logo

Forstærker

En forstærker er en to-ports elektronisk enhed, der bruges til at forstærke signalet eller øge effekten af ​​et signal ved hjælp af en strømforsyning. Strømmen leveres gennem forstærkerens indgangsterminal. Forstærkerens output kan være den øgede amplitude osv.

Forstærkerens forstærkning bestemmer dens forstærkning. Det er den vigtigste faktor, der bestemmer output fra en enhed. Forstærkere bruges i næsten alle typer elektroniske komponenter. Forstærkningen beregnes som forholdet mellem outputparameteren (effekt, strøm eller spænding) og inputparameteren.

Forstærkere bruges i forskellige applikationer, såsom automation, marine, sensorer osv. Effektforstærkningen af ​​en forstærker er generelt større end én. Lad os forstå nogle grundlæggende egenskaber ved en ideel forstærker.

Her vil vi diskutere en ideel forstærker, typer af forstærkere, egenskaber, funktioner, og anvendelse af forstærkere .

Lad os begynde.

gør mens loop i java

Ideel forstærker

Lad os overveje egenskaberne ved en ideel forstærker, som er anført nedenfor:

  • Indgangsimpedans: Uendelig
  • Udgangsimpedans: Nul
  • Forstærkning ved forskellige frekvenser: Fast

Indgangsporten på en forstærker kan være spændingskilden eller strømkilden. Spændingskilden afhænger kun af indgangsspændingen og accepterer ingen strøm. På samme måde accepterer strømkilden strømmen og ingen spænding. Udgangen vil være proportional med spændingen eller strømmen i hele porten.

Outputtet fra en ideel forstærker kan enten være en afhængig strømkilde eller en afhængig spændingskilde. Kildemodstanden for den afhængige spændingskilde er nul, mens den for den afhængige strømkilde er uendelig.

Spændingen eller strømmen af ​​den afhængige kilde afhænger kun af indgangsspændingen eller strømmen. Det betyder, at udgangsspændingen vil afhænge af indgangsspændingen, og udgangsstrømmen afhænger af henholdsvis indgangsstrømmens uafhængige spændingskilde og strømkilden.

De ideelle forstærkere er yderligere kategoriseret som CCCS (Nuværende kontrolstrømkilde), CCVS (Kilde for strømstyringsspænding), VCVS (Spændingskontrolspændingskilde), og VCCS (Spændingskontrolstrømkilde).

Indgangsimpedansen for CCVS og CCCS er nul, mens VCCS og VCVS er uendelige. Tilsvarende er udgangsimpedansen for CCCS og VCCS uendelig, mens den for CCVS og VCVS er nul.

Typer af forstærkere

Lad os diskutere de forskellige typer forstærkere.

Operationsforstærkere

Operationelle forstærkere eller op-forstærkere er high-gain direkte koblede (DC) forstærkere, der udfører forskellige matematiske operationer, såsom addition, differentiering, subtraktion, integration osv.

Den har to indgangsterminaler og en udgangsterminal. Indgangsterminalerne kaldes inverterende og ikke-inverterende terminaler. Signalet påført til den inverterende terminal vil fremstå som faseinverteret, og signalet påført til den ikke-inverterende terminal vises uden nogen faseinvertering ved udgangsterminalen.

Spændingen påført ved den inverterende indgang er repræsenteret som V- og spændingen ved den ikke-inverterende indgang er repræsenteret som V+.

Bemærk: Udgangsimpedansen og driften af ​​en ideel op-amp er 0. Spændingsforstærkningen, indgangsimpedansen og båndbredden for en ideel op-amp er uendelig.

Operationsforstærkerne er yderligere kategoriseret som inverterende og ikke-inverterende forstærkere. Lad os diskutere de to ovenstående typer operationsforstærkere i detaljer.

Ansøgninger

Op-amps bruges i forskellige applikationer inden for elektronik. For eksempel,

  • Filtre
  • Spændingskomparator
  • Integrator
  • Strøm til spænding konverter
  • Sommer forstærker
  • Faseskifter

Den inverterende og ikke-inverterende indgang på en forstærker er vist nedenfor:

Forstærker

Inverterende forstærker

Den inverterende forstærker er vist nedenfor:

Forstærker

Det er op-ampens spændingsshuntfeedback-konfiguration. En signalspænding påført den inverterende indgang af op-amp resulterer i flowet af strøm I1 ind i op-amp. Vi ved, at op-forstærkerens indgangsimpedans er uendelig. Det vil ikke tillade strømmen at strømme ind i forstærkeren. Strømmen vil strømme gennem udgangssløjfen (gennem modstand R2) til op-forstærkerens udgangsterminal.

