Audio Verstärker

 

 

 

Verstärker ist der Oberbegriff, der verwendet wird, um eine Schaltung zu beschreiben, die eine Version ihres Eingangssignals erzeugt und erhöht. Jedoch sind nicht alle Verstärkerschaltungen die gleichen, wie sie gemäß ihren Schaltungskonfigurationen und Betriebsmodi klassifiziert sind. In der „Elektronik“ sind Kleinsignalverstärker üblich, da sie die Fähigkeit besitzen, ein relativ kleines Eingangssignal, z.B. von einem Sensor wie einem Fotogerät, in ein viel größeres Ausgangssignal zu verstärken, um z.B. ein Relais, eine Lampe oder einen Lautsprecher anzusteuern. Es gibt viele Formen von elektronischen Schaltungen, die als Verstärker klassifiziert sind, von Operationsverstärkern und Kleinsignalverstärkern bis hin zu Großsignal- und Leistungsverstärkern. Die Klassifizierung eines Verstärkers hängt von der Größe des Signals, groß oder klein, seiner physikalischen Konfiguration und der Verarbeitung des Eingangssignals ab, d.h. dem Verhältnis zwischen Eingangssignal und dem in der Last fließenden Strom.

Der Typ oder die Klassifizierung eines Verstärkers ist in der folgenden Tabelle angegeben.

 

Klassifizierung des Signalverstärkers

 

 

 

Verstärker können als eine einfache Box oder ein Block betrachtet werden, der das Verstärkerelement enthält, wie z.B. einen Bipolartransistor, Feldeffekttransistor oder Operationsverstärker, der zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse (Masse ist gemeinsam) hat, wobei das Ausgangssignal viel größer ist als des Eingangssignals, weil es „verstärkt“ wurde. Im Allgemeinen hat ein idealer Signalverstärker drei Haupteigenschaften, Eingangswiderstand oder (RIN), Ausgangswiderstand oder (ROUT) und natürlich Verstärkung, auch als Gain oder (A) bekannt. Unabhängig davon, wie kompliziert eine Verstärkerschaltung ist, kann ein allgemeines Verstärkermodell verwendet werden, um den Zusammenhang dieser drei Eigenschaften aufzuzeigen.

 

Ideales Verstärkermodell

 

 

Die Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen wird als Gain oder Verstärkung des Verstärkers bezeichnet. Gain ist im Grunde ein Maß dafür, wie sehr ein Verstärker das Eingangssignal „verstärkt“. Wenn wir zum Beispiel ein Eingangssignal von 1 Volt und einen Ausgang von 50 Volt haben, dann wäre die Verstärkung des Verstärkers „50“. Mit anderen Worten, das Eingangssignal wurde um den Faktor 50 vergrößert. Dieser Zunahme wird als Gain oder Verstärkung bezeichnet. Die Verstärkung des Verstärkers ist einfach das Verhältnis zwischen dem Ausgang und dem Eingang. Gain hat keine Einheiten als Verhältnis, aber in der Elektronik wird ihm üblicherweise das Symbol „A“ für Amplification gegeben. Die Verstärkung eines Verstärkers wird einfach als „Ausgangssignal dividiert durch das Eingangssignal“ berechnet.

 

Verstärkung eines Verstärkers

Als Einführung in die Verstärkung eines Verstärker kann man sagen, dass es um die Beziehung zwischen dem am Ausgang gemessenen Signal und dem am Eingang gemessenen Signal geht. Es gibt drei verschiedene Arten von Verstärkern, die gemessen werden können und diese sind: Spannungsverstärkung (Av), Stromverstärkung (Ai) und Leistungsverstärkung (Ap) in Abhängigkeit von der zu messenden Größe und Beispielen für diese verschiedenen Arten von Verstärkungen sind unten aufgeführt.

