Elementar-Verstärker-Theorie

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Anonim

Elementar-Verstärker-Theorie

Diskrete Halbleiterbauelemente und -schaltungen


Frage 1

Grundsätzlich ist ein Verstärker ein Gerät, das ein Signal mit geringer Leistung aufnimmt und ein vergrößertes (leistungsverstärktes) Faksimile des Eingangssignals ausgibt. Erklären Sie, wie ein solches Gerät existieren kann. Kann das Gesetz zur Energieeinsparung ("Energie kann weder geschaffen noch zerstört werden") die Existenz eines Kraftverstärkungsgeräts "# 1" ausschließen? Antwort offenlegen Antwort ausblenden

Mit einem Verstärker werden keine physikalischen Gesetze verletzt, da der zusätzliche Strom von einer externen Quelle kommt: einer Stromversorgung.

Folgefrage: Ist ein Aufwärtswandler ein Verstärker? Warum oder warum nicht?

Anmerkungen:

Die Verstärker, die Ihre Schüler studieren werden, sind elektronische Geräte, aber es gibt auch andere Arten von Verstärkern. Diskutieren Sie mit ihnen einige Beispiele von gewöhnlichen, nicht-elektronischen Verstärkern.

Frage 2

Ein wichtiger Parameter jedes Verstärkers ist die Verstärkung . Erklären Sie, was "Gain" ist, und schreiben Sie eine einfache Gleichung, die die Verstärkung in Bezug auf die Signalspannung definiert.

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"Verstärkung" ist der Grad der "Vergrößerung", den ein Verstärker sein Eingangssignal liefert. Die Spannungsverstärkung kann auf zwei verschiedene Arten definiert werden:

A V (dc) = V hinaus


V in

A V (ac) = ΔV aus


ΔV in

Anmerkungen:

Wie Ihre Schüler in der Lage sein sollten, durch Kontext zu unterscheiden, ist das Symbol, das verwendet wird, um den Gewinn in Gleichungen darzustellen, der Großbuchstabe Ä ". Ein möglicher Punkt der Verwirrung ist der Unterschied zwischen den zwei Verstärkungsgleichungen, die in der Antwort gezeigt werden. Warum hätten wir zwei verschiedene Gleichungen, die fast dasselbe sagen? Wenn dieses Problem auftaucht, können Sie Ihren Schülern das Beispiel eines Verstärkers mit DC-Vorspannung geben, wobei V out = (4) (V in ) + 3 Volt. Hier ist die (AC-) Verstärkung immer 4, aber die DC-Verstärkung hängt davon ab, wie viel Spannung wir an den Eingang anlegen!

Berücksichtigen Sie anhand dieses Beispiels, welche Gewinnberechnung Ihrer Meinung nach praktischer ist?

Frage 3

Das Herz eines jeden Verstärkers ist ein Gerät, das ein Signal verwendet, um ein anderes zu steuern. In der Elektronik bedeutet dies ein Gerät, das ein kleines Spannungs- oder Stromsignal verwendet, um eine größere Spannung oder einen größeren Strom zu steuern.

Die ersten elektronischen Verstärkerschaltungen wurden mit Vorrichtungen konstruiert, die Elektronenröhren anstelle von Transistoren genannt wurden . Röhren finden immer noch spezielle Anwendungen in der Elektronik, aber sie wurden weitgehend durch Transistoren ersetzt. Warum ist das? Welche Vorteile haben Transistoren gegenüber Röhren als Verstärker?

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Transistoren sind typischerweise physikalisch robuster als Elektronenröhren, die in der Lage sind, größeren Vibrationen und Belastungen standzuhalten. Sie sind auch kleiner und in den meisten Anwendungen energieeffizienter.

Anmerkungen:

Elektronenröhren waren früher die "Arbeitspferde" der Elektronikwelt und dienten als Leistungssteuerungs- und Verstärkungsgeräte für eine Vielzahl von Anwendungen. Es sollte interessant sein, den Rückmeldungen Ihrer Schüler zu dieser Frage zuzuhören, da es im Internet eine Menge "Tube" -Informationen gibt. Das IEEE Spectrum Magazin hatte ein paar ausgezeichnete Artikel über Elektronenröhren und ihre Anwendungen, die ich allen interessierten Studenten zum Lesen empfehlen würde.

Frage 4

Ein sehr üblicher Typ von Verstärkern, der in elektronischen Schaltungen verwendet wird, ist der Spannungspuffer, der manchmal als Spannungsfolger bezeichnet wird . Es gibt zwei einfache Formen dieser Schaltung, von denen eine einen einzelnen Transistor verwendet und die andere eine integrierte Schaltung verwendet, die als Operationsverstärker bezeichnet wird :

Die Spannungsverstärkung jeder dieser Vorrichtungen ist eins ( AV = 1). Meine Frage an Sie ist folgende: Was möglich ist, ist ein Verstärker, der nicht einmal die Spannung seines Eingangssignals verstärkt. "# 4"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Während ein "Spannungspuffer" den Spannungspegel eines Signals nicht verstärkt, verstärkt er den Strompegel eines Signals.

