Forstærker - Amplifier

En 100 watt stereolydforstærker, der blev brugt i hjemmekomponentlydsystemer i 1970'erne.

Amplifikation betyder at øge amplituden (spændingen eller strømmen) af et tidsvarierende signal med en given faktor, som vist her. Grafen viser input (blå) og udgangsspænding (rød) for en ideel lineær forstærker med et vilkårligt signal, der anvendes som input. I dette eksempel har forstærkeren en spændingsforstærkning på 3; det er på ethvert øjeblik${\ displaystyle v_ {i} (t)}$ ${\ displaystyle v_ {o} (t)}$ ${\ displaystyle v_ {o} = 3v_ {i} \,}$

En forstærker , elektronisk forstærker eller (uformelt) forstærker er en elektronisk enhed, der kan øge effekten af et signal (en tidsvarierende spænding eller strøm ). Det er et elektronisk kredsløb med to porte , der bruger elektrisk strøm fra en strømforsyning til at øge amplituden af et signal, der sendes til dets indgangsterminaler, hvilket producerer et proportionelt større amplitude-signal ved dets udgang. Mængden af ​​forstærkning tilvejebragt af en forstærker måles ved dens forstærkning : forholdet mellem udgangsspænding, strøm eller effekt til input. En forstærker er et kredsløb, der har en effektforstærkning større end en.

En forstærker kan enten være et separat stykke udstyr eller et elektrisk kredsløb indeholdt i en anden enhed. Forstærkning er grundlæggende for moderne elektronik, og forstærkere bruges i vid udstrækning i næsten alt elektronisk udstyr. Forstærkere kan kategoriseres på forskellige måder. Den ene er ved frekvensen af det elektroniske signal, der forstærkes. For eksempel forstærker lydforstærkere signaler i lyd (lyd) -området på mindre end 20 kHz, RF -forstærkere forstærker frekvenser i radiofrekvensområdet mellem 20 kHz og 300 GHz, og servoforstærkere og instrumentforstærkere kan arbejde med meget lave frekvenser ned til jævnstrøm. Forstærkere kan også kategoriseres efter deres fysiske placering i signalkæden ; en forforstærker kan f.eks. gå forud for andre signalbehandlingstrin. Den første praktiske elektriske apparat som forstærker kunne var triode vakuumrør , opfundet i 1906 af Lee De Forest , som førte til de første forstærkere omkring 1912. I dag fleste forstærkere anvender transistorer .

Historie

Vakuumrør

Den første praktiske fremtrædende enhed, der kunne forstærke, var triode -vakuumrøret , opfundet i 1906 af Lee De Forest , hvilket førte til de første forstærkere omkring 1912. Vakuumrør blev brugt i næsten alle forstærkere indtil 1960’erne – 1970’erne, da transistorer udskiftede dem. I dag bruger de fleste forstærkere transistorer, men der bruges fortsat vakuumrør i nogle applikationer.

De Forest's prototype lydforstærker fra 1914. Audion (triode) vakuumrøret havde en spændingsforøgelse på omkring 5, hvilket gav en samlet forstærkning på cirka 125 for denne tretrins forstærker.

Udviklingen af ​​lydkommunikationsteknologi i form af telefonen , der først blev patenteret i 1876, skabte behovet for at øge amplituden af ​​elektriske signaler for at forlænge transmissionen af ​​signaler over stadig længere afstande. I telegrafi var dette problem blevet løst med mellemliggende enheder på stationer, der genopfyldte den spredte energi ved at betjene en signaloptager og sender bag-til-tilbage og danne et relæ , så en lokal energikilde ved hver mellemstation drev det næste ben af smitte. Til duplex-transmission, dvs. afsendelse og modtagelse i begge retninger, blev tovejsrelæ-repeatere udviklet startende med CF Varleys arbejde med telegrafisk transmission. Duplex-transmission var afgørende for telefoni, og problemet blev ikke løst tilfredsstillende før i 1904, da HE Shreeve fra American Telephone and Telegraph Company forbedrede eksisterende forsøg på at konstruere en telefonrepeater bestående af back-to-back carbon-granule sender og elektrodynamiske modtagerpar. Shreeve -repeateren blev først testet på en linje mellem Boston og Amesbury, MA, og flere raffinerede enheder forblev i drift i nogen tid. Efter århundredskiftet blev det konstateret, at kviksølvlamper med negativ modstand kunne forstærkes og også blev prøvet i repeatere med ringe succes.

Udviklingen af termioniske ventiler fra omkring 1902 gav en helt elektronisk metode til forstærkning af signaler. Den første praktiske version af sådanne enheder var Audion -trioden , opfundet i 1906 af Lee De Forest , hvilket førte til de første forstærkere omkring 1912. Da den eneste tidligere enhed, der blev udbredt til at styrke et signal, var relæet, der blev brugt i telegrafsystemer , det forstærkende vakuumrør blev først kaldt et elektronrelæ . Betegnelserne forstærker og forstærkning , der stammer fra det latinske amplificare , (for at forstørre eller udvide ), blev først brugt til denne nye kapacitet omkring 1915, da trioder blev udbredt.