 

Verstärkung des Eingangssignals

 

 

 

Spannungsverstärkung

 

 

Stromverstärkung

 

 

Leistungsverstärkung

 

 

Beachten Sie, dass Sie bei der Leistungsverstärkung auch die am Ausgang erhaltene Leistung durch die am Eingang erhaltene Leistung teilen können. Auch bei der Berechnung der Verstärkung des Verstärkers werden die Indizes v, i und p verwendet, um die Art der verwendeten Signalverstärkung zu bezeichnen. Die Verstärkung oder der Leistungspegel (Ap) des Verstärkers kann auch in Dezibel (dB) angegeben werden. Bel (B) ist eine logarithmische Maßeinheit (Basis 10), die keine Einheiten hat. Da Bel eine zu große Maßeinheit ist, wird ihm Dezibel vorangestellt, was ihn zu Dezibel macht, wobei ein Dezibel ein Zehntel (1/10) eines Bel ist. Um die Verstärkung des Verstärkers in Dezibel oder dB zu berechnen, können wir die folgenden Ausdrücke verwenden.

 

Spannungsverstärkung in dB: av = 20*log(Av)
Stromverstärkung in dB: ai = 20*log(Ai)
Verstärkung in dB: ap = 10*log(Ap)

 

Beachten Sie, dass die DC-Leistungsverstärkung eines Verstärkers dem Zehnfachen des Zehnerlogarithmus des Ausgangs-/Eingangsverhältnisses entspricht, und die Spannungs- und Stromverstärkungen das 20-fache des Zehnerlogarithmus des Verhältnisses betragen. Beachten Sie jedoch, dass 20dB aufgrund der Logarithmus-Skala nicht doppelt so viel Leistung wie 10dB ist. Auch steht ein positiver Wert von dB für eine Zunahme und ein negativer Wert von dB für einen Verlust im Verstärker. Zum Beispiel zeigt eine Verstärkung von +3dB an, dass sich das Ausgangssignal des Verstärkers „verdoppelt“ hat, (x2) während eine Verstärkung von -3dB anzeigt, dass das Signal „halbiert“ ist, (x0,5) oder mit anderen Worten ein Verlust. Der -3dB-Punkt eines Verstärkers wird als halber Leistungspunkt bezeichnet, der -3dB vom Maximum abwärts liegt bei Annahme von 0dB als maximalem Ausgangswert.

 

Verstärker Beispiel Nr.1

Bestimmen Sie die Spannungs-, Strom- und Leistungsverstärkung eines Verstärkers, der ein Eingangssignal von 1mA bei 10mV und ein entsprechendes Ausgangssignal von 10mA bei 1V hat. Geben Sie außerdem alle drei Verstärkungen in Dezibel (dB) an.

Die verschiedenen Verstärkungsfaktoren:

 

 

 

Verstärkung des Verstärkers in Dezibel (dB):

 

 

 

Also hat der Verstärker eine Spannungsverstärkung, (Av) von 100, eine Stromverstärkung, (Ai) von 10 und eine Leistungsverstärkung, (Ap) von 1.000

 

Generell lassen sich Verstärker je nach Leistung oder Spannungsverstärkung in zwei verschiedene Typen unterteilen. Ein Typ ist der Kleinsignalverstärker wie z.B. Vorverstärker, Instrumentenverstärker usw. Kleinsignalverstärker wurden entwickelt, um sehr kleine Signalspannungspegel von nur wenigen Mikrovolt (μV) von Sensoren oder Audiosignalen zu verstärken. Die anderen Typen werden als Großsignalverstärker bezeichnet, wie z.B. Audio-Endstufen oder Leistungsschaltverstärker. Großsignalverstärker wurden entwickelt, um große Eingangsspannungssignale zu verstärken oder hohe Lastströme zu schalten, um z.B. Lautsprecher zu betreiben.

 

Leistungsverstärker

Der Kleinsignalverstärker wird allgemein als „Spannungsverstärker“ bezeichnet, da er in der Regel eine kleine Eingangsspannung in eine viel größere Ausgangsspannung umwandelt. Manchmal ist eine Verstärkerschaltung erforderlich, um einen Motor anzutreiben oder einen Lautsprecher zu speisen, und für solche Anwendungen, bei denen hohe Schaltströme benötigt werden, sind Leistungsverstärker erforderlich. Wie der Name schon sagt, besteht die Hauptaufgabe eines „Leistungsverstärkers“ (auch bekannt als Großsignalverstärker) darin, Leistung an die Last zu liefern, und wie wir von oben wissen, ist dies das Produkt aus Spannung und Strom, das an die Last angelegt wird, wobei die Leistung des Ausgangssignals größer ist als die Leistung des Eingangssignals. Mit anderen Worten, ein Leistungsverstärker verstärkt die Leistung des Eingangssignals, weshalb diese Art von Verstärkerschaltungen in Audioverstärker-Endstufen zur Ansteuerung von Lautsprechern verwendet werden.