Anmerkungen:

Spannungspuffer sind in modernen elektronischen Schaltkreisen fast allgegenwärtig, so dass sie nicht als nutzlos abgetan werden können. Besprechen Sie mit Ihren Schülern mögliche Anwendungen von Spannungspuffern. Wann würden wir den Strom eines Signals verstärken wollen, ohne die Spannung zu verstärken? Denken Ihre Studenten, dass es eine Anwendung für diese Art von Schaltung in elektronischen Testgeräten (insbesondere Voltmeter) geben könnte?

Frage 5

Ein wichtiger Betriebsparameter eines Verstärkers ist seine Bandbreite . Beschreiben Sie, was "Bandbreite" im allgemeinen Sinne bedeutet, und geben Sie ein Beispiel für eine Verstärkeranwendung, bei der Bandbreite wichtig ist.

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"Bandbreite" bezieht sich auf den Bereich von Signalfrequenzen, die ein Verstärker innerhalb bestimmter Grenzen von Verstärkung, Verzerrung, Effizienz usw. handhaben kann.

Anmerkungen:

Wenn Ihre Schüler das Wort "Bandbreite" erforschen, werden sie finden, dass dieser Begriff in vielen anderen Bereichen als Verstärker Anwendung findet. Diskutieren Sie diesen Begriff sowohl im Zusammenhang mit Verstärkern als auch im Zusammenhang mit anderen Anwendungen.

Frage 6

Die meisten der einfachen Verstärker, die Sie zu Beginn untersuchen, verlieren mit zunehmender Frequenz des verstärkten Signals an Verstärkung. Dieser Verstärkungsverlust wird manchmal in Form eines Rolloffs quantifiziert, der üblicherweise in Dezibel pro Oktave (dB / Oktave) ausgedrückt wird.

Was genau ist "Rolloff"? Was ist eine "Oktave" im Zusammenhang mit den Maßeinheiten, die zur Festlegung des Rolloffs verwendet werden? Wenn wir die Antwort eines typischen Verstärkers in Form eines Bode-Diagramms darstellen würden, welche Art von Filterschaltungseigenschaft (Bandpass, Bandstopp usw.) würde es am besten ähneln?

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Die Frequenzgänge der meisten Verstärker ähneln denen von Tiefpassfiltern. "Rolloff" ist der Ausdruck, der verwendet wird, um die Steilheit des Bode-Diagramms des Verstärkers zu bezeichnen, da es das verstärkte Signal bei immer höheren Frequenzen dämpft.

Eine "Oktave" bezeichnet eine Verdoppelung der Signalfrequenz. Diese Einheit eignet sich gut für logarithmische Bode-Plots.

Anmerkungen:

Lassen Sie einen Ihrer Schüler ein Bild eines Bode-Diagramms für einen (realistischen) Tiefpassfilter zeichnen, dh eine nicht ideale Tiefpassfilter-Antwort. Besprechen Sie mit Ihren Schülern, wie ein Log-Scale-Plot aussieht, und bitten Sie sie, die Verhältniseinheiten von "Dezibel" und "Oktave" mit einer solchen Skala in Beziehung zu setzen.

Frage 7

Ein Klasse-A- Transistorverstärker verwendet einen einzelnen Transistor, um ein Ausgangssignal für eine Last zu erzeugen. Der hier gezeigte Verstärker hat zufällig die "common collector" -Topologie, eine von drei Konfigurationen, die bei Ein-Transistor-Schaltungen üblich sind:

Ein Analogon für diese elektronische Schaltung ist diese Wasserdruckregelung, die aus einem variablen Ventil besteht, das Wasser durch eine Öffnung (eine Drossel) und dann auf einen Abfluss leitet:

Der "Eingang" zu diesem Verstärker ist die Positionierung des Ventilsteuergriffs. Der "Ausgang" dieses Verstärkers ist der Wasserdruck, der am Ende der horizontalen "Ausgangsleitung" gemessen wird.

Erklären Sie, wie eine dieser "Schaltungen" die Kriterien eines Verstärkers erfüllt. Mit anderen Worten: Erklären Sie, wie die Leistung in beiden Systemen von Eingang zu Ausgang gesteigert wird. Beschreiben Sie auch, wie effizient jeder dieser Verstärker ist, wobei "Effizienz" ein Maß dafür ist, wie viel Strom (oder Wasser) zur Lastvorrichtung fließt, im Vergleich dazu, wie viel gerade durch das Steuerelement fließt und zurück zum Boden fließt ).

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In beiden Systemen übt eine kleine Energiemenge (Strom durch den "Basis" -Anschluss des Transistors, mechanische Bewegung des Ventilgriffs) die Kontrolle über eine größere Energiemenge aus (Strom zur Last, Wasser zur Last). Die hier gezeigten Systeme sind insbesondere bei hoher Ausgangsspannung (Druck) eher verschwenderisch.