Det forstærkende vakuumrør revolutionerede elektrisk teknologi og skabte det nye elektronikfelt , teknologien til aktive elektriske enheder. Det muliggjorde langdistance telefonlinjer, højttalersystemer , radioudsendelse , talende film , praktisk lydoptagelse , radar , fjernsyn og de første computere . I 50 år brugte stort set alle forbrugerelektroniske enheder vakuumrør. Tidlige rørforstærkere havde ofte positiv feedback ( regenerering ), hvilket kunne øge forstærkningen, men også gøre forstærkeren ustabil og tilbøjelig til svingning. Meget af den matematiske teori om forstærkere blev udviklet på Bell Telephone Laboratories i 1920'erne til 1940'erne. Forvrængningsniveauer i tidlige forstærkere var høje, normalt omkring 5%, indtil 1934, da Harold Black udviklede negativ feedback ; dette gjorde det muligt at reducere forvrængningsniveauerne kraftigt på bekostning af lavere gevinst. Andre fremskridt inden for teorien om forstærkning blev foretaget af Harry Nyquist og Hendrik Wade Bode .

Vakuumrøret var praktisk talt den eneste forstærker, andet end specialiserede strømudstyr såsom magnetforstærker og amplidyne , i 40 år. Effektstyringskredsløb brugte magnetiske forstærkere indtil sidste halvdel af det tyvende århundrede, da halvledere blev mere økonomiske med højere driftshastigheder. De gamle Shreeve elektroakustiske carbon -repeatere blev brugt i justerbare forstærkere i telefonabonnentsæt til hørehæmmede, indtil transistoren leverede mindre forstærkere af højere kvalitet i 1950'erne.

Transistorer

Den første arbejdsdag transistor var et point-kontakt transistor opfundet af John Bardeen og Walter Brattain i 1947 på Bell Labs , hvor William Shockley senere opfandt Bipolar Transistor (BJT) i 1948. De blev fulgt af opfindelsen af metal-oxid- halvlederfelt-effekt-transistor (MOSFET) af Mohamed M. Atalla og Dawon Kahng på Bell Labs i 1959. På grund af MOSFET-skalering , evnen til at skalere til stadig mindre størrelser, er MOSFET siden blevet den mest udbredte forstærker.

Udskiftningen af ​​omfangsrige elektronrør med transistorer i løbet af 1960'erne og 1970'erne skabte en revolution inden for elektronik, hvilket muliggjorde en stor klasse af bærbare elektroniske enheder, såsom transistorradioen, der blev udviklet i 1954. I dag er brugen af ​​vakuumrør begrænset til nogle høje effekter applikationer, f.eks. radiosendere.

Fra 1970'erne blev flere og flere transistorer forbundet på en enkelt chip og derved skabt højere integrationsskalaer (f.eks. Lille, mellemstor og storstilet integration ) i integrerede kredsløb . Mange forstærkere, der er kommercielt tilgængelige i dag, er baseret på integrerede kredsløb.

Til særlige formål er andre aktive elementer blevet brugt. For eksempel, i de tidlige dage af satellitkommunikation , parametriske forstærkere blev brugt. Kernekredsløbet var en diode, hvis kapacitans blev ændret af et RF -signal, der blev oprettet lokalt. Under visse betingelser leverede dette RF -signal energi, der blev moduleret af det ekstremt svage satellitsignal, der blev modtaget på jordstationen.

Fremskridt inden for digital elektronik siden slutningen af ​​det 20. århundrede gav nye alternativer til de traditionelle lineære forstærkningsforstærkere ved at bruge digital omskiftning til at variere pulsformen af ​​faste amplitude-signaler, hvilket resulterede i enheder som f.eks. Klasse D-forstærkeren .

Ideel

De fire typer afhængig kilde - kontrolvariabel til venstre, outputvariabel til højre

I princippet er en forstærker et elektrisk to-port netværk, der producerer et signal ved udgangsporten, der er en kopi af signalet, der tilføres inputporten, men øges i størrelse.

Inputporten kan idealiseres som enten at være en spændingsindgang, der ikke tager nogen strøm, med udgangen proportional med spændingen over porten; eller en strømindgang uden spænding over den, hvor udgangen er proportional med strømmen gennem porten. Udgangsporten kan idealiseres som enten en afhængig spændingskilde , med nul kildemodstand og dens udgangsspænding afhængig af indgangen; eller en afhængig strømkilde , med uendelig kildemodstand og udgangsstrømmen afhængig af indgangen. Kombinationer af disse valg fører til fire typer af ideelle forstærkere. I idealiseret form repræsenteres de af hver af de fire typer afhængige kilder, der bruges i lineær analyse, som vist i figuren, nemlig:

Hver type forstærker i sin ideelle form har en ideel input- og outputmodstand, der er den samme som for den tilsvarende afhængige kilde:

I reelle forstærkere er de ideelle impedanser ikke mulige at opnå, men disse ideelle elementer kan bruges til at konstruere ækvivalente kredsløb af reelle forstærkere ved at tilføje impedanser (modstand, kapacitans og induktans) til input og output. For et bestemt kredsløb bruges ofte en lille signalanalyse til at finde den faktiske impedans. En AC-teststrøm I _{x med} et lille signal påføres input- eller outputnoden, alle eksterne kilder er indstillet til AC-nul, og den tilsvarende vekselspænding V _x over teststrømkilden bestemmer impedansen, der ses ved denne node som R = V _x / I _x .

Forstærkere designet til at fastgøre til en transmissionslinje ved input og output, især RF -forstærkere , passer ikke ind i denne klassificeringsmetode. I stedet for at beskæftige sig med spænding eller strøm individuelt, kobler de ideelt set med en input- eller outputimpedans, der matcher transmissionslinjeimpedansen, det vil sige matchningsforhold mellem spænding og strøm. Mange rigtige RF -forstærkere kommer tæt på dette ideal. Selvom RF -forstærkere for en given passende kilde- og belastningsimpedans kan karakteriseres som forstærkende spænding eller strøm, er de grundlæggende forstærkende effekt.

