I allmänhet kan en förstärkare definieras som en krets utformad för att öka en applicerad lågeffektsignal till en högeffektsignal, enligt den specificerade klassificeringen av komponenterna.

Även om den grundläggande funktionen förblir densamma kan förstärkare klassificeras i olika kategorier beroende på deras design och konfigurationer.

Kretsar för förstärkning av logiska ingångar

Du kan ha stött på enstaka transistorförstärkare som är konfigurerade för att driva och förstärka en lågsignalogik från en ingångsavkänningsenhet som LDR, fotodioder , IR-enheter. Utgången från dessa förstärkare används sedan för att växla a flip flop eller ett relä PÅ / AV som svar på signalerna från sensorenheterna.

Du kanske också har sett små förstärkare som används för att förstärka en musik- eller ljudingång eller för att använda en LED-lampa.
Alla dessa små förstärkare kategoriseras som små signalförstärkare.

Typer av förstärkare

Först och främst är förstärkarkretsar införlivade för att förstärka en musikfrekvens så att den matade lilla musikingången förstärks i många veck, normalt 100 gånger till 1000 gånger och återges över en högtalare.

Beroende på deras effekt eller effekt kan sådana kretsar ha mönster som sträcker sig från små opampbaserade små signalförstärkare till stora signalförstärkare som också kallas effektförstärkare.Dessa förstärkare klassificeras tekniskt baserat på deras arbetsprinciper, kretssteg och sättet på vilka de kan konfigureras för att bearbeta förstärkningsfunktionen.

Följande tabell ger oss klassificeringsuppgifterna för förstärkare baserat på deras tekniska specifikationer och funktionsprincip:

I en grundläggande förstärkarkonstruktion finner vi att den mestadels innehåller några steg med nätverk av bipolära transistorer eller BJT, fälteffekttransistorer (FET) eller operationsförstärkare.

Sådana förstärkarblock eller moduler kan ses med ett par terminaler för matning av insignalen, och ett annat par terminaler vid utgången för att erhålla den förstärkta signalen via en ansluten högtalare.

En av terminalerna av dessa två är markterminalerna och kan ses som en gemensam linje över ingångs- och utgångsstegen.

Tre egenskaper hos en förstärkare

De tre viktiga egenskaperna som en ideal förstärkare bör ha är:

Ingångsmotstånd (Rin)
Utgångsmotstånd (Rout)
Förstärkning (A) som är förstärkningsområdet för förstärkaren.

Förstå att en idealisk förstärkare fungerar

Skillnaden i den förstärkta signalen mellan utgången och ingången kallas förstärkaren för förstärkaren. Det är storleken eller mängden med vilken förstärkaren kan förstärka insignalen över dess utgångar.

Ta till exempel, om en förstärkare klassas för att bearbeta en ingångssignal på 1 volt till en förstärkt signal på 50 volt, skulle vi säga att förstärkaren har en förstärkning på 50, det är så enkelt som det.
Denna förbättring av en låg insignal till en högre utsignal kallas få av en förstärkare. Alternativt kan detta förstås som en ökning av insignalen med en faktor 50.

Vinstförhållande Sålunda är förstärkningen av en förstärkare i grunden förhållandet mellan utgångs- och ingångsvärdena för signalnivåerna, eller helt enkelt uteffekten dividerad med ingångseffekten, och tillskrivs bokstaven 'A' som också betyder förstärkarens förstärkningseffekt.

Typer av förstärkningsvinster De olika typerna av förstärkare kan klassificeras som:

Voltage Gain (Av)
Nuvarande vinst (Ai)
Power Gain (Ap)

Exempelformler för beräkning av förstärkarvinster Beroende på ovanstående tre typer av vinster kan formlerna för beräkning av dessa läras från följande exempel:

Spänningsförstärkning (Av) = Utgångsspänning / Ingångsspänning = Vout / Vin
Strömförstärkning (Ai) = Utgångsström / Ingångsström = Iout / Iin
Effektförstärkning (Ap) = Av.x.A i

För att beräkna effektförstärkning kan du också använda formeln:
Effektförstärkning (Ap) = Uteffekt / Ingångseffekt = Aout / Ain

Det skulle vara viktigt att notera att prenumerationen p, v, i används för att beräkna effekt tilldelas för att identifiera den specifika typ av signalförstärkning som man arbetar med.