Anmerkungen:

Verschwenderisch können sie sein, aber "Klasse-A" -Transistorschaltungen finden in der modernen Elektronik sehr häufig Verwendung. Erklären Sie Ihren Schülern, dass ihre Ineffizienz den praktischen Einsatz auf Anwendungen mit geringer Leistung einschränkt.

Frage 8

Ein Klasse-B- Transistorverstärker (manchmal als Push-Pull-Verstärker bezeichnet ) verwendet ein Paar von Transistoren, um ein Ausgangssignal für eine Last zu erzeugen. Die hier gezeigte Schaltung wurde zur Verdeutlichung des Grundkonzepts vereinfacht:

Ein Analogon für diese elektronische Schaltung ist diese Wasserdruckregelung, bestehend aus zwei variablen Ventilen. Ein Ventil verbindet das Ausgangsrohr mit einer Druckwasserquelle und das andere verbindet das Ausgangsrohr mit einer Vakuumquelle (Absaugung):

Der "Eingang" zu diesem Verstärker ist die Positionierung des Ventilsteuergriffs. Der "Ausgang" dieses Verstärkers ist der Wasserdruck, der am Ende der horizontalen "Ausgangsleitung" gemessen wird. Die Ventilbetätigung ist so synchronisiert, dass zu jeder gegebenen Zeit nur ein Ventil offen ist, genauso wie nicht mehr als ein Transistor zu irgendeiner gegebenen Zeit in dem elektronischen Schaltkreis der Klasse B "eingeschaltet" ist.

Erklären Sie, wie eine dieser "Schaltungen" die Kriterien eines Verstärkers erfüllt. Mit anderen Worten: Erklären Sie, wie die Leistung in beiden Systemen von Eingang zu Ausgang gesteigert wird. Beschreiben Sie auch, wie effizient jeder dieser Verstärker ist, wobei "Effizienz" ein Maß dafür ist, wie viel Strom (oder Wasser) zur Lastvorrichtung fließt, im Vergleich dazu, wie viel gerade von einer Versorgungsschiene zur anderen (von Druck zum Vakuum).

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In beiden Systemen übt eine kleine Energiemenge (Strom durch den "Basis" -Anschluss des Transistors, mechanische Bewegung des Ventilgriffs) die Kontrolle über eine größere Energiemenge aus (Strom zur Last, Wasser zur Last). Beide Systeme sind sehr energieeffizient, und es wird nur wenig Strom verschwendet, wenn sie von der Quelle zum Vakuum (von + V bis -V) fließen und die Last umgehen.

Anmerkungen:

Push-Pull-Verstärker sind ein bisschen schwieriger zu verstehen als einfache Klasse-A (Single-Ended), also nehmen Sie sich Zeit, um dieses Konzept mit Ihren Schülern zu besprechen. Bitten Sie sie, den Strom für verschiedene Eingangsspannungsbedingungen durch den Lastwiderstand zu ziehen. Ihre Schüler müssen keine Details des Transistorbetriebs kennen, außer dass eine positive Eingangsspannung den oberen Transistor einschaltet und eine negative Eingangsspannung den unteren Transistor einschaltet.

Frage 9

Ein Verstärker hat eine Spannungsverstärkung von 5 und eine Stromverstärkung von 75, wobei beide Werte Verhältnisse sind. Berechnen Sie die folgenden Gewinne:

Leistungsgewinn (als Verhältnis)
Leistungsverstärkung (dB)
Spannungsverstärkung (dB)
Stromverstärkung (dB)
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Leistungsgewinn (als Verhältnis) = 375
Leistungsverstärkung (dB) = 25, 74 dB
Spannungsverstärkung (dB) = 13, 98 dB
Stromverstärkung (dB) = 37, 50 dB

Anmerkungen:

Einige Ihrer Schüler werden wahrscheinlich die Leistungsberechnungen korrigieren, aber um einen Faktor von zwei bei den Spannungs- und Stromverstärkungsberechnungen (dB) abweichen. Erinnern Sie sie daran, dass eine andere Gleichung verwendet wird, um die Spannungs- und Stromverstärkung in dB zu berechnen, als sie in Leistungsberechnungen verwendet wird.

Frage 10

Was ist die Gesamtspannungsverstärkung von zwei kaskadierten Verstärkern (der Ausgang des ersten Verstärkers geht in den Eingang des zweiten Verstärkers), jeder mit einer individuellen Spannungsverstärkung von 3 dB "# 10"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

A V (final) = 6 dB oder ein Verhältnis von 2, 825: 1

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler, die Zahl von 3 dB (Spannungsverstärkung) in ein Verhältnis zu konvertieren. Wie ist dieses Verhältnis mit dem Gesamtverhältnis der beiden kaskadierten Verstärker zu vergleichen? Was sagen die Zahlen über kaskadierte Gewinne im Allgemeinen aus, ausgedrückt in Dezibelform sowie Verhältnisform? Fragen Sie Ihre Schüler, ob sie denken, dass es mathematisch einfacher ist, kaskadierte Gewinne in Form von Quoten oder Dezibel zu berechnen, und warum.

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