Ejendomme

Forstærkeregenskaber er givet ved parametre, der omfatter:

• Gain , forholdet mellem størrelsen på output og indgangssignaler
• Båndbredde , bredden af ​​det nyttige frekvensområde
• Effektivitet , forholdet mellem outputenes effekt og det samlede strømforbrug
• Linearitet , i hvilket omfang forholdet mellem input og output amplitude er det samme for høj amplitude og lav amplitude input
• Støj , et mål for uønsket støj blandet i output
• Output dynamisk område , forholdet mellem de største og de mindste nyttige outputniveauer
• Slew rate , den maksimale ændringshastighed for output
• Stigningstid , afviklingstid , ringning og overskridelse, der kendetegner trinresponsen
• Stabilitet , evnen til at undgå selvsvingning

Forstærkere beskrives i henhold til egenskaberne for deres input, deres output og hvordan de forholder sig. Alle forstærkere har forstærkning, en multiplikationsfaktor, der relaterer størrelsen af ​​en egenskab ved udgangssignalet til en egenskab ved indgangssignalet. Forstærkningen kan angives som forholdet mellem output spænding til indgangsspændingen ( spændingsforstærkning ), udgangseffekt til effektoptag ( magt vinde ), eller en kombination af strøm, spænding og magt. I mange tilfælde afhænger egenskaben af ​​output, der varierer, af inputets samme egenskab, hvilket gør gevinsten enhedsløs (dog ofte udtrykt i decibel (dB)).

De fleste forstærkere er designet til at være lineære. Det vil sige, at de giver konstant forstærkning for ethvert normalt indgangsniveau og udgangssignal. Hvis forstærkerens forstærkning ikke er lineær, kan udgangssignalet blive forvrænget . Der er dog tilfælde, hvor variabel forstærkning er nyttig. Visse signalbehandlingsapplikationer bruger eksponentielle forstærkningsforstærkere.

Forstærkere er normalt designet til at fungere godt i en bestemt anvendelse, for eksempel: radio- og tv- sendere og modtagere , high-fidelity ( "hi-fi") stereoanlæg, mikrodatamater og andet digitalt udstyr, og guitar og andre instrumenter forstærkere . Hver forstærker indeholder mindst en aktiv enhed , såsom et vakuumrør eller en transistor .

Negativ feedback

Negativ feedback er en teknik, der bruges i de fleste moderne forstærkere til at forbedre båndbredde og forvrængning og kontrolforstærkning. I en negativ feedback -forstærker tilbageføres en del af output og tilføjes til indgangen i modsat fase ved at trække fra input. Hovedeffekten er at reducere systemets samlede gevinst. Imidlertid tilbydes uønskede signaler, der indføres af forstærkeren, såsom forvrængning, også. Da de ikke er en del af det originale input, tilføjes de til input i modsat fase og trækker dem fra input. På denne måde reducerer negativ feedback også ikke -linearitet, forvrængning og andre fejl, der indføres af forstærkeren. Store mængder negativ feedback kan reducere fejl til det punkt, at selve forstærkerens respons bliver næsten irrelevant, så længe den har en stor forstærkning, og systemets outputydelse ("lukket sløjfe -ydelse ") er fuldstændig defineret af komponenter i feedback loop. Denne teknik bruges især med operationsforstærkere (op-ampere).

Ikke-feedback-forstærkere kan kun opnå omkring 1% forvrængning for lydfrekvenssignaler. Med negativ feedback kan forvrængning typisk reduceres til 0,001%. Støj, selv crossover -forvrængning, kan praktisk talt elimineres. Negativ feedback kompenserer også for ændrede temperaturer og nedbrydende eller ikke -lineære komponenter i forstærkningstrinnet, men enhver ændring eller ikke -linearitet i komponenterne i feedback -loop vil påvirke output. Faktisk bruges feedback -loopens evne til at definere outputtet til at lave aktive filterkredsløb .

En anden fordel ved negativ feedback er, at den forlænger forstærkerens båndbredde . Begrebet feedback bruges i operationsforstærkere til præcist at definere forstærkning, båndbredde og andre parametre helt baseret på komponenterne i feedback -sløjfen.

Negativ feedback kan anvendes på hvert trin i en forstærker for at stabilisere driften af aktive enheder mod mindre ændringer i strømforsyningsspændingen eller enhedens egenskaber.

Nogle tilbagemeldinger, positive eller negative, er uundgåelige og ofte uønskede - f.eks. Introduceret af parasitære elementer , såsom iboende kapacitans mellem input og output fra enheder såsom transistorer og kapacitiv kobling af eksterne ledninger. Overdreven frekvensafhængig positiv feedback kan producere parasitær svingning og gøre en forstærker til en oscillator .

Kategorier

Aktive enheder

Alle forstærkere indeholder en eller anden form for aktiv enhed: dette er den enhed, der foretager den faktiske forstærkning. Den aktive enhed kan være et vakuumrør , diskret solid state-komponent, såsom en enkelt transistor eller del af et integreret kredsløb , som i en op-amp ).

Transistorforstærkere (eller solid state -forstærkere) er den mest almindelige type forstærker, der bruges i dag. En transistor bruges som det aktive element. Forstærkerens forstærkning bestemmes af egenskaberne af selve transistoren samt det kredsløb, den er indeholdt i.

Almindelige aktive enheder i transistorforstærkere omfatter bipolære krydsetransistorer (BJT'er) og metaloxidhalvlederfelt-effekt-transistorer (MOSFET'er).