Spændingsforstærkningen ved udgangsterminalen på den inverterende forstærker beregnes som:

A =Vo/Vs = -R2/R1

Hvor,

Vo og Vs er udgangs- og signalspændingen.

Det negative tegn viser, at forstærkerens output er 180 grader ude af fase med indgangen.

java-forbindelse

Inverterende forstærker er en af ​​de mest brugte op-amps. Den har meget lave indgangs- og udgangsimpedanser.

Ikke-inverterende forstærker

Den ikke-inverterende forstærker er vist nedenfor:

Forstærker

Ovenstående konfiguration er spændingsseriens feedbackforbindelse. En signalspænding påført op-amp'ens ikke-inverterende input resulterer i, at strøm I1 strømmer ind i op-amp og strøm I2 ud af op-amp.

Ifølge konceptet om en virtuel kortslutning er I1 = I2 og Vx =Vs.

Spændingsforstærkningen af ​​den ikke-inverterende forstærker kan beregnes som:

A = A + (R2/R1)

Ikke-inverterende forstærkere har høje indgangs- og lave udgangsimpedanser. Det betragtes også som spændingsforstærkeren.

DC forstærkere

DC eller direkte koblede forstærkere bruges til at forstærke lavfrekvente og direkte koblede signaler. De to trin i en DC-forstærker kan sammenkobles ved at bruge en direkte kobling mellem disse trin.

Direkte kobling er en enkel og nem form for forbindelse. Det kan beregnes ved direkte at forbinde første-trins transistorens kollektor til andet-trins transistorbase, nævnt som T1 og T2.

Men DC-forstærkere forårsager to problemer kaldet driftskift og niveauskift. Differentialforstærkerens design fjernede sådanne problemer. Lad os diskutere differentialforstærkeren.

Differentialforstærkere

Strukturen af ​​differentialforstærkeren løste problemet med drift og niveauskift. Strukturen består af to BJT (Bipolar Junction Transistor) forstærkere tilsluttet kun gennem strømforsyningsledningerne. Den er navngivet som en differentialforstærker, fordi forstærkerens output er forskellen mellem de individuelle inputs, som repræsenteret nedenfor:

Vo = A (Vi1 - Vi2)

Hvor,

Vo er udgangen, og Vi1 og Vi2 er de to indgange.

A er forstærkningen af ​​differentialforstærkeren.

Nu, hvis

liste java til array

Vi1 = -Vi2

Vo = 2AVi1 = 2AVi

Ovenstående operation kaldes en differentiel tilstand operation. Her er indgangssignalerne ude af fase med hinanden. Sådanne ud-af-fase signaler er kendt som difference-mode (DM) signaler.

Hvis,

Vi1 = Vi2

Vo = A (Vi1 - Vi1)

I = 0

Denne operation er kendt som common-mode (CM), fordi indgangssignalerne er i fase med hinanden. Nuloutputtet af sådanne signaler viser, at der ikke vil være nogen drift i forstærkeren.

Effektforstærkere

Effektforstærkere kaldes også strømforstærkere . Disse forstærkere er nødvendige for at hæve det aktuelle niveau af et indkommende signal for nemt at drive belastningerne. Typerne af effektforstærkere omfatter lydeffektforstærkere, radiofrekvenseffektforstærkere osv.

Effektforstærkere er klassificeret som klasse A, Klasse AB, Klasse B og Klasse C forstærkere. Vi vil diskutere effektforstærkerklasserne senere i dette emne.

Switch mode forstærkere

Switch-mode forstærkere er en type ikke-lineær forstærker med høj effektivitet.

git rebase

Et almindeligt eksempel på en sådan type forstærkere er klasse D-forstærkere.

Instrumental forstærker

Instrumentforstærkeren bruges i analoge sanse- og måleinstrumenter. Lad os overveje et eksempel.