Uttrycker decibel

Du hittar en annan metod för att uttrycka effektförstärkningen hos en förstärkare, som finns i decibel eller (dB).
Måttet eller kvantiteten Bel (B) är en logaritmisk enhet (bas 10) som inte har en måttenhet.
En Decibel kan dock vara för stor en enhet för praktisk användning, därför använder vi den sänkta versionen decibel (dB) för förstärkarberäkningar.
Här är några formler som kan användas för att mäta förstärkarens förstärkning i decibel:

Voltage Gain in dB: av = 20*log(Av)
Strömförstärkning i dB: ai = 20 * log (Ai)
Effektförstärkning i dB: ap = 10 * log (Ap)

Några fakta om dB-mätning
Det skulle vara viktigt att notera att en förstärkares likströmsförstärkning är 10 gånger den gemensamma loggen för dess utgång / ingångsförhållande, medan förstärkningarna av ström och spänning är 20 gånger den gemensamma loggen för deras förhållanden.

Detta innebär att eftersom en loggskala är inblandad, kan en 20dB förstärkning inte anses vara två gånger 10dB på grund av loggskalornas icke-linjära mätkarakteristik.

När förstärkning mäts i dB, betyder positiva värden förstärkarens förstärkning medan ett negativt dB-värde indikerar en förlust av förstärkarens förstärkning.

Till exempel om en + 3dB förstärkning identifieras indikerar den en tvåfaldig eller x2 förstärkning av den specifika förstärkarutgången.

Omvänt, om resultatet är -3dB, indikerar att förstärkaren har en förlust på 50% förstärkning eller ett x0,5 mått på förlust i sin förstärkning. Detta kallas också halveffektpunkt som betyder -3dB lägre än den maximala uppnåbara effekten, med avseende på 0dB vilket är den maximala möjliga utgången från förstärkaren

Beräkning av förstärkare

Beräkna spänningen, strömmen och effektförstärkningen hos en förstärkare med följande specifikationer: Ingångssignal = 10mV @ 1mAUtgångssignal = 1V @ 10mA.Ta reda på förstärkarens förstärkning med hjälp av decibelvärden (dB).

Lösning:

Genom att tillämpa formlerna som lärt oss ovan kan vi utvärdera de olika typerna av vinster associerade med förstärkaren enligt ingångsspecifikationerna i handen:

Spänningsförstärkning (Av) = Utgångsspänning / Ingångsspänning = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Strömförstärkning (Ai) = Utgångsström / Ingångsström = Iout / Iin = 10/1 = 10
Effektförstärkning (Ap) = Av. x A i = 100 x 10 = 1000

För att få resultaten i decibel använder vi motsvarande formler enligt nedan:

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

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Förstärkareindelningar

Små signalförstärkare: När det gäller effekt- och spänningsförstärkningsspecifikationerna för en förstärkare blir det möjligt för oss att dela upp dem ett par olika kategorier.

Den första typen kallas den lilla signalförstärkaren. Dessa små signalförstärkare används vanligtvis i förförstärkningssteg, instrumentförstärkare etc.

Dessa typer av förstärkare är skapade för att hantera minutsignalnivåer vid deras ingångar, inom räckvidden för vissa mikrovolt, såsom från sensorenheter eller små ljudsignalingångar.

Stora signalförstärkare: Den andra typen av förstärkare benämns som stora signalförstärkare, och som namnet antyder används dessa i effektförstärkartillämpningar för att uppnå enorma förstärkningsområden. I dessa förstärkare är ingångssignalen relativt större i storlek så att de kan förstärkas väsentligt för att reproducera och driva dem till kraftfulla högtalare.

Hur effektförstärkare fungerar

Eftersom små signalförstärkare är utformade för att bearbeta små ingångsspänningar kallas dessa för små signalförstärkare. Men när en förstärkare måste arbeta med applikationer med hög omkopplingsström vid deras utgångar, som att driva en motor eller använda subwoofers, blir en effektförstärkare oundviklig.

Mest populärt används effektförstärkare som ljudförstärkare för att driva stora högtalare och för att uppnå enorma musikförstärkningar och volymutgångar.

Effektförstärkare kräver extern likström för att de ska fungera, och denna likström används för att uppnå den avsedda högeffektsförstärkningen vid deras utgång. Likströmseffekten härrör vanligtvis från högströmsspänning via transformatorer eller SMPS-baserade enheter.

“hur man bygger en mikrokontroller ”

Även om effektförstärkare kan öka den lägre insignalen till höga utsignaler, är proceduren faktiskt inte särskilt effektiv. Det beror på att i processen en betydande mängd likström slösas bort i form av värmeavledning.

Vi vet att en idealisk förstärkare skulle producera en utgång nästan lika med den förbrukade effekten, vilket resulterar i en effektivitet på 100%. Praktiskt taget ser det dock ganska avlägset ut och kanske inte är möjligt på grund av inneboende likströmsförluster från kraftenheterna i form av värme.