Ansøgninger er mange, nogle almindelige eksempler er lydforstærkere i et hjemmestereo eller højttalersystem , RF -højeffektgenerering til halvlederudstyr, til RF- og mikrobølgeapplikationer såsom radiosendere.

Transistorbaseret forstærkning kan realiseres ved hjælp af forskellige konfigurationer: for eksempel kan en bipolar krydsetransistor realisere fælles base , fælles kollektor eller fælles emitterforstærkning ; en MOSFET kan realisere fælles gate , common source eller common drain amplification. Hver konfiguration har forskellige egenskaber.

Vakuumrørforstærkere (også kendt som rørforstærkere eller ventilforstærkere) bruger et vakuumrør som den aktive enhed. Mens halvlederforstærkere stort set har forskudt ventilforstærkere til applikationer med lav effekt, kan ventilforstærkere være meget mere omkostningseffektive i applikationer med høj effekt, såsom radar, modforanstaltninger og kommunikationsudstyr. Mange mikrobølgeforstærkere er specialdesignede ventilforstærkere, såsom klystron , gyrotron , vandrende bølgerør og krydsfeltforstærker , og disse mikrobølgeventiler giver meget større enkeltudgangseffekt ved mikrobølgefrekvenser end solid-state-enheder. Vakuumrør forbliver i brug i noget avanceret lydudstyr såvel som i musikinstrumentforstærkere på grund af en præference for " rørlyd ".

Magnetiske forstærkere er enheder, der ligner en transformer, hvor den ene vikling bruges til at kontrollere mætningen af ​​en magnetisk kerne og dermed ændre impedansen for den anden vikling.

De er stort set faldet ud af brug på grund af udvikling i halvlederforstærkere, men er stadig nyttige i HVDC -kontrol og i atomkraftstyringskredsløb på grund af ikke at blive påvirket af radioaktivitet.

Negative modstande kan bruges som forstærkere, såsom tunneldiodeforstærkeren .

Effektforstærkere

Effektforstærker fra Skyworks Solutions i en smartphone .

En effektforstærker er en forstærker, der primært er designet til at øge den effekt, der er tilgængelig for en belastning . I praksis forstærkereffekt gevinst afhænger af kilden og belastning impedanser , samt den iboende spænding og strøm gevinst. Et radiofrekvens (RF) forstærkerdesign optimerer typisk impedanser til effektoverførsel, mens lyd- og instrumentforstærkerdesign normalt optimerer input- og outputimpedans til mindst belastning og højeste signalintegritet. En forstærker, der siges at have en forstærkning på 20 dB, kan have en spændingsforøgelse på 20 dB og en tilgængelig effektforstærkning på meget mere end 20 dB (effektforhold på 100) - dog giver den faktisk en meget lavere effektforøgelse, hvis f.eks. , er indgangen fra en 600 Ω mikrofon, og udgangen forbindes til en 47  kΩ indgangsstik til en effektforstærker. Generelt er effektforstærkeren den sidste 'forstærker' eller det faktiske kredsløb i en signalkæde (udgangstrinnet) og er forstærkerstadiet, der kræver opmærksomhed på strømeffektivitet. Effektivitetsovervejelser fører til de forskellige klasser af effektforstærkere baseret på forspænding af udgangstransistorer eller -rør: se effektforstærkerklasser herunder.

Lydforstærkere bruges typisk til at drive højttalere . De har ofte to udgangskanaler og leverer lige meget strøm til hver. En HF-effektforstærkeren er fundet i radio transmitter afsluttende fase. En servomotorkontroller : forstærker en styrespænding for at justere motorens hastighed eller placeringen af ​​et motoriseret system.

Operationsforstærkere (op-forstærkere)

En LM741 generel op-amp

En operationsforstærker er et forstærkerkredsløb, der typisk har en meget høj open loop -forstærkning og differentielle indgange. Op -forstærkere er blevet meget udbredt som standardiserede "forstærkningsblokke" i kredsløb på grund af deres alsidighed; deres forstærkning, båndbredde og andre egenskaber kan styres af feedback gennem et eksternt kredsløb. Selvom udtrykket i dag almindeligvis gælder for integrerede kredsløb, brugte det originale operationsforstærkerdesign ventiler, og senere design anvendte diskrete transistorkredsløb.

En fuldt differential forstærker ligner operationsforstærkeren, men har også differentialudgange. Disse er normalt konstrueret ved hjælp af BJT'er eller FET'er .

Distribuerede forstærkere

Disse bruger afbalancerede transmissionslinjer til at adskille individuelle enkelt -trin forstærkere, hvis output summeres af den samme transmissionslinje. Transmissionslinjen er en afbalanceret type med input i den ene ende og kun på den ene side af den balancerede transmissionslinje og output i den modsatte ende er også den modsatte side af den afbalancerede transmissionslinje. Forøgelsen af ​​hvert trin tilføjer lineært til output i stedet for at multiplicere det ene med det andet som i en kaskade -konfiguration. Dette gør det muligt at opnå en højere båndbredde end ellers kunne realiseres, selv med de samme forstærkningstrinnselementer.

Switched mode forstærkere

Disse ikke -lineære forstærkere har meget højere effektivitet end lineære forstærkere og bruges, hvor strømbesparelsen begrunder den ekstra kompleksitet. Klasse-D forstærkere er hovedeksemplet på denne type forstærkning.

