verstärker der Klasse AB werden hergestellt, indem die hohe Leistung von Leistungsverstärkern der Klasse B mit der geringen Verzerrung von Leistungsverstärkern der Klasse A kombiniert wird.
Bei kleinen Leistungen kann sich der Klasse-AB-Leistungsverstärker wie ein Klasse-A-Leistungsverstärker verhalten. Bei sehr großen Leistungen kann er sich wie ein Klasse-B-Leistungsverstärker verhalten.
Leistungsverstärker der Klasse C
Das Leitungselement von Leistungsverstärkern der Klasse C sind Transistoren. Es hat einen besseren Wirkungsgrad, verursacht aber aufgrund der Leitung von weniger als der Halbwelle große Verzerrungen. Daher werden Leistungsverstärker der Klasse C in Audioanwendungen nicht bevorzugt. Zu den üblichen Anwendungen solcher Verstärker gehören Hochfrequenzschaltungen.
Eigenschaften des Verstärkers
Verstärker werden anhand ihrer Eingangs- und Ausgangseigenschaften definiert. Die Verstärkung des Verstärkers bestimmt seine Verstärkung. Daher sind Verstärkung und Multiplikationsfaktoren die beiden wesentlichen Eigenschaften der Verstärker.
Lassen Sie uns die Eigenschaften besprechen, die durch verschiedene Parameter definiert werden, die unten aufgeführt sind:
Die Verstärkung eines Verstärkers wird als Verhältnis von Ausgang (Leistung, Strom oder Spannung) zu Eingang berechnet. Es bestimmt die Verstärkung des Verstärkers. Beispielsweise hat ein Signal mit einer Eingangsspannung von 10 Volt und einer Ausgangsspannung von 60 Volt eine Verstärkung von 6.
Verstärkung = Ausgang/Eingang
Gewinn = 60/10
Gewinn = 6
Der Gewinn wird in der Einheit dB (Dezibel) ausgedrückt. Passive Komponenten haben im Allgemeinen eine Verstärkung von weniger als eins, während aktive Komponenten eine Verstärkung von mehr als 1 haben.
Die Bandbreite ist definiert als die Breite, gemessen in Hertz des nutzbaren Frequenzbereichs.
Frequenzbereich - Der Frequenzbereich wird im Allgemeinen als Frequenzgang oder Bandbreite angegeben.
Unter Rauschen versteht man jedes unerwünschte Signal, das eine Störung im System darstellt.
Der höhere Wirkungsgrad eines Verstärkers würde zu einer geringeren Wärmeentwicklung und einer höheren Ausgangsleistung führen. Sie errechnet sich aus dem Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung und der Ausnutzung der Gesamtleistung.
Die Anstiegsgeschwindigkeit wird in Volt pro Mikrosekunde gemessen. Sie ist definiert als die maximale Änderungsrate des Outputs. Eine Anstiegsgeschwindigkeit oberhalb des hörbaren Bereichs eines Verstärkers würde zu weniger Verzerrungen und Fehlern führen.
Darunter versteht man die Fähigkeit des Verstärkers, präzise Kopien des Eingangssignals zu erzeugen.
Die Verstärkerschaltungen müssen bei allen verfügbaren Frequenzen stabil sein. Darunter versteht man die Fähigkeit, unerwünschte Schwingungen in einem elektronischen Gerät zu vermeiden.
Funktionen verschiedener Verstärker
Andere Verstärkertypen haben andere Eigenschaften. Lassen Sie uns die Funktion verschiedener heute verwendeter Verstärkertypen besprechen.
- Der Linearverstärker bieten keine perfekte lineare Fähigkeit, da kein Verstärker perfekt ist. Dies liegt an der Verwendung von Verstärkergeräten wie Transistoren, die ihrer Natur nach nichtlinear sind. Diese Geräte können eine gewisse Nichtlinearität erzeugen. Die linearen Verstärker sind weniger anfällig für Verzerrungen. Das bedeutet, dass lineare Verstärker weniger Verzerrungen erzeugen.
- Besonders gestaltet Audioverstärker kann die Audiofrequenz verstärken.
- Der Schmalbandverstärker verstärkt über das schmale Frequenzband, während Breitbandverstärker über einen weiten Frequenzbereich verstärken.
- Der nichtlineare Verstärker erzeugen im Vergleich zu linearen Geräten Verzerrungen. Allerdings werden auch heute noch nichtlineare Geräte verwendet. Beispiele für nichtlineare Verstärker sind HF-Verstärker (Hochfrequenzverstärker) usw.
