Forsterker

Stereoforsterker

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.

Med en elektronisk forsterker menes ellers enten et apparat eller en elektronisk kopling som brukes i slike apparater.

Transduktor

(Magnetforsterkeren (transduktoren) er et unntak som forsterker ved at magnetiseringen i en spolekjerne forandres kontrollert. Den forsterker lite, forvrenger en del og har en lav øvre grensefrekvens.) I figuren er G et jevnt AC hjelpesignal som metter kjernen ved amplitudene. Kjernen har en praktisk talt rettvinklet hysteresekurve med et klart metningspunkt. R symboliserer inngangssignalet ved variering av verdien, altså av viklingens strøm, og L er lasten, som ofte må befris for hjelpesignalets frekvens. Siden en liten økning i magnetsiseringen styrer store endringer i kjernens metning for hjelpesignalet, styrer inngangsstrømmen en adskillig større utgangsstrøm. Signalet som forsterkes kan ikke ha frekvenser som ligger mye over en tidel av hjelpespenningen sin frekvens.

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. De brukes i et utall forskjellige apparater. Vi kan gruppere dem på forskjellige måter.

Inn- og utsignaler

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 ideelt sett svært lav inngangsresistans, spenningsinnganger gjerne svært høy. Tilsvarende har spenningsutganger gjerne lav indre motstand og strømutganger høye.

Operasjonsforsterker

En 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.

Frekvens

Gruppering 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)

Fundamentale koplinger

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)

Karakterisering av forsterkere

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.
Dynamisk område for forsterkeren: Avstanden mellom maksimalt utgangsnivå og støyen.
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 (linjæritet) er et annet mål på forvrengning.
Maksimal Utgangseffekt oppgis for effektforsterkere.

Effekttrinn

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 FM-sendere. AM og SSB Single Side Band sendere bruker AB forsterkere). Utgangens svingekrets filtrerer ut klippingens harmoniske frekvenser
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.

Annet

Det finnes også spesielle forsterkere som kun finnes enkeltvis og klassifisering er upassende eller utjenlig.

differensialforsterkere brukes hyppig i inngangen til operasjons- og effektforsterkere.
isolasjonsforsterkere har 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 definerte
push-pull forsterkere har to elementer i brokopling
DC-forsterkere har ingen nedre grensefrekvens. Ved svært lave frekvenser blir 1/f støyen sterk. DC-forsterkere kan være meget hurtige; prefikset "DC" sier kun at nedre grensefrekvens er null

Denne listen kan fortsettes ad libitum og ad absurdum.

Ufravikelige egenskaper

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 forskjellige 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.

Chopper-forsterker

1/f støy setter en barriere for vanlig, linjær forsterkning av svært lavfrekvente og svake signaler. 1/f støyen øker sterkt når f går mot 0, og oppfattes som en varierende DC offsetspenning i forsterkertrinnet. Signaler som har interessant informasjon ved svært lave frekvenser (1/1000 til 100 Hz) kan utelukkende forsterkes i såkalte chopper-forsterkere. Disse forsterkerne modulerer signalet opp til høyere frekvenser ved hjelp av en chopper (hakker) før forsterkning skjer. Chopperen består av fire analoge brytere i en brokopling og presenterer signalet til forsterkeren som avvekslende normalt og fasevendt, med en jevn frekvens. Forsterkningen foregår ved chopperfrekvensen og høyere frekvenser der kun termisk støy rår. Etter AC-forsterkning demoduleres signalet (det hakkes tilbake) slik at det igjen får sin opprinnelige form, men adskillig forsterket. Rester av hakkeprosessen fjernes til slutt med et lavpassfilter. Resultatet er en DC-forsterker med sterkt redusert 1/f støy og offset-feil. Reduksjonen er gitt av forsterkningsmengden slik at ved 100x forsterkning er 1/f-støyen og offsetfeilen redusert 100 ganger.

En chopper-forsterker er ikke det samme som en chopper-stabilisert forsterker.