Negativ modstandsforstærker

Negativ modstandsforstærker er en type regenerativ forstærker, der kan bruge feedbacken mellem transistorens kilde og gate til at transformere en kapacitiv impedans på transistorens kilde til en negativ modstand på dens gate. Sammenlignet med andre former for forstærkere, vil denne "negative modstandsforstærker" kun kræve en lille mængde strøm for at opnå meget høj forstærkning, og samtidig opretholde et godt støjtal.

Ansøgninger

Video forstærkere

Videoforstærkere er designet til at behandle videosignaler og har varierende båndbredder afhængigt af om videosignalet er til SDTV, EDTV, HDTV 720p eller 1080i/p osv. Specifikationen af ​​selve båndbredden afhænger af, hvilken slags filter der bruges - og kl. hvilket punkt ( -1 dB eller -3 dB for eksempel) måles båndbredden. Visse krav til trinrespons og overskridelse er nødvendige for et acceptabelt tv -billede.

Mikrobølge forstærkere

Traveling wave tube forstærkere (TWTA'er) bruges til højeffektforstærkning ved lave mikrobølgefrekvenser. De kan typisk forstærke på tværs af et bredt spektrum af frekvenser; de er imidlertid sædvanligvis ikke så afstemmelige som klystroner.

Klystrons er specialiserede lineære stråle vakuumenheder, designet til at levere højeffekt, bredt justerbar forstærkning af millimeter og sub-millimeter bølger. Klystrons er designet til store operationer, og på trods af at de har en smallere båndbredde end TWTA'er, har de fordelen ved sammenhængende at forstærke et referencesignal, så dets output kan styres præcist i amplitude, frekvens og fase.

Solid-state-enheder såsom silicium-kortkanal-MOSFET'er som dobbeltdiffunderede metaloxid-halvleder (DMOS) FET'er, GaAs FET'er , SiGe og GaAs heterojunction bipolære transistorer /HBT'er, HEMT'er , IMPATT-dioder og andre, bruges især ved lavere mikrobølgeovn frekvenser og effektniveauer i størrelsesorden watt specifikt i applikationer som bærbare RF -terminaler/ mobiltelefoner og adgangspunkter, hvor størrelse og effektivitet er driverne. Nye materialer som galliumnitrid ( GaN ) eller GaN på silicium eller på siliciumcarbid /SiC dukker op i HEMT -transistorer og applikationer, hvor forbedret effektivitet, bred båndbredde, drift nogenlunde fra få til få titalls GHz med udgangseffekt på få watt til få hundrede watt er påkrævet.

Afhængigt af forstærkerens specifikationer og krav til størrelse kan mikrobølgeforstærkere realiseres som monolitisk integrerede, integrerede som moduler eller baseret på diskrete dele eller enhver kombination af disse.

Den maser er en ikke-elektronisk mikrobølge-forstærker.

Musikinstrumentforstærkere

Instrumentforstærkere er en række lydforstærkere, der bruges til at øge lydniveauet på musikinstrumenter, for eksempel guitarer, under forestillinger.

Klassificering af forstærkerfaser og systemer

Fælles terminal

Et sæt klassifikationer til forstærkere er baseret på, hvilken enhedsterminal der er fælles for både input og output kredsløb. I tilfælde af bipolære krydsetransistorer er de tre klasser fælles emitter, fælles base og fælles kollektor. For felt-effekt-transistorer er de tilsvarende konfigurationer fælles kilde, fælles gate og fælles afløb; til vakuumrør , fælles katode, fælles gitter og fælles plade.

Den fælles emitter (eller den fælles kilde, den fælles katode osv.) Er oftest konfigureret til at tilvejebringe forstærkning af en spænding, der påføres mellem basen og emitteren, og udgangssignalet, der tages mellem kollektor og emitter, er inverteret i forhold til indgangen. Det fælles kollektorarrangement anvender indgangsspændingen mellem basen og kollektoren og for at tage udgangsspændingen mellem emitter og kollektor. Dette forårsager negativ feedback, og udgangsspændingen har en tendens til at følge indgangsspændingen. Dette arrangement bruges også, da indgangen har en høj impedans og ikke indlæser signalkilden, selvom spændingsforstærkningen er mindre end én. Fælles-kollektorkredsløbet er derfor bedre kendt som en emitterfølger, kildefølger eller katodefolger.

Ensidig eller bilateral

En forstærker, hvis output ikke giver nogen feedback til sin indgangsside, beskrives som 'ensidig'. Inputimpedansen for en ensidig forstærker er uafhængig af belastning, og outputimpedans er uafhængig af signalkildeimpedans.

En forstærker, der bruger feedback til at forbinde en del af output tilbage til input er en bilateral forstærker. Bilateral forstærkerindgangsimpedans afhænger af belastningen og udgangsimpedansen på signalkildeimpedansen. Alle forstærkere er til en vis grad bilaterale; de kan dog ofte modelleres som ensidige under driftsbetingelser, hvor feedback er lille nok til at forsømme til de fleste formål, hvilket forenkler analysen (se den almindelige basisartikel for et eksempel).

Omvendt eller ikke-omvendt

En anden måde at klassificere forstærkere på er ved indgangssignalets faseforhold til udgangssignalet. En 'inverterende' forstærker producerer en udgang 180 grader ude af fase med indgangssignalet (det vil sige en polaritetsinversion eller spejlbillede af input som set på et oscilloskop ). En 'ikke-inverterende' forstærker opretholder fasen af ​​indgangssignalets bølgeformer. En emitterfølger er en type ikke-inverterende forstærker, der angiver, at signalet ved en transistors emitter følger (dvs. matcher med enhedsforstærkning men måske en forskydning) indgangssignalet. Spændingsfølger er også en ikke -inverterende type forstærker med enhedsforstærkning.

