Een versterker is een elektronisch apparaat met twee poorten dat wordt gebruikt om het signaal te versterken of de kracht van een signaal te vergroten met behulp van een voeding. De stroom wordt geleverd via de ingangsterminal van de versterker. De uitvoer van de versterker kan de verhoogde amplitude zijn, enz.
De versterking van de versterker bepaalt de versterking ervan. Het is de belangrijkste factor die de output van een apparaat bepaalt. Versterkers worden in vrijwel elk type elektronische component gebruikt. De versterking wordt berekend als de verhouding tussen de uitgangsparameter (vermogen, stroom of spanning) en de ingangsparameter.
Versterkers worden in verschillende toepassingen gebruikt, zoals automatisering, scheepvaart, sensoren, enz. De vermogensversterking van een versterker is over het algemeen groter dan één. Laten we enkele basiskenmerken van een ideale versterker begrijpen.
Hier zullen we bespreken een ideale versterker, soorten versterkers, eigenschappen, functies, En toepassingen van versterkers .
Laten we beginnen.
Ideale versterker
Laten we eens kijken naar de kenmerken van een ideale versterker, die hieronder worden vermeld:
- Ingangsimpedantie: Oneindig
- Uitgangsimpedantie: Nul
- Versterking op verschillende frequenties: Vast
De ingangspoort van een versterker kan de spanningsbron of de stroombron zijn. De spanningsbron is alleen afhankelijk van de ingangsspanning en accepteert geen stroom. Op dezelfde manier accepteert de stroombron de stroom en geen spanning. De uitvoer is evenredig met de spanning of stroom door de hele poort.
De uitgang van een ideale versterker kan een afhankelijke stroombron of een afhankelijke spanningsbron zijn. De bronweerstand van de afhankelijke spanningsbron is nul, terwijl die van de afhankelijke stroombron oneindig is.
De spanning of stroom van de afhankelijke bron hangt alleen af van de ingangsspanning of -stroom. Het betekent dat de uitgangsspanning afhankelijk zal zijn van de ingangsspanning, en dat de uitgangsstroom afhankelijk zal zijn van respectievelijk de ingangsstroom-onafhankelijke spanningsbron en stroombron.
De ideale versterkers zijn verder gecategoriseerd als CCCS (Huidige controlestroombron), CCVS (Huidige stuurspanningsbron), VCVS (Spanningsregelspanningsbron), en VCCS (stroombron voor spanningsregeling).
De ingangsimpedantie van de CCVS en CCCS is nul, terwijl VCCS en VCVS oneindig zijn. Op dezelfde manier is de uitgangsimpedantie van de CCCS en VCCS oneindig, terwijl die van CCVS en VCVS nul is.
Soorten versterkers
Laten we de verschillende soorten versterkers bespreken.
Operationele versterkers
Operationele versterkers of op-amps zijn direct gekoppelde (DC) versterkers met hoge versterking die verschillende wiskundige bewerkingen uitvoeren, zoals optellen, differentiëren, aftrekken, integreren, enz.
Het heeft twee ingangsterminals en één uitgangsterminal. De ingangsklemmen worden inverterende en niet-inverterende terminals genoemd. Het signaal dat wordt aangeboden aan de inverterende terminal zal verschijnen als fase-geïnverteerd, en het signaal dat wordt aangeboden aan de niet-inverterende terminal verschijnt zonder enige fase-inversie aan de uitgangsterminal.
De spanning die wordt aangelegd aan de inverterende ingang wordt weergegeven als V- en de spanning aan de niet-inverterende ingang wordt weergegeven als V+.
Opmerking: de uitgangsimpedantie en drift van een ideale op-amp zijn 0. De spanningsversterking, ingangsimpedantie en bandbreedte van een ideale op-amp zijn oneindig.
De operationele versterkers worden verder gecategoriseerd als inverterende en niet-inverterende versterkers. Laten we de bovengenoemde twee typen operationele versterkers in detail bespreken.
Toepassingen
Op-versterkers worden gebruikt in verschillende toepassingen in de elektronica. Bijvoorbeeld,
- Filters
- Spanningsvergelijker
- Integrator
- Stroom-naar-spanningsomzetter
- Zomer versterker
- Faseverschuiver
De inverterende en niet-inverterende ingang van een versterker wordt hieronder weergegeven:
Omkerende versterker
De inverterende versterker wordt hieronder weergegeven:
Het is de spanningsshunt-feedbackconfiguratie van de op-amp. Een signaalspanning die wordt aangelegd aan de inverterende ingang van de op-amp resulteert in het vloeien van stroom I1 naar de op-amp. We weten dat de ingangsimpedantie van de op-amp oneindig is. Het zorgt ervoor dat de stroom niet in de versterker kan stromen. De stroom zal door de uitgangslus (via weerstand R2) naar de uitgangsaansluiting van de op-amp vloeien.