Et voltmeter, der bruges til at måle meget lave spændinger, kræver en instrumentforstærker for at den kan fungere korrekt. Den har forskellige funktioner, såsom meget høj spændingsforstærkning, god isolation, meget lav støj, lavt strømforbrug, stor båndbredde osv.

Negativ feedback

Negativ feedback er en af ​​de væsentlige funktioner til at kontrollere forvrængning og båndbredde i forstærkere. Det primære formål med negativ feedback er at reducere forstærkningen af ​​systemet. Den del af outputtet i den modsatte fase føres tilbage til inputtet. Værdien trækkes yderligere fra inputtet. I det forvrængede udgangssignal føres udgangen med forvrængning tilbage i den modsatte fase. Det trækkes fra inputtet; vi kan sige, at negativ feedback i forstærkere reducerer ikke-lineariteterne og uønskede signaler.

Billedet nedenfor repræsenterer negativ feedback:

Forstærker

Ved hjælp af negativ feedback kan crossover-forvrængning og andre fysiske fejl også elimineres. De andre fordele ved at bruge negativ feedback er båndbreddeudvidelse, udbedring af temperaturændringer osv.

Den negative feedback kan være en negativ spændingsfeedback eller strøm negativ feedback. I begge tilfælde er spændings- eller strømfeedback proportional med outputtet.

Vi bør ikke forveksles mellem positiv og negativ feedback. Positiv feedback har en tendens til at forstærke forandringen, mens negativ feedback har en tendens til at reducere forandringen. En anden forskel er, at input- og outputsignalerne i positiv feedback er i fase og bliver tilføjet. I tilfælde af negativ feedback er input- og outputsignalerne ude af fase og trækkes fra.

Aktive enheder i forstærkeren

Forstærkeren består af nogle aktive enheder, der er ansvarlige for forstærkningsprocessen. Det kan være en enkelt transistor, vakuumrør, en solid state-komponent eller en hvilken som helst del af de integrerede kredsløb.

java string format langt

Lad os diskutere de aktive enheder og deres rolle i forstærkningsprocessen.

BJT

BJT er almindeligt kendt som en strømstyret enhed. Bipolære Junction Transistorer bruges som switche til at forstærke strømmen i forstærkere.

MOSFET

MOSFET eller Metaloxidhalvlederfelteffekttransistorer er almindeligt anvendt til forstærkning af elektroniske signaler. MOSFET'er kan bruges til at ændre ledningsevnen ved at styre gatespændingen. MOSFET kan også forbedre styrken af ​​det svage signal. Derfor kan MOSFET'er bruges som en forstærker.

Vakuumrør forstærkere

Vakuumrørforstærkeren bruger vakuumrør som kildeenhed. Det bruges til at øge signalets amplitude. Under mikrobølgefrekvenserne blev rørforstærkere erstattet af solid-state forstærkere omkring slutningen af ​​19.thårhundrede.

Mikrobølgeforstærkere

Mikrobølgeforstærkere er almindeligt anvendt i mikrobølgesystemer. Det bruges til at hæve niveauet af inputsignalet med meget lidt forvrængning. Den kan også skifte eller hæve strøm. Det giver bedre enkelt enhedsoutput sammenlignet med solid-state enheder ved mikrobølgefrekvenser.

Magnetiske forstærkere

Magnetiske forstærkere blev udviklet i det 20thårhundrede for at overvinde ulemperne (høj strømkapacitet og styrke) ved vakuumrørforstærkerne. Magnetiske forstærkere ligner transistorer. Den styrer kernens magnetiske styrke ved at aktivere kontrolspolen (en anden viklingsspole).

Integrerede kredsløb

Integrerede kredsløb kan indeholde flere elektroniske enheder, såsom kondensatorer og transistorer. Populariteten af ​​IC har også spredt elektroniske enheder over hele verden.

Effektforstærker klasser

Effektforstærker klasser er klassificeret som klasse A, klasse B, klasse AB, og klasse C . Lad os diskutere en kort beskrivelse af effektforstærkerklasserne.

Klasse A effektforstærkere

Indgangen på klasse A-forstærkeren er lille, hvorfor udgangen også er lille. Derfor producerer den ikke meget effektforstærkning. Med transistorer kan den bruges som spændingsforstærkere. Klasse A-forstærkere med vakuumpentoder kan også levere et enkelt effektforstærkningstrin til at drive belastninger, såsom højttalere.