Denne beskrivelse kan gælde for et enkelt trin i en forstærker eller for et komplet forstærkersystem.

Fungere

Andre forstærkere kan klassificeres efter deres funktion eller udgangskarakteristika. Disse funktionelle beskrivelser gælder normalt for komplette forstærkersystemer eller undersystemer og sjældent for individuelle faser.

• En servoforstærker angiver en integreret feedback -loop til aktivt at styre output på et ønsket niveau. En DC -servo angiver brug ved frekvenser ned til DC -niveauer, hvor de hurtige udsving i et lyd- eller RF -signal ikke forekommer. Disse bruges ofte i mekaniske aktuatorer eller enheder såsom DC -motorer, der skal opretholde en konstant hastighed eller et drejningsmoment . En AC servo forstærker. kan gøre dette for nogle vekselstrømsmotorer.
• En lineær forstærker reagerer uafhængigt på forskellige frekvenskomponenter og genererer ikke harmonisk forvrængning eller intermodulationsforvrængning . Ingen forstærkeren kan yde perfekt linearitet (selv den mest lineære forstærker har nogle ulineariteter, da de forstærkende Devices- transistorer eller vakuumrør -Følg ulineære power love såsom firkantede-love og stole på kredsløb teknikker til at reducere disse virkninger).
• En ikke -lineær forstærker genererer betydelig forvrængning og ændrer således det harmoniske indhold; der er situationer, hvor dette er nyttigt. Forstærkerkredsløb , der forsætligt leverer en ikke-lineær overførselsfunktion, omfatter:
  • en enhed som en silicium ensretter eller en transistor anvendes som afbryder kan anvendes til at aktivere enten helt på eller fra en belastning, såsom en lampe baseret på en tærskel i et kontinuerligt variabelt input.
  • en ikke-lineær forstærker i en analog computer eller sand RMS-konverter kan f.eks. tilvejebringe en særlig overførselsfunktion, såsom logaritmisk eller kvadratisk lov.
  • en klasse C RF- forstærker kan vælges, fordi den kan være meget effektiv-men er ikke-lineær. Efter en sådan forstærker med en såkaldt beholder tunet kredsløb kan reducere uønskede harmoniske (distortion) tilstrækkeligt til at gøre den anvendelig i sendere , eller nogle ønskede harmoniske kan vælges ved at indstille resonansfrekvensen af det afstemte kredsløb til en højere frekvens i stedet for grundlæggende frekvens i frekvensmultiplikator kredsløb.
  • Automatiske forstærkningsreguleringskredsløb kræver, at forstærkerens forstærkning styres af den tidsgennemsnitlige amplitude, så outputamplituden varierer lidt, når svage stationer modtages. Ikke-lineariteterne antages arrangeret, så den relativt lille signalamplitude lider af lille forvrængning (kryds-kanal-interferens eller intermodulation ), men alligevel moduleres af den relativt store forstærkningskontrol DC- spænding.
  • AM detektorkredsløb at brugen amplifikation såsom anode-bend detektorer , præcision ensrettere og uendelig impedans detektorer (så eksklusive uforstærket detektorer såsom håndlangere-whisker detektorer ), samt peak detektorkredsløb , er afhængige af ændringer i amplifikation baseret på signalet 's øjeblikkelig amplitude for at udlede en jævnstrøm fra en vekselstrøm indgang.
  • Operationel forstærker komparator og detektor kredsløb .
• En bredbåndsforstærker har en præcis forstærkningsfaktor over et bredt frekvensområde og bruges ofte til at booste signaler til relæ i kommunikationssystemer. En smalbåndsforstærker forstærker et specifikt smalt frekvensområde, med undtagelse af andre frekvenser.
• En RF forstærker Forstærker signaler i radiofrekvens område af elektromagnetiske spektrum , og anvendes ofte til at forøge følsomheden af en modtager eller udgangseffekten af en transmitter .
• En audio-forstærker forstærker lyd frekvenser. Denne kategori opdeles i små signalforstærkninger og effektforstærkere, der er optimeret til at drive højttalere , nogle gange med flere forstærkere grupperet som separate eller brobare kanaler for at imødekomme forskellige krav til lydgengivelse. Ofte anvendte udtryk inden for lydforstærkere inkluderer:
  • Forforstærker (forforstærker), som kan omfatte en phono -forforstærker med RIAA -udligning , eller båndhovedforforstærkere med CCIR -udligningsfiltre. De kan omfatte filtre eller tonestyringskredsløb .
  • Effektforstærker (driver normalt højttalere ), hovedtelefonforstærkere og højttalere .
  • Stereoforstærkere indebærer to udgangskanaler (venstre og højre), selvom udtrykket simpelthen betyder "solid" lyd (henviser til tredimensionel)-så blev kvadrafonisk stereo brugt til forstærkere med fire kanaler. 5.1- og 7.1 -systemer refererer til hjemmebiografsystemer med 5 eller 7 normale rumlige kanaler plus en subwooferkanal .
• Bufferforstærkere , som kan omfatte emitter-følgere , giver en høj impedansindgang til en enhed (måske en anden forstærker eller måske en energisulten belastning som lys), der ellers ville trække for meget strøm fra kilden. Linjedrivere er en type buffer, der fodrer lange eller interferens-tilbøjelige sammenkoblingskabler, muligvis med differentialudgange gennem snoede parkabler .