De spanningsversterking aan de uitgangsterminal van de inverterende versterker wordt berekend als:
A =Vo/Vs = -R2/R1
Waar,
Vo en Vs zijn de uitgangs- en signaalspanning.
selectie sorteren in Java
Het negatieve teken geeft aan dat de uitgang van de versterker 180 graden uit fase is met de ingang.
Een inverterende versterker is een van de meest gebruikte op-versterkers. Het heeft een zeer lage in- en uitgangsimpedantie.
Niet-inverterende versterker
De niet-inverterende versterker wordt hieronder weergegeven:
De bovenstaande configuratie is de spanningsserie-feedbackverbinding. Een signaalspanning die wordt aangelegd aan de niet-inverterende ingang van de op-amp resulteert in het vloeien van stroom I1 naar de op-amp en stroom I2 uit de op-amp.
Volgens het concept van een virtuele kortsluiting is I1 = I2 en Vx =Vs.
De spanningsversterking van de niet-inverterende versterker kan als volgt worden berekend:
EEN = EEN + (R2/R1)
Niet-inverterende versterkers hebben een hoge ingangsimpedantie en een lage uitgangsimpedantie. Het wordt ook beschouwd als de spanningsversterker.
DC-versterkers
DC- of direct gekoppelde versterkers worden gebruikt voor het versterken van laagfrequente en direct gekoppelde signalen. De twee trappen van een DC-versterker kunnen met elkaar worden verbonden door een directe koppeling tussen deze trappen te gebruiken.
Directe koppeling is een eenvoudig en gemakkelijk type verbinding. Het kan worden berekend door de collector van de eerste trap-transistor rechtstreeks te verbinden met de transistorbasis van de tweede trap, genoemd als T1 en T2.
Maar DC-versterkers veroorzaken twee problemen: driftverschuiving en niveauverschuiving. Het ontwerp van de differentiële versterker heeft dergelijke problemen weggenomen. Laten we de differentiële versterker bespreken.
Differentiële versterkers
De structuur van de differentiële versterker loste het probleem van drift en niveauverschuiving op. De structuur bestaat uit twee BJT (Bipolar Junction Transistor)-versterkers die alleen via de voedingslijnen zijn aangesloten. Het wordt een differentiële versterker genoemd omdat de uitgang van de versterker het verschil is tussen de afzonderlijke ingangen, zoals hieronder weergegeven:
Vo = A (Vi1 - Vi2)
Waar,
Vo is de uitgang en Vi1 en Vi2 zijn de twee ingangen.
A is de versterking van de verschilversterker.
Nu als
Vi1 = -Vi2
Vo = 2AVi1 = 2AVi
De bovenstaande bewerking wordt a genoemd differentiële modus operatie. Hier zijn de ingangssignalen uit fase met elkaar. Dergelijke uit-fase-signalen staan bekend als differentie-modus (DM)-signalen.
Als,
Vi1 = Vi2
Vo = A (Vi1 - Vi1)
Binnen = 0
Deze operatie staat bekend als gebruikelijke modus (CM) omdat de ingangssignalen met elkaar in fase zijn. De nuluitgang van dergelijke signalen geeft aan dat er geen drift in de versterker zal zijn.
Eindversterkers
Eindversterkers worden ook wel eindversterkers genoemd huidige versterkers . Deze versterkers zijn nodig om het stroomniveau van een binnenkomend signaal te verhogen om de belastingen gemakkelijk aan te kunnen sturen. De soorten eindversterkers omvatten audio-eindversterkers, radiofrequentie-eindversterkers, enz.
Eindversterkers worden geclassificeerd als klasse A-, klasse AB-, klasse B- en klasse C-versterkers. We zullen de eindversterkerklassen later in dit onderwerp bespreken.
Schakelmodus Versterkers
Schakelversterkers zijn een soort niet-lineaire versterker met een hoog rendement.
Een bekend voorbeeld van een dergelijk type versterker zijn klasse D-versterkers.
Instrumentale versterker
De instrumentale versterker wordt gebruikt in analoge detectie- en meetinstrumenten. Laten we een voorbeeld bekijken.