Effektiviteten hos en förstärkare Från ovanstående överväganden kan vi uttrycka effektiviteten hos en förstärkare som:

Effektivitet = Förstärkare Effektutgång / Förstärkarens DC-förbrukning = Pout / Pin

Idealisk förstärkare

Med hänvisning till ovanstående diskussion kan det vara möjligt för oss att beskriva de viktigaste egenskaperna hos en idealförstärkare. De är specifikt som förklaras nedan:

Förstärkningen (A) för en idealförstärkare bör vara konstant oavsett en varierande insignal.

Förstärkningen förblir konstant oavsett frekvensen för insignalen, vilket gör att utgångsförstärkningen förblir opåverkad.
Förstärkarens utgång är fri från alla typer av brus under förstärkningsprocessen, tvärtom innehåller den en brusreduceringsfunktion som avbryter eventuellt brus som införs genom ingångskällan.
Det påverkas inte av förändringarna i omgivningstemperaturen eller atmosfärstemperaturen.
Långtidsanvändning har minimal eller ingen effekt på förstärkarens prestanda och förblir konsekvent.

Elektronisk förstärkarklassificering

Oavsett om det är en spänningsförstärkare eller en effektförstärkare, klassificeras dessa baserat på deras ingångs- och utsignalsegenskaper. Detta görs genom att analysera strömflödet med avseende på insignalssignalen och den tid som krävs för att nå utgången.

Baserat på deras kretskonfiguration kan effektförstärkare kategoriseras i alfabetisk ordning. De tilldelas olika operativa klasser som:

Klass 'A'
Klass 'B'
Klass 'C'
Klass 'AB' och så vidare.

Dessa kan ha egenskaper som sträcker sig från nästan linjärt utgångssvar men ganska låg effektivitet till ett icke-linjärt utgångssvar med hög effektivitet.

Ingen av dessa klasser av förstärkare kan urskiljas som fattigare eller bättre än varandra, eftersom var och en har sitt eget specifika applikationsområde beroende på behovet.

Du kan hitta optimala omvandlingseffektiviteter för var och en av dessa, och deras popularitet kan identifieras i följande ordning:

Klass 'A' förstärkare: Effektiviteten är lägre, vanligtvis mindre än 40%, men kan visa förbättrad linjär signalutgång.

Klass 'B' -förstärkare: Effektivitetsgraden kan vara dubbelt så hög som för klass A, praktiskt taget cirka 70%, på grund av att endast de aktiva enheterna på förstärkaren förbrukar ström och endast orsakar 50% strömförbrukning.

Klass 'AB'-förstärkare: Förstärkare i denna kategori har effektivitetsnivå någonstans mellan klass A och klass B, men signalåtergivningen är sämre jämfört med klass A.

Klass 'C' förstärkare: Dessa anses vara exceptionellt effektiva när det gäller strömförbrukning, men signalåtergivningen är värst med mycket distorsion, vilket orsakar mycket dålig replikering av insignalens egenskaper.

Hur klass A-förstärkare fungerar:

Klass A-förstärkare har idealiskt förspända transistorer inom det aktiva området vilket gör det möjligt för ingångssignalen att förstärkas exakt vid utgången.

På grund av denna perfekta förspänningsfunktion tillåts aldrig transistorn att driva mot deras avskurna eller över mättnadsregioner, vilket resulterar i att signalförstärkningen är korrekt optimerad och centrerad mellan de angivna övre och nedre gränserna för signalen, som visas i följande bild:

I konfiguration av klass A appliceras identiska uppsättningar transistorer över två halvor av utgångsvågformen. Och beroende på vilken typ av förspänning den använder, visas alltid utgångstransistorerna i det påkopplade läget, oavsett om insignalen matas eller inte.

På grund av detta får förstärkare i klass A en extremt dålig effektivitet när det gäller strömförbrukning, eftersom den faktiska leveransen av effekt till utgången hindras på grund av överflödigt slöseri med enhetsförlust.

Med den ovan förklarade situationen kan klassförstärkare alltid ses med överhettade uteffektstransistorer även i frånvaro av en insignal.

Även om det inte finns någon ingångssignal får DC (Ic) från strömförsörjningen strömma genom effekttransistorerna, vilket kan vara lika med strömmen som flyter genom högtalaren när insignalen var närvarande. Detta ger upphov till kontinuerliga 'heta' transistorer och slöseri med kraft.

Klass B förstärkare

Till skillnad från klass A-förstärkarkonfiguration som är beroende av enstaka effekttransistorer använder klass B ett par kompletterande BJT över varje halvdel av kretsen. Dessa kan vara i form av NPN / PNP eller N-kanal mosfet / P-kanal mosfet).