Klasse B effektforstærkere

BJT'er kræver generelt klasse B effektforstærkere til at drive belastninger, såsom højttalere. Indgangen på klasse B-forstærkere er stor, hvorfor udgangen også er meget stor. Det giver således en stor forstærkning. Men i tilfælde af en enkelt transistor er kun halvdelen af ​​indgangssignalet forstærket.

Klasse AB effektforstærkere

Konfigurationen af ​​AB effektforstærkere ligger mellem klasse A og klasse B forstærkere. Klasse AB-forstærkere er produceret ved at kombinere den høje output fra klasse B-effektforstærkere med den lave forvrængning af klasse A-effektforstærkere.

Ved små udgange kan klasse AB effektforstærkeren opføre sig som klasse A. Den kan opføre sig som klasse B effektforstærker ved meget store udgange.

Klasse C effektforstærkere

Ledningselementet i klasse C type effektforstærkere er transistorer. Det har bedre effektivitet, men på grund af ledningen på mindre end den halve cyklus forårsager det stor forvrængning. Derfor foretrækkes klasse C effektforstærkere ikke i lydapplikationer. De almindelige anvendelser af sådanne forstærkere omfatter radiofrekvenskredsløb.

Egenskaber for forstærker

Forstærkere er defineret i henhold til deres input og output egenskaber. Forstærkerens forstærkning bestemmer dens forstærkning. Derfor er forstærknings- og multiplikationsfaktorer de to væsentlige egenskaber for forstærkerne.

Lad os diskutere de egenskaber, der er defineret af forskellige parametre, som er anført nedenfor:

    Gevinst
    En forstærkers forstærkning beregnes som forholdet mellem output (effekt, strøm eller spænding) og input. Det bestemmer forstærkerens forstærkning. For eksempel vil et signal med en indgang på 10 volt og en udgang på 60 volt have en forstærkning på 6.
    Gain = Output/Input
    Gevinst = 60/10
    Gevinst = 6
    Forstærkningen udtrykkes i enheden dB (decibel). Passive komponenter har generelt forstærkning mindre end én, mens aktive komponenter har forstærkning større end 1.Båndbredde
    Båndbredde er defineret som bredden målt i Hertz af det nyttige frekvensområde.
    Frekvensområde - Frekvensområdet er generelt specificeret i form af frekvensgang eller båndbredde.Støj
    Støj defineres som ethvert uønsket signal, der virker som en forstyrrelse i systemet.Effektivitet
    Den højere effektivitet af en forstærker ville resultere i mindre varmeudvikling og mere udgangseffekt. Det beregnes som forholdet mellem udgangseffekten og udnyttelsen af ​​den samlede effekt.Slew rate
    Drejningshastigheden måles i volt pr. mikrosekund. Det er defineret som den maksimale hastighed for ændring af output. En slew rate over det hørbare område af en forstærker ville resultere i mindre forvrængning og fejl.Linearitet
    Det er defineret som forstærkerens evne til at producere præcise kopier af indgangssignalet.Stabilitet
    Forstærkerkredsløbene kræver, at de er stabile ved alle tilgængelige frekvenser. Det er defineret som evnen til at undgå uønskede svingninger i en elektronisk enhed.

Funktioner af forskellige forstærkere

Andre typer forstærkere har andre egenskaber. Lad os diskutere funktionen af ​​forskellige typer forstærkere i brug i dag.

  • Det lineære forstærkere giver ikke perfekt lineær kapacitet, fordi ingen forstærker er perfekt. Det er på grund af brugen af ​​forstærkende enheder, såsom transistorer, som er ikke-lineære i naturen. Disse enheder kan producere en vis ikke-linearitet. De lineære forstærkere er mindre tilbøjelige til forvrængning. Det betyder, at lineære forstærkere genererer mindre forvrængning.
  • Specielt designet lydforstærkere kan forstærke lydfrekvensen.
  • Smalbåndsforstærkeren forstærker over det smalle frekvensbånd, mens bredbåndsforstærkere forstærker over en lang række frekvenser.
  • Det ikke-lineære forstærkere producere forvrængning sammenlignet med lineære enheder. Men ikke-lineære enheder er stadig i brug i dag. Eksempler på ikke-lineære forstærkere er RF (Radiofrekvens) forstærkere mv.
  • Strukturen af logaritmisk forstærker producerer et output, der er proportionalt med logaritmikken af ​​dets input. Kredsløbet består af to dioder og to op-amps (operationsforstærker).
  • CMOS(Komplementære Metal Oxide Semiconductors) kan også bruges som en forstærker hvis dets driftspunkt er fast i det aktive område. Det kan konstrueres ved at bruge konstantstrømkilder eller strømspejle.