Der Leistungsverstärker arbeitet nach dem Grundprinzip der Umwandlung der vom Netzteil bezogenen Gleichstromleistung in ein Wechselspannungssignal, das der Last zugeführt wird. Obwohl die Verstärkung hoch ist, ist der Wirkungsgrad der Umwandlung vom Eingang der Gleichstromversorgung in den Ausgang des Wechselspannungssignals in der Regel schlecht. Der perfekte oder ideale Verstärker würde uns einen Wirkungsgrad von 100% geben oder zumindest die Leistung „IN“ wäre gleich der Leistung „OUT“. In Wirklichkeit kann dies jedoch nie passieren, da ein Teil der Leistung in Form von Wärme verloren geht und auch der Verstärker selbst während des Verstärkungsprozesses Strom verbraucht. Damit ist der Wirkungsgrad eines Verstärkers:

 

Verstärker-Effizienz

 

 

 

Der ideale Verstärker

Die Eigenschaften eines idealen Verstärkers können wir aus unserer obigen Diskussion bezüglich seiner Verstärkung, d.h. der Spannungsverstärkung, entnehmen:

• Die Verstärkung, ( A ) des Verstärkers sollte für unterschiedliche Werte des Eingangssignals konstant bleiben.
• Die Verstärkung wird nicht durch die Frequenz beeinflusst. Signale aller Frequenzen müssen um genau den gleichen Betrag verstärkt werden.
• Die Verstärkung des Verstärkers darf das Ausgangssignal nicht verrauschen. Er sollte bereits vorhandenes Rauschen im Eingangssignal entfernen.
• Die Verstärkung des Verstärkers sollte nicht durch Temperaturschwankungen beeinflusst werden, was zu einer guten Temperaturstabilität führt.
• Die Verstärkung des Verstärkers muss über lange Zeiträume stabil bleiben.

 

Elektronische Verstärker-Klassen

Die Klassifizierung eines Verstärkers als Spannungs- oder Leistungsverstärker erfolgt durch den Vergleich der Eigenschaften der Eingangs- und Ausgangssignale, durch Messung der Zeit in Abhängigkeit vom Eingangssignal und den Strom im Ausgangskreis. Wir haben im Common Emitter Transistor Tutorial gesehen, dass für den Betrieb des Transistors in seinem „aktiven Breich“ eine Form von „Basis Vorspannung“ erforderlich war. Diese kleine Basis Spannung, die dem Eingangssignal hinzugefügt wurde, erlaubte es dem Transistor, die volle Eingangswellenform an seinem Ausgang ohne Signalverlust wiederzugeben. Durch Änderung dieser Basisvorspannung ist es jedoch möglich, einen Verstärker in einem anderen Verstärkungsmodus als dem für die vollständige Wellenformwiedergabe zu betreiben. Mit der Einführung einer Basisvorspannung beim Verstärker können verschiedene Betriebsbereiche und Betriebsarten erreicht werden, die nach ihrer Klassifizierung kategorisiert sind. Diese verschiedenen Betriebsarten sind besser bekannt als Verstärker-Klassen. Audio-Leistungsverstärker werden in alphabetischer Reihenfolge nach ihrer Schaltungskonfiguration und Funktionsweise klassifiziert. Verstärker werden durch verschiedene Betriebsklassen wie Klasse „A“, Klasse „B“, Klasse „C“, Klasse „AB“ usw. bezeichnet. Diese verschiedenen Verstärkerklassen reichen von einem nahezu linearen Ausgang mit niedrigem Wirkungsgrad bis hin zu einem nichtlinearen Ausgang mit hohem Wirkungsgrad.