Här får en av transistorerna leda som svar på den ena vågformcykeln för insignalen, medan den andra transistorn hanterar den andra halvan av vågformen.

Detta säkerställer att varje transistor i paret leder under hälften av tiden inom det aktiva området och hälften av tiden i avskärningsområdet, så att endast 50% medverkar i förstärkningen av signalen.

Till skillnad från klass A-förstärkare, I klass B-förstärkare är inte effekttransistorerna förspända med en direkt DC, istället säkerställer konfigurationen att de endast leder medan insignalen går högre än basemitterspänningen, vilket kan vara cirka 0,6 V för kisel-BJT.

Detta innebär att när det inte finns någon insignal förblir BJT: erna avstängda och utströmmen är noll. Och på grund av detta får bara 50% av insignalen komma in i utgången i vilket fall som helst, vilket möjliggör en mycket bättre effektivitetsgrad för dessa förstärkare. Resultatet kan bevittnas i följande diagram:

Eftersom det inte finns någon direkt inblandning av DC för förspänning av effekttransistorerna i klass B-förstärkare, för att initiera ledningen som svar på varje halv +/- vågformcykel, blir det absolut nödvändigt för deras bas / emitter Vbe att få en högre potential än 0,6 V (standardbasförspänningsvärde för BJT)

På grund av ovanstående faktum innebär det att medan utgångsvågformen är under 0,6V-märket, kan den inte förstärkas och reproduceras.

Detta ger upphov till en förvrängd region för utgångsvågformen precis under den period då en av BJT: erna stängs av och väntar på att den andra ska slå PÅ igen.

Detta resulterar i att en liten del av vågformen utsätts för mindre förvrängning under korsperioden eller övergångsperioden nära nollkorsningen, exakt när övergången från en transistor till den andra sker över kompletterande par.

Klass AB-förstärkare

Klass AB-förstärkaren är byggd med en blandningskarakteristik från kretsdesignerna klass A och klass B, därav namnet klass AB.

Även om klass AB-design också fungerar med ett par kompletterande BJT-enheter, säkerställer utgångssteget att förspänningen av effekt-BJT: erna styrs nära avstängningströskeln, i frånvaro av en insignal.

I denna situation, så snart en insignal avkänns, negerar transistorerna normalt i deras aktiva region och förhindrar därmed varje möjlighet till en korsningsförvrängning, vilket normalt förekommer i klass B-konfigurationer. Det kan dock finnas en liten mängd kollektorström som leder över BJT: erna, mängden kan anses försumbar jämfört med klass A-konstruktioner.

Klass AB-förstärkare uppvisar en mycket förbättrad effektivitetsgrad och ett linjärt svar i motsats till klass A-motsvarigheten.

Klass AB-förstärkarens vågform

Förstärkarklass är en viktig parameter som beror på hur transistorerna är förspända genom insignalens amplitud för att implementera förstärkningsprocessen.

Det förlitar sig på hur mycket av ingångssignalens vågform som används för transistorerna att leda, och även effektivitetsfaktorn, som bestäms av mängden effekt som faktiskt används för att leverera utgången och / eller slösas bort genom avledning.

När det gäller dessa faktorer kan vi äntligen skapa en jämförelserapport som visar skillnaderna mellan de olika klasserna av förstärkare, som ges i följande tabell.

Sedan kan vi göra en jämförelse mellan de vanligaste typerna av förstärkarklassificeringar i följande tabell.

Effektförstärkarklasser

Slutgiltiga tankar

Om en förstärkare inte är korrekt utformad, som t.ex. en klass A-förstärkarkonstruktion, kan det kräva betydande kylflänsar på kraftenheterna, tillsammans med kylfläktar för operationerna. Sådana konstruktioner kommer också att behöva en större strömförsörjningsingång för att kompensera de enorma mängder kraft som slösas bort i värme. Alla sådana nackdelar kan göra sådana förstärkare mycket ineffektiva, vilket i sin tur kan orsaka en gradvis försämring av anordningarna och så småningom fel.

Därför kan det vara tillrådligt att välja en klass B-förstärkare konstruerad med högre verkningsgrad på cirka 70% i motsats till 40% av en klass A-förstärkare. Sade att Klass A-förstärkare kan lova ett mer linjärt svar med sin förstärkning och ett bredare frekvenssvar, även om detta kommer med ett pris på betydande effektavfall.

Tidigare: Grunderna för lärande av halvledare Nästa: 2 enkla dubbelriktade motorstyrkretsar utforskade