Interstage -koblingsmetode

Forstærkere klassificeres undertiden efter signalets koblingsmetode ved input, output eller mellem trin. Forskellige typer af disse omfatter:

Resistiv-kapacitiv (RC) koblet forstærker ved hjælp af et netværk af modstande og kondensatorer

Disse forstærkere kan ved design ikke forstærke DC -signaler, da kondensatorerne blokerer DC -komponenten i indgangssignalet. RC-koblede forstærkere blev meget ofte brugt i kredsløb med vakuumrør eller diskrete transistorer. I dagene med det integrerede kredsløb er et par flere transistorer på en chip meget billigere og mindre end en kondensator.

Induktiv-kapacitiv (LC) koblet forstærker ved hjælp af et netværk af induktorer og kondensatorer

Denne form for forstærker bruges oftest i selektive radiofrekvenskredsløb.

Transformatorkoblet forstærker, der bruger en transformer til at matche impedanser eller til at afkoble dele af kredsløbene

Ofte kan LC-koblede og transformatorkoblede forstærkere ikke skelnes, da en transformer er en slags induktor.

Direkte koblet forstærker , uden brug af impedans og bias -matchende komponenter

Denne klasse af forstærker var meget ualmindelig i vakuumrørsdage, da anode (udgangsspændingen) var større end flere hundrede volt og net (input) spændingen ved et par volt minus. Så de blev kun brugt, hvis forstærkningen blev specificeret ned til DC (f.eks. I et oscilloskop). I forbindelse med moderne elektronik opfordres udviklere til at bruge direkte koblede forstærkere, når det er muligt. I FET- og CMOS -teknologier er direkte kobling dominerende, da porte til MOSFET'er teoretisk set ikke fører nogen strøm gennem sig selv. Derfor filtreres DC -komponenten i indgangssignalerne automatisk.

Frekvensområde

Afhængigt af frekvensområdet og andre egenskaber er forstærkere designet efter forskellige principper.

Frekvensområder ned til DC bruges kun, når denne egenskab er nødvendig. Forstærkere til jævnstrømssignaler er sårbare over for mindre variationer i komponenternes egenskaber over tid. Særlige metoder, såsom chopper -stabiliserede forstærkere, bruges til at forhindre stødende drift i forstærkerens egenskaber for DC. "DC-blokerende" kondensatorer kan tilføjes for at fjerne DC og sub-soniske frekvenser fra lydforstærkere.

Afhængigt af det specificerede frekvensområde skal forskellige designprincipper anvendes. Op til MHz -området skal kun "diskrete" egenskaber tages i betragtning; f.eks. har en terminal en indgangsimpedans.

Så snart enhver forbindelse i kredsløbet bliver længere end måske 1% af bølgelængden med den højeste angivne frekvens (f.eks. Ved 100 MHz er bølgelængden 3 m, så den kritiske forbindelseslængde er ca. 3 cm), ændrer designegenskaberne sig radikalt. For eksempel kan en specificeret længde og bredde af et PCB- spor bruges som en selektiv eller impedansmatchende enhed. Over et par hundrede MHz bliver det svært at bruge diskrete elementer, især induktorer. I de fleste tilfælde bruges PCB -spor af meget tæt definerede former i stedet ( stripline -teknikker).

Frekvensområdet håndteret af en forstærker kan specificeres i form af båndbredde (normalt indebærer et svar, der er 3  dB ned, når frekvensen når den angivne båndbredde), eller ved at angive et frekvensrespons, der ligger inden for et bestemt antal decibel mellem en lavere og en øvre frekvens (f.eks. "20 Hz til 20 kHz plus eller minus 1 dB").

Effektforstærker klasser

Effektforstærkerkredsløb (udgangstrin) er klassificeret som A, B, AB og C for analoge designs - og klasse D og E for switch -designs. De effektforstærker klasser er baseret på den andel af hvert inputcyklus (ledende vinkel), hvor en forstærkende indretning passerer strøm. Billedet af ledningsvinklen stammer fra forstærkning af et sinusformet signal. Hvis enheden altid er tændt, er ledningsvinklen 360 °. Hvis den kun er tændt i halvdelen af ​​hver cyklus, er vinklen 180 °. Flowvinklen er tæt forbundet med forstærkerens effektivitet .

Eksempel på forstærkerkredsløb

Et praktisk forstærkerkredsløb

Det praktiske forstærkerkredsløb vist ovenfor kunne være grundlaget for en lydforstærker med moderat effekt. Den har et typisk (om end væsentligt forenklet) design, som findes i moderne forstærkere, med et klasse-AB push-pull output- trin, og bruger en generel negativ feedback. Bipolære transistorer er vist, men dette design kan også realiseres med FET'er eller ventiler.

Indgangssignalet er koblet gennem kondensatoren C1 til basen af ​​transistoren Q1. Kondensatoren lader vekselstrømssignalet passere, men blokerer DC -forspændingen, der er etableret af modstandene R1 og R2, så ethvert foregående kredsløb ikke påvirkes af det. Q1 og Q2 danner en differentialforstærker (en forstærker, der multiplicerer forskellen mellem to input med en eller anden konstant), i et arrangement kendt som et langhalet par . Dette arrangement bruges til bekvemt at tillade brug af negativ feedback, som føres fra output til Q2 via R7 og R8.