- Die Struktur der logarithmischer Verstärker erzeugt eine Ausgabe proportional zum Logarithmus seiner Eingabe. Die Schaltung besteht aus zwei Dioden und zwei Operationsverstärkern (Operationsverstärker).
Anwendungen von Verstärkern
Die Verstärker werden in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Lassen Sie uns das im Detail besprechen.
Spannungsfolger wird auch als Spannungsfolger bezeichnet Verstärker mit Einheitsverstärkung . Es hat eine sehr große Eingangsimpedanz und eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz, was das Grundprinzip von ist Pufferung Aktion. Der invertierende Anschluss des Operationsverstärkers ist mit dem Ausgangsanschluss kurzgeschlossen.
Das bedeutet, dass die Ausgabe gleich der Eingabe ist. Man nennt ihn Spannungsfolger, weil der Ausgang des Verstärkers dem Eingang folgt.
Der Spannungsfolger bietet keine Belastungseffekte, keine Leistungs- und Stromverstärkung, was seine Vorteile sind.
Der Aufbau eines Strom-Spannungs-Wandlers ist unten dargestellt:
Wo,
RT: Thermistor oder lichtabhängiger Widerstand.
ES: Aktuell
RF: Rückkopplungswiderstand
WENN: Rückkopplungsstrom
Stimme: Ausgangsspannung
Der Thermistor treibt den Operationsverstärker im invertierenden Modus an. Die Temperaturänderung führt zu einer Änderung des Thermistorwiderstands. Dadurch wird der durchfließende Strom weiter variiert. Der Strom fließt über den Rückkopplungswiderstand als Rückkopplungsstrom in den Ausgang und erzeugt die Ausgangsspannung. Da der Thermistorstrom gleich dem Rückkopplungsstrom ist, können wir sagen, dass die Ausgangsspannung proportional zum Thermistorstrom ist.
Somit wird ein Eingangsstrom in eine Ausgangsspannung umgewandelt.
TWTA Und Klystron sind die üblichen Geräte, die als Mikrowellenverstärker verwendet werden. Der Wanderfeldröhrenverstärker (TWTA) bietet eine gute Verstärkung auch bei niedrigen Mikrowellenfrequenzen. Dies bedeutet, dass TWTA für die Hochleistungsverstärkung bevorzugt wird. Allerdings sind Klystrone im Vergleich zu TWTA besser abstimmbar.
Klystrons werden auch bei Mikrowellenfrequenzen für Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Im Vergleich zu TWTA bietet es jedoch eine weitreichende einstellbare Verstärkung. Es hat im Vergleich zu TWTA auch eine schmale Bandbreite.
Solid-State-Geräte B. MOSFET, Dioden, Halbleitermaterialien (Silizium, Gallium usw.), werden in verschiedenen Anwendungen bei niedriger Leistung und Mikrowellenfrequenzen eingesetzt. Zum Beispiel, Mobiltelefone, tragbare Funkterminals usw. Bei solchen Anwendungen sind Größe und Effizienz die Hauptfaktoren, die seine Leistungsfähigkeit und Nutzung bestimmen. Der Einsatz von Halbleiterbauelementen in Mikrowellenverstärkern sorgt ebenfalls für eine große Bandbreite.
Die Verstärker werden in verschiedenen Musikinstrumenten wie Gitarren und Drumcomputern verwendet, um das Signal verschiedener Quellen (Saiten einer Gitarre usw.) in ein leistungsstarkes elektronisches Signal (Leistungsverstärker) umzuwandeln, das den Klang erzeugt. Der Ton ist für das Publikum oder Personen in der Nähe gut hörbar. Der Ausgang einiger Musikinstrumente ist für einen lauteren Klang mit den Lautsprechern verbunden.
Instrumentenverstärker in Musikinstrumenten verfügen außerdem über die Signaltuning-Funktion, die es dem Interpreten ermöglicht, den Klang des Signals zu ändern.
Die Oszillatorschaltungen werden verwendet, um elektrische Wellenformen beliebiger Frequenz, Form und Leistung zu erzeugen. Der Einsatz von Verstärkern in Oszillatoren sorgt für eine konstante Ausgangsamplitude und verstärkt die Rückkopplungsfrequenz.
Der im Videoverstärker vorhandene Verstärker verstärkt das aus Hochfrequenzanteilen bestehende Signal. Es verhindert auch jegliche Verzerrung. Die Videoverstärker verfügen je nach Videosignalqualität über unterschiedliche Bandbreiten, z. B. SDTV, HDTV, 1080pi usw.