En förstärkare är en elektronisk enhet med två portar som används för att förstärka signalen eller öka effekten av en signal med hjälp av en strömkälla. Strömmen tillförs via förstärkarens ingångsterminal. Utsignalen från förstärkaren kan vara den ökade amplituden, etc.

Förstärkarens förstärkning bestämmer dess förstärkning. Det är den viktigaste faktorn som avgör en enhets utdata. Förstärkare används i nästan alla typer av elektroniska komponenter. Förstärkningen beräknas som förhållandet mellan utgångsparametern (effekt, ström eller spänning) och ingångsparametern.

Förstärkare används i olika tillämpningar, såsom automation, marin, sensorer, etc. Effektförstärkningen hos en förstärkare är i allmänhet större än en. Låt oss förstå några grundläggande egenskaper hos en ideal förstärkare.

Här kommer vi att diskutera en idealisk förstärkare, typer av förstärkare, egenskaper, funktioner, och tillämpningar av förstärkare .

Låt oss börja.

Diskett

Idealisk förstärkare

Låt oss överväga egenskaperna hos en ideal förstärkare, som listas nedan:

• Ingångsimpedans: Oändlig
• Utgångsimpedans: Noll
• Vinst vid olika frekvenser: Fast

Ingångsporten på en förstärkare kan vara spänningskällan eller strömkällan. Spänningskällan beror endast på ingångsspänningen och accepterar ingen ström. På liknande sätt accepterar strömkällan strömmen och ingen spänning. Utgången kommer att vara proportionell mot spänningen eller strömmen i hela porten.

Utsignalen från en ideal förstärkare kan antingen vara en beroende strömkälla eller en beroende spänningskälla. Källresistansen för den beroende spänningskällan är noll, medan den för den beroende strömkällan är oändlig.

Spänningen eller strömmen för den beroende källan beror endast på ingångsspänningen eller strömmen. Det betyder att utgångsspänningen kommer att bero på ingångsspänningen, och utgångsströmmen kommer att bero på den ingående strömoberoende spänningskällan respektive strömkällan.

De idealiska förstärkarna kategoriseras vidare som CCCS (Aktuell styrströmkälla), CCVS (Källa för strömstyrspänning), VCVS (Voltage Control Voltage Source), och VCCS (Strömkälla för spänningsstyrning).

Ingångsimpedansen för CCVS och CCCS är noll, medan VCCS och VCVS är oändliga. På liknande sätt är utgångsimpedansen för CCCS och VCCS oändlig, medan den för CCVS och VCVS är noll.

Typer av förstärkare

Låt oss diskutera de olika typerna av förstärkare.

Operationsförstärkare

Operationsförstärkare eller op-förstärkare är direktkopplade (DC) förstärkare med hög förstärkning som utför olika matematiska operationer, såsom addition, differentiering, subtraktion, integration, etc.

Den har två ingångar och en utgång. Ingångsterminalerna kallas inverterande och icke-inverterande terminaler. Signalen som tillförs den inverterande terminalen kommer att visas som fasinverterad, och signalen som appliceras till den icke-inverterande terminalen visas utan någon fasinvertering vid utgångsterminalen.

Spänningen som appliceras på den inverterande ingången representeras som V- och spänningen vid den icke-inverterande ingången representeras som V+.

Obs: Utgångsimpedansen och driften för en ideal op-förstärkare är 0. Spänningsförstärkningen, ingångsimpedansen och bandbredden för en ideal op-förstärkare är oändliga.

Operationsförstärkarna kategoriseras vidare som inverterande och icke-inverterande förstärkare. Låt oss diskutera ovanstående två typer av operationsförstärkare i detalj.

Ansökningar

Op-amps används i olika applikationer inom elektronik. Till exempel,

• Filter
• Spänningsjämförare
• Integrator
• Ström till spänningsomvandlare
• Sommarförstärkare
• Fasväxlare

Den inverterande och icke-inverterande ingången på en förstärkare visas nedan:

Inverterande förstärkare

Den inverterande förstärkaren visas nedan:

Det är op-förstärkarens spänningsshuntåterkopplingskonfiguration. En signalspänning som appliceras på den inverterande ingången på operationsförstärkaren resulterar i att ström I1 strömmar in i op-förstärkaren. Vi vet att op-förstärkarens ingångsimpedans är oändlig. Det kommer inte att tillåta strömmen att flöda in i förstärkaren. Strömmen kommer att flyta genom utgångsslingan (genom motståndet R2) till op-förstärkarens utgång.

