Forsterker
Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Med forsterker menes her en elektronisk forsterker.
En forsterker er per definisjon en innretning som kan forsterke et signal (oftest strøm- eller spenningssignal) energetisk uten å forvrenge det i noen stor grad. Energien som tilføres signalet blir hentet inn fra en ytre forsyning, oftest en spenningsforsyning. For å kunne forsterke et signal energetisk trenges en aktiv elektronisk komponent som et radiorør eller en transistor med tilhørende periefere komponenter som motstander og kondensatorer.
(Magnetforsterkeren (transduktoren) er et unntak som forsterker ved at magnetiseringen i en spolekjerne forandres slik at induktiviteten endres. Den forvrenger mye og har en lav øvre grensefrekvens.)
Med en elektronisk forsterker menes ellers enten et apparat eller en elektronisk kopling som brukes i slike apparater.
Forsterkere i betydning apparater brukes for det aller meste til å lage lyd ved å drive høyttalere eller hodetelefoner og kan eksempelvis være
- forforsterker (leverer signal til en effektforsterker)
- riaa-forsterker (lavstøy, for platespillere)
- mikrofonforsterker (lavstøy)
- effektforsterker (til høyttalere eller hodetelefoner. Andre betegnelser er kraftforsterker og sluttrinn)
- pa-forsterkere (effektforsterker til forsamlinger. (pa: eng: public address))
- bassforsterkere (bare bassen, til basshøyttalere, til forsamlinger)
- diskantforsterkere (bare diskanten, til diskanthøyttalere, til forsamlinger)
- hi-fi-forsterker (forforsterker og effektforsterker i ett apparat)
Apparater kan også være måleforsterkere for en mengde ulike laboratorieformål, som eksempelvis innen akustikk, fysikk eller kjemi.
Forsterkere i betydning av elektroniske koplinger finnes det et utall av. Vi kan gruppere dem på forskjellige måter.
En inndeling etter inngangs- og utgangssignalenes type gir oss fire hovedgrupper.
- Spenningsforsterker (spenning inn, spenning ut)
- Strømforsterker (strøm inn, strøm ut) (typisk bipolartransistor, for eksempel)
- Transresistansforsterker (strøm inn, spenning ut)
- Transkonduktansforsterker (spenning inn, strøm ut) (typisk felteffekttransistor, for eksempel)
De to siste betegnelsene oppstår av forsterkning som definert av utstørrelsen dividert på innstørrelsen som gir enten resistans eller konduktans. 'Trans' betegner at det ikke dreier seg om en elektronisk komponent. I mange tilfeller er grensene ikke helt klare siden forsterkerne har inn- og utgangsresistanser, eller egentlig -impedanser. Strøminnganger har gjerne svært lav inngangsresistans, spenningsinnganger gjerne svært høy. Tilsvarende har spenningsutganger gjerne lav indre motstand og strømutganger høye.
- operasjonsforsterker er en sammensatt komponent som er konstruert så universelt som mulig. Signalmessig har den en topolet spenningsinngang og en enpolet spenningsutgang. Inngangene kalles den ikke-inverterende inngangen (med spenning Up) og den inverterende inngangen (med spenning Um). Forsterkningen er A og utgangsspenningen er derfor A(Up-Um), hvor A for det meste ligger i området 100.000 til 1.000.000 ganger for lave frekvenser. Utgangssignalet er selvfølgelig begrenset av spenningsforsyningen, som gjerne er symmetrisk om jord. Operasjonsforsterkeren selv har ingen jordtilkopling. Vi bestemmer oppførselen til den kretsen som vi vil oppnå ved å gi operasjonsforsterkeren en negativ tilbakekopling (eller positiv for oscillatorer). Forsterkningen A har en fundamental pol, altså en øvre grensefrekvens, og forsterkningen avtar til det halve for hver dobling av frekvensen over denne frekvensen. Dette gjør at operasjonsforsterkerens hastighet er gitt av det konstante produktet forsterkning ved en frekvens ganger denne frekvensen. Produktet kalles GBW-produktet (eng: Gain-Bandwidth product). (GBW = 10^6: 100x ved 10 kHz, 10x ved 100 kHz, 1x ved 1 MHz, for eksempel)
- instrumentasjonsforsterker er en kopling som bruker 2-4 operasjonsforsterkere med et motstandsnettverk rundt for å lage en praktisk forsterker hvor begge inngangene blir høyohmige.
Grupperinmg etter frekvensområdet som forsterkeren er tiltenkt kan også være fornuftig:
- DC-forsterkere
- lavfrekvensforsterkere
- mellomfrekvensforsterkere (fra radioteknikk, en fast frekvens med en smal båndbredde)
- høyfrekvensforsterkere (avstemt eller bredbånd)
Man kan gruppere etter koplingsmetoden for enkle kretser:
-
- Bipolare transistorer
- felles emitter-forsterker (mest effektforsterkning; både spenning og strøm forsterkes, mest brukt av disse tre)
- felles kollektor-forsterker (også kalt emitterfølger, ingen spenningsforsterkning)
- felles base-forsterker (ingen strømforsterkning, god for høye frekvenser)
(tilsvarende felles- katode, anode, styregitter for radiorør og source, drain, gate for felteffekttransistorer)
En elektronisk forsterker sett som en enhet karakteriseres etter forskjellige viktige parametre som:
- Forsterkningsmengde eller kort forsterkningen (eng: gain). Utgangsstørrelsen delt på inngangsstørrelsen
- Dynamisk område til utgangen: Maksimalt linjært (uforvrengt) utgangssignal.