Keine Betriebsklasse ist „besser“ oder „schlechter“ als die andere, wobei die Betriebsart durch die Verwendung der Verstärkerschaltung bestimmt wird. Es gibt typische maximale Umwandlungswirkungsgrade für die verschiedenen Verstärkertypen oder -klassen, die am häufigsten verwendeten sind:

• Klasse A Verstärker – hat einen niedrigen Wirkungsgrad von weniger als 40%, aber gute Signalwiedergabe und Linearität
• Klasse-B-Verstärker – ist doppelt so effizient wie Class-A-Verstärker mit einem maximalen theoretischen Wirkungsgrad von ca. 70%, da der Verstärker nur die Hälfte des Eingangssignals leitet (und verbraucht)
• Verstärker der Klasse AB – hat einen Wirkungsgrad zwischen Klasse A und Klasse B, aber eine schlechtere Signalwiedergabe als Verstärker der Klasse A
• Klasse C Verstärker – ist die effizienteste Verstärkerklasse, aber die Verzerrung ist sehr hoch, da nur ein kleiner Teil des Eingangssignals verstärkt wird, so dass das Ausgangssignal sehr wenig Ähnlichkeit mit dem Eingangssignal aufweist. Verstärker der Klasse C haben die schlechteste Signalwiedergabe

 

Klasse-A-Verstärker-Betrieb

Class-A-Verstärker-Betrieb ist, wenn die gesamte Eingangssignal-Wellenform am Verstärkerausgang originalgetreu wiedergegeben wird, da der Transistor innerhalb seines aktiven Bereichs perfekt vorgespannt ist und dadurch nie einen seiner Cut-Off- oder Saturation-Bereiche erreicht. Dies führt dann dazu, dass das AC-Eingangssignal perfekt „zentriert“ zwischen den oberen und unteren Signalgrenzen des Verstärkers liegt, wie unten dargestellt.

 

Klasse-A Verstärker Ausgang Wellenform

 

 

In dieser Konfiguration verwendet der Klasse-A-Verstärker für beide Hälften der Ausgangswellenform den gleichen Transistor und der Ausgangstransistor wird aufgrund seiner Vorspannungsanordnung immer von einem Strom durchflossen, auch wenn kein Eingangssignal anliegt. Mit anderen Worten, die Ausgangstransistoren schalten niemals „AUS“. Dies führt dazu, dass die Betriebsart der Klasse A sehr ineffizient ist, da die Umwandlung der DC-Versorgungsleistung in die an die Last abgegebene AC-Signalleistung in der Regel sehr gering ist.

Im Allgemeinen wird der Ausgangstransistor eines Class-A-Verstärkers sehr heiß, auch wenn kein Eingangssignal vorhanden ist, so dass ein Kühlkörper erforderlich ist. Der Gleichstrom, der durch den Ausgangstransistor fließt (Ic), wenn kein Ausgangssignal anliegt, ist gleich dem Strom, der durch die Last fließt. Folglich ist ein Klasse-A-Verstärker sehr ineffizient, da ein Großteil der DC-Leistung in Wärme umgewandelt wird.

 

Klasse B Verstärkerbetrieb

Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Class-A-Verstärkermodus, bei dem ein einzelner Transistor für die Endstufe verwendet wird, verwendet der Class-B-Verstärker zwei komplementäre Transistoren (entweder ein NPN und ein PNP oder ein NMOS und ein PMOS) für jede Hälfte der Ausgangswellenform. Ein Transistor leitet für die eine Hälfte der Signalwellenform, der andere für die andere oder entgegengesetzte Hälfte der Signalwellenform. Das bedeutet, dass jeder Transistor die Hälfte seiner Zeit im aktiven Bereich und die Hälfte seiner Zeit im Cut-Off-Bereich verbringt und somit nur 50% des Eingangssignals verstärkt.

Klasse B Betrieb hat keine direkte DC-Vorspannung wie der Klasse A Verstärker, sondern der Transistor leitet nur, wenn das Eingangssignal größer als die Basis-Emitterspannung ist, was für Siliziumbauteile etwa 0,7V beträgt. Daher ist bei Null-Eingang auch Null-Ausgang. Dies führt dann dazu, dass nur die Hälfte des Eingangssignals am Ausgang des Verstärkers ausgegeben wird, was zu einem höheren Wirkungsgrad des Verstärkers führt, wie unten gezeigt.