Spänningsförstärkningen vid utgångsterminalen på den inverterande förstärkaren beräknas som:

A =Vo/Vs = -R2/Rl

Var,

Vo och Vs är utgångs- och signalspänningen.

Det negativa tecknet visar att utsignalen från förstärkaren är 180 grader ur fas med ingången.

Inverterande förstärkare är en av de mest använda op-förstärkarna. Den har mycket låga in- och utgångsimpedanser.

Icke-inverterande förstärkare

Den icke-inverterande förstärkaren visas nedan:

Ovanstående konfiguration är spänningsserieåterkopplingsanslutningen. En signalspänning som appliceras på op-förstärkarens icke-inverterande ingång resulterar i att ström I1 strömmar in i op-amp och ström I2 ut från op-amp.

Enligt konceptet med en virtuell kortslutning, I1 = I2 och Vx =Vs.

Spänningsförstärkningen för den icke-inverterande förstärkaren kan beräknas som:

A = A + (R2/R1)

Icke-inverterande förstärkare har höga ingångs- och låga utgångsimpedanser. Den betraktas också som spänningsförstärkaren.

DC-förstärkare

DC- eller direktkopplade förstärkare används för att förstärka lågfrekventa och direktkopplade signaler. De två stegen i en DC-förstärkare kan kopplas samman genom att använda en direkt koppling mellan dessa steg.

Direktkoppling är en enkel och enkel typ av anslutning. Den kan beräknas genom att direkt koppla förstastegstransistorns kollektor till andrastegstransistorbasen, nämnd som T1 och T2.

Men DC-förstärkare orsakar två problem som kallas driftskiftning och nivåskiftning. Designen av differentialförstärkaren tog bort sådana problem. Låt oss diskutera differentialförstärkaren.

Differentialförstärkare

Differentialförstärkarens struktur löste problemet med drift och nivåförskjutning. Strukturen består av två BJT (Bipolar Junction Transistor) förstärkare anslutna endast via strömförsörjningsledningarna. Den heter en differentialförstärkare eftersom utsignalen från förstärkaren är skillnaden mellan de individuella ingångarna, som representeras nedan:

Vo = A (Vi1 - Vi2)

Var,

Vo är utgången och Vi1 och Vi2 är de två ingångarna.

A är förstärkningen för differentialförstärkaren.

Nu om

Vi1 = -Vi2

Vo = 2AVi1 = 2AVi

Ovanstående operation kallas a differentialläge drift. Här är ingångssignalerna ur fas med varandra. Sådana ur-fassignaler är kända som differenslägessignaler (DM).

Om,

Vi1 = Vi2

Vo = A (Vi1 - Vi1)

In = 0

Denna operation är känd som gemensamt läge (CM) eftersom ingångssignalerna är i fas med varandra. Nollutgången av sådana signaler visar att det inte kommer att finnas någon drift i förstärkaren.

Effektförstärkare

Effektförstärkare kallas också strömförstärkare . Dessa förstärkare krävs för att höja strömnivån för en inkommande signal för att enkelt driva lasterna. Typerna av effektförstärkare inkluderar ljudeffektförstärkare, radiofrekvenseffektförstärkare, etc.

Effektförstärkare är klassificerade som klass A, Klass AB, Klass B och Klass C förstärkare. Vi kommer att diskutera effektförstärkarklasserna senare i detta ämne.

Switch mode förstärkare

Switch-mode-förstärkare är en typ av icke-linjära förstärkare med hög effektivitet.

Ett vanligt exempel på en sådan typ av förstärkare är klass D-förstärkare.

Instrumental förstärkare

Instrumentförstärkaren används i analoga avkännings- och mätinstrument. Låt oss överväga ett exempel.