Den negative feedback til differensforstærkeren gør det muligt for forstærkeren at sammenligne input til det faktiske output. Det forstærkede signal fra Q1 føres direkte til det andet trin, Q3, som er et fælles emittertrin , der giver yderligere forstærkning af signalet og DC -bias for udgangstrinnene, Q4 og Q5. R6 leverer belastningen for Q3 (et bedre design ville sandsynligvis bruge en form for aktiv belastning her, såsom en konstant strøm). Hidtil fungerer hele forstærkeren i klasse A. Outputparret er arrangeret i klasse-AB push-pull, også kaldet et komplementært par. De leverer størstedelen af ​​strømforstærkningen (mens de bruger lav hvilestrøm) og driver belastningen direkte, forbundet via DC-blokerende kondensator C2. De dioder D1 og D2 giver en lille mængde af konstant spænding bias for output par, bare forspænding i den ledende tilstand, således at crossover forvrængning minimeres. Det vil sige, at dioderne skubber udgangstrinnet fast ind i klasse-AB-tilstand (forudsat at udgangstransistorernes base-emitterfald reduceres ved varmeafledning).

Dette design er enkelt, men et godt grundlag for et praktisk design, fordi det automatisk stabiliserer dets driftspunkt, da feedback internt fungerer fra DC op gennem lydområdet og videre. Yderligere kredsløbselementer ville sandsynligvis findes i en reel design, der ville roll-off den frekvensgang over det nødvendige område for at forhindre muligheden for uønsket oscillation . Brugen af ​​fast diode bias som vist her kan også forårsage problemer, hvis dioderne ikke både er elektrisk og termisk tilpasset output transistorer - hvis output transistorer tænder for meget, kan de let overophedes og ødelægge sig selv, da fuld strøm fra strømforsyningen er ikke begrænset på dette stadium.

En almindelig løsning til at hjælpe med at stabilisere outputenhederne er at inkludere nogle emittermodstande, typisk en ohm eller deromkring. Beregning af værdierne for kredsløbets modstande og kondensatorer udføres baseret på de anvendte komponenter og den påtænkte anvendelse af forstærkeren.

Noter om implementering

Enhver rigtig forstærker er en ufuldkommen erkendelse af en ideel forstærker. En vigtig begrænsning for en reel forstærker er, at output den genererer i sidste ende er begrænset af den tilgængelige strøm fra strømforsyningen. En forstærker mætter og klipper udgangen, hvis indgangssignalet bliver for stort til, at forstærkeren kan gengive eller overskrider driftsgrænser for enheden. Strømforsyningen kan påvirke output, så det skal overvejes i designet. Udgangseffekten fra en forstærker kan ikke overstige dens indgangseffekt.

Forstærkerkredsløbet har en "open loop" ydelse. Dette beskrives af forskellige parametre (forstærkning, svingningshastighed , udgangsimpedans , forvrængning , båndbredde , signal-til-støj-forhold osv.). Mange moderne forstærkere bruger negative feedback -teknikker til at holde forstærkningen på den ønskede værdi og reducere forvrængning. Negativ sløjfe -feedback har den tilsigtede effekt at sænke udgangsimpedansen og derved øge elektrisk dæmpning af højttalerbevægelse ved og nær højttalerens resonansfrekvens.

Ved vurdering af nominel forstærkereffekt er det nyttigt at overveje den anvendte belastning, signaltypen (f.eks. Tale eller musik), den nødvendige effektudgangstid (dvs. kort tid eller kontinuerlig) og det nødvendige dynamiske område (f.eks. Optaget eller live lyd). I kraftfulde lydapplikationer, der kræver lange kabler til belastningen (f.eks. Biografer og indkøbscentre) kan det være mere effektivt at oprette forbindelse til belastningen ved linjeudgangsspænding med matchende transformere ved kilde og belastninger. Dette undgår lange kørsler af tunge højttalerkabler.

For at forhindre ustabilitet eller overophedning kræves omhu for at sikre, at solid state -forstærkere er tilstrækkeligt belastede. De fleste har en nominel minimum belastningsimpedans.

Alle forstærkere genererer varme gennem elektriske tab. Forstærkeren skal aflede denne varme via konvektion eller tvungen luftkøling. Varme kan beskadige eller reducere levetiden på elektroniske komponenter. Designere og installatører skal også overveje varmeeffekter på tilstødende udstyr.

Forskellige typer strømforsyning resulterer i mange forskellige metoder til forspænding . Bias er en teknik, hvorved aktive enheder indstilles til at fungere i et bestemt område, eller hvorved DC -komponenten i udgangssignalet indstilles til midtpunktet mellem de maksimale spændinger, der er tilgængelige fra strømforsyningen. De fleste forstærkere bruger flere enheder på hvert trin; de matches typisk i specifikationer bortset fra polaritet. Matchede inverterede polaritetsenheder kaldes komplementære par. Klasse-A forstærkere bruger generelt kun en enhed, medmindre strømforsyningen er indstillet til at levere både positive og negative spændinger, i hvilket tilfælde et symmetrisk design med to enheder kan bruges. Klasse-C forstærkere bruger pr. Definition en enkelt polaritetsforsyning.

Forstærkere har ofte flere trin i kaskade for at øge gevinsten. Hvert trin i disse designs kan være en anden type forstærker, der passer til behovene i denne fase. For eksempel kan det første trin være et klasse-A-trin, der fodrer et andet klasse-AB push-pull andet trin, som derefter driver et sidste G-output-trin og udnytter fordelene ved hver type, samtidig med at deres svagheder minimeres.

Se også

Referencer

eksterne links

• AES guide til forstærkerklasser
• "Forstærkerens anatomi - del 1" (PDF) . Arkiveret fra originalen (PDF) den 2004-06-10. - indeholder en forklaring på forskellige forstærkerklasser
• "Genopfindelse af effektforstærkeren" (PDF) . Arkiveret fra originalen (PDF) den 2013-04-03.