Anvendelser af forstærker

Forstærker

Forstærkerne bruges i forskellige applikationer. Lad os diskutere det i detaljer.

    Spændingsfølger
    Spændingsfølger er også kendt som unity gain forstærker . Den har en meget stor indgangsimpedans og meget lav udgangsimpedans, hvilket er grundprincippet for buffering handling. Den inverterende terminal på operationsforstærkeren er kort med udgangsterminalen.
    Det betyder, at output er lig med input. Det kaldes spændingsfølgeren, fordi forstærkerens udgang følger indgangen.
    Spændingsfølgeren giver ingen belastningseffekter, ingen effekt- og strømforstærkning, hvilket er dens fordele.Strøm til spænding konverter
    Konstruktionen af ​​en strøm til spænding konverter er vist nedenfor:
    Hvor,
    RT: Termistor eller lysafhængig modstand.
    DET: Nuværende
    RF: Feedback modstand
    HVIS: Feedback aktuel
    VO: Udgangsspænding
    Termistoren driver op-ampen i sin inverterende tilstand. Ændringen i temperatur resulterer i variationen af ​​termistormodstanden. Det varierer yderligere strømmen, der passerer gennem den. Strømmen løber ind i udgangen gennem tilbagekoblingsmodstanden som feedbackstrøm, der udvikler udgangsspændingen. Da termistorstrømmen er lig med feedbackstrømmen, kan vi sige, at udgangsspændingen er proportional med termistorstrømmen.
    En indgangsstrøm omdannes således til en udgangsspænding.Mikrobølgeforstærkere
    TWTA og Klystron er de almindelige enheder, der bruges som mikrobølgeforstærkere. Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) giver god forstærkning selv ved lave mikrobølgefrekvenser. Det betyder, at TWTA foretrækkes til højeffektforstærkning. Men klystroner er bedre tunable sammenlignet med TWTA.
    Klystroner bruges også ved mikrobølgefrekvenser til højeffektapplikationer. Men det giver bred afstembar forstærkning sammenlignet med TWTA. Den har også en smal båndbredde sammenlignet med TWTA.
    Solid-state enheder , såsom MOSFET, dioder, halvledermaterialer (silicium, gallium osv.), bruges ved lav effekt og mikrobølgefrekvenser i forskellige applikationer. For eksempel, mobiltelefoner, bærbare radiofrekvensterminaler , osv. I sådanne applikationer er størrelse og effektivitet de vigtigste faktorer, der bestemmer dens kapacitet og brug. Brugen af ​​solid-state enheder i mikrobølgeforstærkere giver også bred båndbredde.Musikinstrumenter
    Forstærkerne bruges i forskellige musikinstrumenter, såsom guitarer og trommemaskine, til at konvertere signalet fra forskellige kilder (strenge i guitar osv.) til det kraftige elektroniske signal (effektforstærker), der producerer lyd. Lyden er hørbar nok for publikum eller personer i nærheden. Udgangen fra nogle musikinstrumenter er forbundet til højttalerne for højere lyd.
    Instrumentforstærkere i musikinstrumenter har også den signalindstillingsfunktion, der gør det muligt for udøveren at ændre signalets tone.Oscillatorer
    Oscillatorkredsløbene bruges til at generere elektriske bølgeformer af enhver ønsket frekvens, form og effekt. Brugen af ​​forstærkere i oscillatorer giver den konstante udgangsamplitude og forstærker feedback-frekvensen.Video forstærkere
    Forstærkeren i videoforstærkeren forstærker signalet bestående af højfrekvente komponenter. Det forhindrer den også i enhver forvrængning. Videoforstærkerne har forskellige båndbredder i henhold til videosignalkvaliteten, såsom SDTV, HDTV, 1080pi osv.