En voltmeter som används för att mäta mycket låga spänningar kräver en instrumentförstärkare för att den ska fungera korrekt. Den har olika funktioner, såsom mycket hög spänningsförstärkning, bra isolering, mycket lågt brus, låg strömförbrukning, stor bandbredd, etc.

Negativ feedback

Negativ feedback är en av de väsentliga funktionerna för att kontrollera distorsion och bandbredd i förstärkare. Det primära syftet med negativ feedback är att minska systemets förstärkning. Den del av utgången i den motsatta fasen matas tillbaka till ingången. Värdet subtraheras ytterligare från inmatningen. I den förvrängda utsignalen återkopplas utgången med distorsion i motsatt fas. Det subtraheras från inmatningen; vi kan säga att negativ återkoppling i förstärkare minskar olinjäriteterna och oönskade signaler.

Bilden nedan representerar negativ feedback:

Med hjälp av negativ feedback kan även crossover-distorsion och andra fysiska fel elimineras. De andra fördelarna med att använda negativ feedback är bandbreddsförlängning, korrigering av temperaturförändringar, etc.

Den negativa återkopplingen kan vara en negativ återkoppling av spänning eller negativ återkoppling. I båda fallen är spännings- eller strömåterkopplingen proportionell mot utgången.

Vi ska inte förväxlas mellan positiv och negativ feedback. Positiv feedback tenderar att förstärka förändringen, medan negativ feedback tenderar att minska förändringen. En annan skillnad är att in- och utsignalerna i positiv feedback är i fas och läggs till. Vid negativ återkoppling är in- och utsignalerna ur fas och subtraherade.

Aktiva enheter i förstärkaren

Förstärkaren består av några aktiva enheter som ansvarar för förstärkningsprocessen. Det kan vara en enkel transistor, vakuumrör, en solid state-komponent eller någon del av de integrerade kretsarna.

Låt oss diskutera de aktiva enheterna och deras roll i förstärkningsprocessen.

BJT

BJT är allmänt känt som en strömstyrd enhet. Bipolära kopplingstransistorer används som switchar för att förstärka strömmen i förstärkare.

MOSFET

MOSFET eller Metalloxidhalvledarfälteffekttransistorer används ofta vid förstärkning av elektroniska signaler. MOSFETs kan användas för att ändra konduktiviteten genom att styra grindspänningen. MOSFET kan också förbättra styrkan på den svaga signalen. Därför kan MOSFET:er användas som en förstärkare.

Vakuumrörsförstärkare

Vakuumrörsförstärkaren använder vakuumrör som källenhet. Den används för att öka signalens amplitud. Under mikrovågsfrekvenserna ersattes rörförstärkare av halvledarförstärkare i slutet av 19^thårhundrade.

Mikrovågsförstärkare

Mikrovågsförstärkare används ofta i mikrovågssystem. Den används för att höja nivån på insignalen med mycket liten distorsion. Den kan också byta eller höja elkraften. Det ger bättre utsignal för en enda enhet jämfört med solid-state-enheter vid mikrovågsfrekvenser.

Magnetiska förstärkare

Magnetiska förstärkare utvecklades på 20-talet^thårhundradet för att övervinna nackdelarna (hög strömkapacitet och styrka) hos vakuumrörsförstärkarna. Magnetiska förstärkare liknar transistorer. Den kontrollerar kärnans magnetiska styrka genom att aktivera kontrollspolen (en annan lindningsspole).

Integrerade kretsar

Integrerade kretsar kan hålla flera elektroniska enheter, såsom kondensatorer och transistorer. Populariteten för IC har också spridit elektroniska enheter över hela världen.

Effektförstärkarklasser

Effektförstärkarklasser klassificeras som klass A, klass B, klass AB, och klass C . Låt oss diskutera en kort beskrivning av effektförstärkarklasserna.

Klass A effektförstärkare

Ingången på klass A-förstärkaren är liten, vilket gör att utgången också är liten. Därför producerar den inte mycket effektförstärkning. Med transistorer kan den användas som spänningsförstärkare. Klass A-förstärkare med vakuumpentoder kan också tillhandahålla ett enda effektförstärkningssteg för att driva belastningar, såsom högtalare.