Een voltmeter die wordt gebruikt om zeer lage spanningen te meten, heeft voor een goede werking een instrumentale versterker nodig. Het heeft verschillende kenmerken, zoals een zeer hoge spanningsversterking, goede isolatie, zeer weinig ruis, laag stroomverbruik, grote bandbreedte, enz.
Negatieve feedback
Negatieve feedback is een van de essentiële kenmerken om de vervorming en bandbreedte in versterkers te beheersen. Het primaire doel van negatieve feedback is het verminderen van de versterking van het systeem. Het deel van de output in de tegengestelde fase wordt teruggevoerd naar de input. De waarde wordt verder afgetrokken van de invoer. Bij het vervormde uitgangssignaal wordt de vervormde uitgang in tegengestelde fase teruggekoppeld. Het wordt afgetrokken van de invoer; we kunnen zeggen dat negatieve feedback in versterkers de niet-lineariteiten en ongewenste signalen vermindert.
Madhubala
De onderstaande afbeelding vertegenwoordigt negatieve feedback:
Met behulp van negatieve feedback kunnen ook crossover-vervorming en andere fysieke fouten worden geëlimineerd. De andere voordelen van het gebruik van negatieve feedback zijn bandbreedte-uitbreiding, het corrigeren van temperatuurveranderingen, enz.
De negatieve feedback kan een spanningsnegatieve feedback of een huidige negatieve feedback zijn. In beide gevallen is de spannings- of stroomfeedback evenredig met de output.
We moeten niet verward raken tussen positieve en negatieve feedback. Positieve feedback heeft de neiging de verandering te versterken, terwijl negatieve feedback de verandering vaak verkleint. Een ander verschil is dat de ingangs- en uitgangssignalen bij positieve feedback in fase zijn en worden opgeteld. Bij negatieve feedback zijn de ingangs- en uitgangssignalen uit fase en worden ze afgetrokken.
Actieve apparaten in versterker
De versterker bestaat uit enkele actieve apparaten die verantwoordelijk zijn voor het versterkingsproces. Het kan een enkele transistor, een vacuümbuis, een solid-state component of een ander onderdeel van de geïntegreerde schakelingen zijn.
Laten we de actieve apparaten en hun rol in het versterkingsproces bespreken.
BJT
BJT is algemeen bekend als een stroomgestuurd apparaat. Bipolaire junctietransistors worden gebruikt als schakelaars om de stroom in versterkers te versterken.
MOSFET
MOSFET of Metaaloxide halfgeleider veldeffecttransistors worden vaak gebruikt bij de versterking van elektronische signalen. MOSFET's kunnen worden gebruikt om de geleidbaarheid te veranderen door de poortspanning te regelen. MOSFET kan ook de sterkte van het zwakke signaal verbeteren. Daarom kunnen MOSFET's als versterker worden gebruikt.
Vacuümbuizenversterkers
De vacuümbuizenversterker gebruikt vacuümbuizen als bronapparaat. Het wordt gebruikt om de amplitude van het signaal te vergroten. Onder de microgolffrequenties werden rond het einde van de 19e eeuw buizenversterkers vervangen door solid-state versterkerseeeuw.
Microgolfversterkers
Microgolfversterkers worden vaak gebruikt in microgolfsystemen. Het wordt gebruikt om het niveau van het ingangssignaal te verhogen met zeer weinig vervorming. Het kan ook de elektrische stroom schakelen of verhogen. Het biedt een betere output van één apparaat in vergelijking met solid-state apparaten op microgolffrequenties.
Magnetische versterkers
Magnetische versterkers werden in de jaren 20 ontwikkeldeeeuw om de nadelen (hoge stroomcapaciteit en sterkte) van de vacuümbuizenversterkers te overwinnen. Magnetische versterkers zijn vergelijkbaar met transistors. Het regelt de magnetische sterkte van de kern door de stuurspoel (een andere wikkelspoel) te bekrachtigen.
Geïntegreerde schakelingen
Geïntegreerde schakelingen kunnen verschillende elektronische apparaten bevatten, zoals condensatoren en transistors. De populariteit van IC heeft ook elektronische apparaten over de hele wereld verspreid.
Eindversterkerklassen
Eindversterkerklassen worden geclassificeerd als klasse A, klasse B, klasse AB, En klasse C . Laten we een korte beschrijving van de eindversterkerklassen bespreken.