- Båndbredden; maksimal frekvens (= øvre grensefrekvens) minus minimal frekvens (= nedre grensefrekvens); ofte er også bare øvre grensefrekvens ment
- Stigetid oppgis ved tilførsel av et sprangsignal. Den angir tiden det tar til utgangssignalet har steget tilsvarende etter spranget, med et oppgitt mål av toleranse (for eksempel 1 %). Stigetiden henger nøye sammen med øvre grensefrekvens.
- Settling time. Tiden det tar for at utgangssignalet blir korrekt (innen en oppgitt grense som f. eksempel 0.1 %) etter en forstyrrelse
- Stigehastigheten (eng: slew rate) er maksimal hastighet for forandringer i utgangssignalet, målt i V/s. Tallverdien kan være forskjellig for stigende og for synkende signaler.
- Forvrengning, ofte oppgitt i prosent av utgangssignalets verdi. For målinger og for illustrasjoner brukes ofte sinussignalet.
- Linjær forvrengning: Forskjellige frekvenser forsterkes i ulik grad. Denne forvrengningen er ofte ønsket og kontrolleres i audioforsterkere med tonekontrollene "bass" og "diskant".
- Ulinjær forvrengning: Overføringsfunksjonen er ikke lineær. Det oppstår derfor nye frekvenser ved ulineær blanding av tilførte frekvenser eller det oppstår høyere harmoniske frekvenser av et tilført sinussignal. Summen av alle forvrengninger blir betegnet THD (eng: Total Harmonic Distortion) og blir oppgitt i % av styrken til det sinusformede målesignalet. Ellers kan hver enkelt harmoniske komponent angis separat, som 2. harmonisk og 3. harmonisk forvrengning. Uttrykket "3. harmoniske" er bare en annen måte å si "3x grunnfrekvensen" på. Ulinjær forvrengning er for det meste uønsket, men er nødvendig for funksjonen av blandetrinn (se superheterodynmottaker).
- Støy (Eng: noise). Enhver forsterker tilføyer støy til signalet. For store signaler har det ingen praktisk betydning, men for små signaler kan støytilførselen være den viktigste parameteren. Små signaler kommer eksempelvis fra mikrofoner. Siden signalet blir forsterket av det første trinnet (inngangstrinnet) er problemet mindre for de følgende trinn. Inngangstrinnet er derfor det kritiske trinnet når det gjelder støy. Støyen er sammensatt av en uunngåelig fysikalsk gitt mengde og overskytende støy fra forsterkerelementene. I tillegg kommer eventuell støy fra forsyningen og elektromagnetiske felter fra omgivelsene.
- Kvantiseringsstøy kalles den støyen som oppstår ved digital signalbehandling og som forårsakes av at det minst vektede bitet (LSB) ikke gir en korrekt analog verdi. Et 16 bits digitalsignal som i CD'er er akkurat godt nok til at kvantiseringsstøyen ikke merkes i lydsignaler.
- Virkningsgraden er definert som kvotienten av total avgitt signaleffekt og total tilført effekt (signal og forsyning). Den oppgis oftest i %.
- Linearitet er et annet mål på forvrengning.
- Maksimal Utgangseffekt oppgis for effektforsterkere.
Effektforsterkere med to utgangselementer i brokopling inndeles gjerne etter klasser som sier noe om virkningsgraden til trinnet
- Klasse A (begge utgangselementer drives linjært, store tap til utgangselementene)
- Klasse B (Hvert element for sin strøm-halvperiode, adskillig mindre tap enn klasse A)
- Klasse AB (Et lite område for små signaler gitt av biasstrømmen drives i klasse A, ellers drives trinnet i klasse B. Tap omtrent som klasse B)
- Klasse C (Med klipping, oftest for avstemte slutt-trinn i AM-sendere)
- Klasse D (pulsbreddemodulering av symmetrisk forsyningsspenning, i prinsipp null tap.) Grunnfrekvensen er minst 2x signalets høyeste frekvens, for audio altså over 40 kHz.
- (Klassene A og C er de eneste klassene som ikke trenger en brokopling, men kan bestå av kun ett eneste aktivt element.)
- Hvert element behandler hele sinuskurven i klasse A, halve kurven i klasse B og noe over halve i klasse AB. Klasse C behandler mindre enn halve sinussignalet. Det er her alltid strømmen det er snakk om; spenningen gis av lastens impedans.
Det finnes også spesielle forsterkere hvor de kun finnes enkeltvis og klassifisering er upassende.
- differensialforsterkere brukes hyppig i inngangen til operasjons- og effektforsterkere.
- isolasjonsforsterkere med galvanisk skille mellom inn- og utgang
- summeforsterkere er en kopling som brukes i miksepulter; den summerer signalene fra et antall kanaler
- logaritmiske forsterkere er ulinjære, men matematisk definert
- push-pull forsterkere har to elementer i brokopling
Denne listen kan fortsettes ad libitum og ad absurdum.
Prinsipielt viktig er det at alle aktive elektroniske forsterkere
- tilføres energien fra en såkalt strømforsyning som oftest er en spenningsforsyning
- adderer støy til signalet
- innfører ulinjær forvrengning til signalet. (Det betyr at ved samtidige men foreskjellige innfrekvenser dannes det frekvenser i utgangssignalet som ikke er del av inngangssignalet.)
- oppviser en frekvensgang, det vil si at forsterkningen er en funksjon av frekvensen. Dette kalles linjær forvrengning.
- oppviser en fasedreiing mellom inngang og utgang. Oftest er fasedreiingen den deriverte av frekvensgangen. Unntaket er når signalet har flere enn en vei (parallelt) mellom inn- og utgang, og disse veiene er forskjellige.
Apparat, se bildet.