Klass B effektförstärkare

BJT kräver generellt klass B effektförstärkare för att driva belastningar, såsom högtalare. Ingången på klass B-förstärkare är stor, vilket gör att utsignalen också är mycket stor. Således producerar den en stor förstärkning. Men i fallet med en enkel transistor förstärks endast hälften av insignalen.

Klass AB effektförstärkare

Konfigurationen av AB effektförstärkare ligger mellan klass A och klass B förstärkare. Klass AB-förstärkare produceras genom att kombinera den höga effekten från klass B-effektförstärkare med den låga distorsionen hos klass A-effektförstärkare.

Vid små utgångar kan klass AB-effektförstärkaren bete sig som klass A. Den kan uppträda som en klass B-effektförstärkare vid mycket stora utgångar.

Klass C effektförstärkare

Ledningselementet i effektförstärkare av klass C är transistorer. Den har bättre verkningsgrad, men på grund av ledning som är mindre än halvcykeln, orsakar den stor distorsion. Därför är klass C effektförstärkare inte att föredra i ljudapplikationer. De vanliga tillämpningarna av sådana förstärkare inkluderar radiofrekvenskretsar.

Förstärkarens egenskaper

Förstärkare definieras enligt deras ingångs- och utgångsegenskaper. Förstärkarens förstärkning bestämmer dess förstärkning. Därför är förstärknings- och multiplikationsfaktorer de två väsentliga egenskaperna hos förstärkarna.

Låt oss diskutera egenskaperna som definieras av olika parametrar, som listas nedan:

python-konstruktör

Få
En förstärkares förstärkning beräknas som förhållandet mellan uteffekt (effekt, ström eller spänning) och ingång. Den bestämmer förstärkarens förstärkning. Till exempel kommer en signal med en ingång på 10 volt och en utgång på 60 volt att ha en förstärkning på 6.
Gain = Output/Input
Vinst = 60/10
Vinst = 6
Förstärkningen uttrycks i enheten dB (decibel). Passiva komponenter har i allmänhet förstärkning mindre än en, medan aktiva komponenter har förstärkning större än 1.Bandbredd
Bandbredd definieras som bredden mätt i Hertz av det användbara frekvensområdet.
Frekvensomfång - Frekvensområdet är generellt specificerat i termer av frekvensgång eller bandbredd.Ljud
Brus definieras som varje oönskad signal som fungerar som en störning i systemet.Effektivitet
Den högre effektiviteten hos en förstärkare skulle resultera i mindre värmealstring och mer uteffekt. Den beräknas som förhållandet mellan uteffekten och utnyttjandet av total effekt.Svänghastighet
Svänghastigheten mäts i volt per mikrosekund. Den definieras som den maximala förändringshastigheten för produktionen. En svänghastighet över det hörbara området för en förstärkare skulle resultera i mindre distorsion och fel.Linjäritet
Det definieras som förstärkarens förmåga att producera exakta kopior av insignalen.Stabilitet
Förstärkarkretsarna kräver att de är stabila vid alla tillgängliga frekvenser. Det definieras som förmågan att undvika oönskade svängningar i en elektronisk enhet.

Funktioner hos olika förstärkare

Andra typer av förstärkare har andra egenskaper. Låt oss diskutera funktionen hos olika typer av förstärkare som används idag.

• De linjära förstärkare ger inte perfekt linjär kapacitet eftersom ingen förstärkare är perfekt. Det är på grund av användningen av förstärkningsanordningar, såsom transistorer, som är icke-linjära till sin natur. Dessa enheter kan ge en viss icke-linjäritet. De linjära förstärkarna är mindre benägna för distorsion. Det betyder att linjära förstärkare genererar mindre distorsion.
• Speciellt designad ljudförstärkare kan förstärka ljudfrekvensen.
• Smalbandsförstärkaren förstärker över det smala bandet av frekvenser, medan bredbandsförstärkare förstärker över ett brett spektrum av frekvenser.
• De icke-linjära förstärkare producera distorsion jämfört med linjära enheter. Men icke-linjära enheter används fortfarande idag. Exempel på icke-linjära förstärkare är RF (Radiofrekvens) förstärkare, etc.
• Strukturen av logaritmisk förstärkare producerar en utsignal som är proportionell mot logaritmisk ingång. Kretsen består av två dioder och två op-amps (operationsförstärkare).
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors) kan också användas som en förstärkare om dess arbetspunkt är fixerad i det aktiva området. Den kan konstrueras genom att använda konstantströmkällor eller strömspeglar.