Klasse A eindversterkers
De ingang van de klasse A versterker is klein, waardoor de uitgang ook klein is. Daarom produceert het niet veel vermogensversterking. Met transistors kan het worden gebruikt als spanningsversterkers. Klasse A-versterkers met vacuümpentodes kunnen ook een enkele vermogensversterkingstrap bieden om belastingen, zoals luidsprekers, aan te sturen.
Klasse B eindversterkers
BJT's hebben over het algemeen klasse B-eindversterkers nodig om belastingen, zoals luidsprekers, aan te sturen. De input van klasse B versterkers is groot, waardoor de output ook erg groot is. Het produceert dus een grote versterking. Maar in het geval van een enkele transistor wordt slechts de helft van het ingangssignaal versterkt.
Klasse AB eindversterkers
De configuratie van AB-eindversterkers ligt tussen klasse A- en klasse B-versterkers. Klasse AB-versterkers worden geproduceerd door het hoge vermogen van klasse B-eindversterkers te combineren met de lage vervorming van klasse A-eindversterkers.
Bij kleine vermogens kan de klasse AB-eindversterker zich als klasse A gedragen. Bij zeer grote vermogens kan hij zich als klasse B-vermogensversterker gedragen.
Klasse C eindversterkers
Het geleidingselement van vermogensversterkers van het klasse C-type zijn transistors. Het heeft een beter rendement, maar veroorzaakt door de geleiding van minder dan de halve cyclus een grote vervorming. Daarom hebben klasse C-vermogensversterkers niet de voorkeur in audiotoepassingen. De gebruikelijke toepassingen van dergelijke versterkers omvatten radiofrequentiecircuits.
Eigenschappen van versterker
Versterkers worden gedefinieerd op basis van hun invoer- en uitvoereigenschappen. De versterking van de versterker bepaalt de versterking ervan. Daarom zijn versterkings- en vermenigvuldigingsfactoren de twee essentiële eigenschappen van de versterkers.
Laten we de eigenschappen bespreken die worden gedefinieerd door verschillende parameters, die hieronder worden vermeld:
De versterking van een versterker wordt berekend als de verhouding tussen output (vermogen, stroom of spanning) en input. Het bepaalt de versterking van de versterker. Een signaal met een ingang van 10 volt en een uitgang van 60 volt heeft bijvoorbeeld een versterking van 6.
Versterking = Uitgang/Ingang
Winst = 60/10
Winst = 6
De versterking wordt uitgedrukt in de eenheid dB (decibel). Passieve componenten hebben over het algemeen een versterking van minder dan één, terwijl actieve componenten een versterking van meer dan 1 hebben.
Bandbreedte wordt gedefinieerd als de breedte gemeten in Hertz van het bruikbare frequentiebereik.
Frequentiebereik - Het frequentiebereik wordt doorgaans gespecificeerd in termen van frequentierespons of bandbreedte.
Ruis wordt gedefinieerd als elk ongewenst signaal dat als verstoring in het systeem fungeert.
Het hogere rendement van een versterker zou resulteren in minder warmteontwikkeling en meer uitgangsvermogen. Het wordt berekend als de verhouding tussen het uitgangsvermogen en het gebruik van het totale vermogen.
De zwenksnelheid wordt gemeten in volt per microseconde. Het wordt gedefinieerd als de maximale veranderingssnelheid van de output. Een zwenksnelheid boven het hoorbare bereik van een versterker zou resulteren in minder vervorming en fouten.
Het wordt gedefinieerd als het vermogen van de versterker om nauwkeurige kopieën van het ingangssignaal te produceren.
De versterkercircuits moeten stabiel zijn op alle beschikbare frequenties. Het wordt gedefinieerd als het vermogen om ongewenste trillingen in een elektronisch apparaat te voorkomen.
Functies van verschillende versterkers
Andere soorten versterkers hebben andere kenmerken. Laten we de functie bespreken van verschillende soorten versterkers die tegenwoordig worden gebruikt.
- De lineaire versterkers bieden geen perfecte lineaire mogelijkheden, omdat geen enkele versterker perfect is. Dit komt door het gebruik van versterkende apparaten, zoals transistors, die niet-lineair van aard zijn. Deze apparaten kunnen enige niet-lineariteit veroorzaken. De lineaire versterkers zijn minder gevoelig voor vervorming. Het betekent dat lineaire versterkers minder vervorming genereren.
- Speciaal ontworpen audioversterkers kan de audiofrequentie versterken.