 

Klasse-B Verstärker Ausgang Wellenform

 

 

In einem Verstärker der Klasse B wird keine Gleichspannung verwendet, um die Transistoren vorzuspannen. Damit die Ausgangstransistoren beginnen, jede Hälfte der Wellenform, sowohl positive als auch negative, zu leiten, muss die Basis-Emitter-Spannung Vbe größer sein als die 0,7V, die ein Bipolartransistor benötigt, um zu leiten. Dann wird der untere Teil der Ausgangswellenform, der unterhalb dieses 0,7V-Fensters liegt, nicht genau wiedergegeben, was zu einem verzerrten Bereich der Ausgangswellenform führt, wenn ein Transistor „OFF“ schaltet und darauf wartet, dass der andere wieder „ON“ schaltet. Als Ergebnis ist ein kleiner Teil der Ausgangswellenform am Nullspannungsübergang verzerrt. Diese Art der Verzerrung wird als Überschneidungsverzerrung (Crossover Distortion) bezeichnet und später in diesem Abschnitt behandelt.

 

Klasse AB Verstärkerbetrieb

Der Klasse AB Verstärker ist ein Kompromiss zwischen der Klasse A und der Klasse B Konfiguration oben. Während im Klasse -AB-Betrieb noch zwei komplementäre Transistoren in der Ausgangsstufe verwendet werden, wird eine sehr kleine Vorspannung an die Basis des Transistors angelegt, um ihn in der Nähe des Cut-off-Bereichs vorzuspannen, wenn kein Eingangssignal anliegt. Ein Eingangssignal bewirkt, dass der Transistor in seinem aktiven Bereich wie gewohnt arbeitet, wodurch jegliche Crossover-Verzerrung, die in Konfigurationen der Klasse B vorhanden ist, eliminiert wird. Ein kleiner Kollektorstrom fließt, wenn kein Eingangssignal anliegt, ist aber wesentlich geringer als bei der Class-A-Verstärkerkonfiguration. Das bedeutet also, dass der Transistor für mehr als einen halben Zyklus der Wellenform „EIN“ ist. Diese Art der Verstärkerkonfiguration verbessert sowohl den Wirkungsgrad als auch die Linearität der Verstärkerschaltung im Vergleich zu einer reinen Klasse-A-Konfiguration.

 

Klasse-AB Verstärker Ausgang Wellenform

 

Die Betriebsklasse eines Verstärkers ist sehr wichtig und richtet sich nach der für den Betrieb erforderlichen Transistorvorspannung sowie der für das Eingangssignal erforderlichen Amplitude. Die Verstärkerklassifizierung berücksichtigt den Anteil des Eingangssignals, in dem der Transistor leitet, und bestimmt sowohl den Wirkungsgrad als auch die Leistung, die der Schalttransistor sowohl verbraucht als auch in Form von Verlustwärme abgibt. Damit können wir einen Vergleich zwischen den gängigsten Typen von Verstärkerklassifikationen in der folgenden Tabelle vornehmen.

 

Leistungsverstärker-Klassen

 

 

 

Schlecht konstruierte Verstärker, insbesondere die Klasse „A“-Typen, können auch größere Leistungstransistoren, teurere Kühlkörper, Kühlgebläse oder sogar eine Vergrößerung des Netzteils erforderlich machen, um die vom Verstärker benötigte zusätzliche Leistung zu liefern. Leistung, die von Transistoren, Widerständen oder anderen Komponenten in Wärme umgewandelt wird, macht jede elektronische Schaltung ineffizient und führt zum vorzeitigen Ausfall des Gerätes. Warum also einen Verstärker der Klasse A verwenden, wenn sein Wirkungsgrad unter 40% liegt im Vergleich zu einem Verstärker der Klasse B mit einem höheren Wirkungsgrad von über 70%? Grundsätzlich bietet ein Class-A-Verstärker einen viel lineareren Ausgang, was bedeutet, dass er über einen größeren Frequenzgang verfügt, selbst wenn er große Mengen an Gleichstrom verbraucht.

In dieser Einführung zum Verstärker-Tutorial haben wir gesehen, dass es verschiedene Arten von Verstärkerschaltungen mit spezifischen Vor- und Nachteilen gibt. Im nächsten Tutorial über Verstärker wird der am häufigsten angeschlossene Typ der Transistorverstärkerschaltung, der Emitterverstärker-Schaltung, vorgestellt. Die meisten Transistorverstärker sind vom Typ Common Emitter oder CE aufgrund ihrer hohen Spannungs-, Strom- und Leistungsverstärkung sowie ihrer hervorragenden Eingangs-/Ausgangseigenschaften.