Tillämpningar av förstärkare

Förstärkarna används i olika applikationer. Låt oss diskutera det i detalj.

Spänningsföljare
Spänningsföljare är också känd som unity gain förstärkare . Den har en mycket stor ingångsimpedans och mycket låg utgångsimpedans, vilket är grundprincipen för buffring handling. Den inverterande terminalen på operationsförstärkaren är kort med utgångsterminalen.
Det betyder att utgången är lika med ingången. Det kallas spänningsföljaren eftersom utgången från förstärkaren följer ingången.
Spänningsföljaren ger inga belastningseffekter, ingen effekt- och strömförstärkning, vilket är dess fördelar.Ström till spänningsomvandlare
Konstruktionen av en ström-till-spänningsomvandlare visas nedan:
Var,
RT: Termistor eller ljusberoende motstånd.
DEN: Nuvarande
RF: Återkopplingsmotstånd
OM: Feedback aktuell
VO: Utspänning
Termistorn driver op-ampen i sitt inverterande läge. Förändringen i temperatur resulterar i variationen av termistorresistansen. Den varierar ytterligare strömmen som passerar genom den. Strömmen flyter in i utgången genom återkopplingsmotståndet som återkopplingsström som utvecklar utspänningen. Eftersom termistorströmmen är lika med återkopplingsströmmen kan vi säga att utspänningen är proportionell mot termistorströmmen.
Således omvandlas en inström till en utspänning.Mikrovågsförstärkare
TWTA och Klystron är de vanligaste enheterna som används som mikrovågsförstärkare. Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) ger bra förstärkning även vid låga mikrovågsfrekvenser. Det betyder att TWTA är att föredra för hög effektförstärkning. Men klystroner är bättre avstämbara jämfört med TWTA.
Klystroner används också vid mikrovågsfrekvenser för högeffektapplikationer. Men det ger bred avstämbar förstärkning jämfört med TWTA. Den har också en smal bandbredd jämfört med TWTA.
Solid-state enheter , såsom MOSFET, dioder, halvledarmaterial (kisel, gallium, etc.), används vid låg effekt och mikrovågsfrekvenser i olika applikationer. Till exempel, mobiltelefoner, bärbara radiofrekvensterminaler , etc. I sådana applikationer är storlek och effektivitet de viktigaste faktorerna som avgör dess kapacitet och användning. Användningen av solid-state-enheter i mikrovågsförstärkare ger också bred bandbredd.Musikinstrument
Förstärkarna används i olika musikinstrument, såsom gitarrer och trummaskin, för att omvandla signalen från olika källor (strängar i gitarr etc.) till den kraftfulla elektroniska signalen (effektförstärkare) som producerar ljud. Ljudet är tillräckligt hörbart för publiken eller närliggande personer. Utgången från vissa musikinstrument är ansluten till högtalarna för högre ljud.
Instrumentförstärkare i musikinstrument har också signalstämningsfunktionen som gör att artisten kan ändra signalens ton.Oscillatorer
Oscillatorkretsarna används för att generera elektriska vågformer av vilken önskad frekvens, form och effekt som helst. Användningen av förstärkare i oscillatorer ger den konstanta utgångsamplituden och förstärker återkopplingsfrekvensen.Videoförstärkare
Förstärkaren som finns i videoförstärkaren förstärker signalen som består av högfrekventa komponenter. Det förhindrar också att den förvrängs. Videoförstärkarna har olika bandbredd beroende på videosignalens kvalitet, såsom SDTV, HDTV, 1080pi, etc.