- De smalbandversterker versterkt over de smalle frequentieband, terwijl breedbandversterkers over een breed frequentiebereik versterken.
- De niet-lineaire versterkers vervorming veroorzaken in vergelijking met lineaire apparaten. Maar niet-lineaire apparaten worden nog steeds gebruikt. Voorbeelden van niet-lineaire versterkers zijn RF-versterkers (radiofrequentie), enz.
- De structuur van de logaritmische versterker produceert een uitvoer die evenredig is met de logaritmische waarde van zijn invoer. De schakeling bestaat uit twee diodes en twee op-amps (operationele versterker).
Toepassingen van versterker
De versterkers worden in verschillende toepassingen gebruikt. Laten we het in detail bespreken.
Spanningsvolger is ook bekend als eenheidsversterkingsversterker . Het heeft een zeer grote ingangsimpedantie en een zeer lage uitgangsimpedantie, wat het basisprincipe is bufferen actie. De inverterende aansluiting van de operationele versterker is kort met de uitgangsaansluiting.
Dit betekent dat de output gelijk is aan de input. Het wordt de spanningsvolger genoemd omdat de uitgang van de versterker de ingang volgt.
De spanningsvolger biedt geen belastingseffecten, geen stroom- en stroomversterking, wat de voordelen zijn.
De constructie van een stroom-naar-spanningsomzetter wordt hieronder weergegeven:
Waar,
RT: Thermistor of lichtafhankelijke weerstand.
HET: Huidig
RF: Feedback-weerstand
ALS: Feedbackstroom
VO: Uitgangsspanning
De thermistor drijft de op-amp aan in de inverterende modus. De verandering in temperatuur resulteert in de variatie van de thermistorweerstand. Het varieert verder de stroom die er doorheen gaat. De stroom vloeit via de feedbackweerstand naar de uitgang als feedbackstroom die de uitgangsspanning ontwikkelt. Omdat de thermistorstroom gelijk is aan de feedbackstroom, kunnen we zeggen dat de uitgangsspanning evenredig is met de thermistorstroom.
Zo wordt een ingangsstroom omgezet in een uitgangsspanning.
TWTA En Klystron zijn de gebruikelijke apparaten die worden gebruikt als microgolfversterkers. Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) zorgt voor een goede versterking, zelfs bij lage microgolffrequenties. Dit betekent dat TWTA de voorkeur heeft voor versterking met hoog vermogen. Maar klystrons zijn beter afstembaar in vergelijking met TWTA.
Klystrons worden ook gebruikt bij microgolffrequenties voor toepassingen met hoog vermogen. Maar het biedt een breed afstembare versterking in vergelijking met TWTA. Het heeft ook een smalle bandbreedte vergeleken met TWTA.
Solid-state apparaten , zoals MOSFET, diodes, halfgeleidermaterialen (silicium, gallium, enz.), worden in verschillende toepassingen gebruikt bij laag vermogen en microgolffrequenties. Bijvoorbeeld, mobiele telefoons, draagbare radiofrequentieterminals , enz. Bij dergelijke toepassingen zijn omvang en efficiëntie de belangrijkste factoren die de mogelijkheden en het gebruik ervan bepalen. Het gebruik van solid-state apparaten in microgolfversterkers biedt ook een grote bandbreedte.
De versterkers worden gebruikt in diverse muziekinstrumenten, zoals gitaren en drummachines, om het signaal van verschillende bronnen (snaren in gitaar etc.) om te zetten in het krachtige elektronische signaal (eindversterker) dat geluid produceert. Het geluid is hoorbaar genoeg voor het publiek of mensen in de buurt. De uitgang van sommige muziekinstrumenten is verbonden met de luidsprekers voor een luider geluid.
Instrumentversterkers in muziekinstrumenten hebben ook de signaalafstemmingsfunctie waarmee de uitvoerder de toon van het signaal kan veranderen.
De oscillatorcircuits worden gebruikt om elektrische golfvormen met elke gewenste frequentie, vorm en vermogen te genereren. Het gebruik van versterkers in oscillatoren zorgt voor een constante uitgangsamplitude en versterkt de feedbackfrequentie.
De in de videoversterker aanwezige versterker versterkt het signaal bestaande uit hoogfrequente componenten. Het voorkomt ook dat er enige vervorming optreedt. De videoversterkers hebben verschillende bandbreedtes afhankelijk van de videosignaalkwaliteit, zoals SDTV, HDTV, 1080pi, enz.