Elementær forstærkerteori

Modul 1: Elementær regning - A (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Elementær forstærkerteori

Diskrete halvleder enheder og kredsløb


Spørgsmål 1

Grundlæggende er en forstærker en enhed, der indtager et lav-power-signal og udsender en forstørret (strømforstærket) faksimile af indgangssignalet. Forklar, hvordan det er muligt for en sådan enhed at eksistere. Er loven om energibesparelse ("Energi hverken skabt eller ødelagt") udelukker eksistensen af ​​en strømforbedrende enhed "# 1"> Reveal svar Skjul svar

Ingen fysiske love overtrædes med en forstærker, fordi den ekstra effekt kommer fra en ekstern kilde: en strømforsyning.

Opfølgningsspørgsmål: Er en transformator en forstærker? Hvorfor eller hvorfor ikke?

Bemærkninger:

De forstærkere, dine elever vil studere, er elektroniske enheder, men der findes andre former for forstærkere. Diskuter med dem nogle eksempler på almindelige, ikke-elektroniske forstærkere.

Spørgsmål 2

En vigtig parameter for hver forstærker er gevinst . Forklar, hvad "gain" er, og skriv en simpel ligning, der definerer forstærkning i form af signal spænding.

Reveal svar Skjul svar

"Gain" er graden af ​​"forstørrelse", som en forstærker giver sit indgangssignal. Spændingsgevinst kan defineres på to forskellige måder:

A V (dc) = V ud


V in

A V (ac) = ΔV ud


ΔV in

Bemærkninger:

Som dine elever skal kunne skelne gennem kontekst, er symbolet, der bruges til at repræsentere gevinst i ligninger, hovedstaven Ä ". Et potentielt forvekslingspunkt er forskellen mellem de to gevinstligninger, der vises i svaret. Hvorfor skulle vi have to forskellige ligninger, der siger stort set det samme? Hvis dette problem kommer op i diskussionen, kan du give dine elever eksemplet om en forstærker med DC-forspænding, hvor V ud = (4) (V in ) + 3 volt. Her er (AC) gevinsten altid 4, men DC-gevinsten varierer alt efter hvor meget spænding vi anvender til input!

Baseret på dette eksempel, hvilken gevinstberegning tror dine elever, er det mere praktisk?

Spørgsmål 3

I hjertet af hver forstærker er en enhed, der bruger et signal til at styre en anden. I elektronik betyder dette en enhed, der bruger en lille spænding eller et aktuelt signal til at styre en større spænding eller strøm.

De første elektroniske forstærkningskredsløb blev konstrueret med apparater kaldet elektronrør i stedet for transistorer . Rør finder stadig specialiserede applikationer inden for elektronik, men de er stort set blevet erstattet af transistorer. Hvorfor er det? Hvilke fordele har transistorer over rør som forstærkende enheder?

Reveal svar Skjul svar

Transistorer er typisk langt mere fysisk robuste end elektronrør, der er i stand til at modstå større niveauer af vibration og stress. De er også mindre og mere energieffektive i de fleste applikationer.

Bemærkninger:

Elektronrør plejede at være "arbejdsheste" i elektronikverdenen, der fungerede som strømstyring og forstærkningsudstyr til en bred vifte af applikationer. Det skal være interessant at lytte til dine elevernes feedback på dette spørgsmål, nemlig at der er mange "tube" -informationer på internettet. IEEE Spectrum Magazine havde et par gode artikler om elektronrør og deres applikationer, som jeg gerne vil opfordre alle interesserede elever til at læse.

Spørgsmål 4

En meget almindelig type forstærker, der anvendes i elektroniske kredsløb, er spændingsbufferen, nogle gange kaldet en spændingsfølger . Der er to enkle former for dette kredsløb, en der bruger en enkelt transistor og den anden ved hjælp af et integreret kredsløb kaldet en operationsforstærker :

Spændingsgevinsten for hver af disse enheder er enhed (A V = 1). Mit spørgsmål til dig er dette: Hvor mulig brug er en forstærker, der ikke engang forstærker spændingen af ​​dens indgangssignal "# 4"> Reveal svar Skjul svar

Mens en "spændingsbuffer" ikke forstærker spændingsniveauet for et signal, forstærker det det aktuelle niveau af et signal.

Bemærkninger:

Spændingsbuffere er næsten allestedsnærværende i moderne elektroniske kredsløb, så de kan ikke afskediges som ubrugelige. Diskuter med dine elever nogle mulige anvendelser af spændingsbuffere. Hvornår vil vi gerne forstærke et signalstrøm uden at forstærke spændingen? Tror dine elever at der kan være nogen ansøgning om denne type kredsløb i elektronisk testudstyr (voltmetre, især?).

Spørgsmål 5

En vigtig driftsparameter for en forstærker er dens båndbredde . Beskriv, hvad "båndbredde" betyder i den generelle forstand, og giv et eksempel på en forstærkerapplikation, hvor båndbredde er vigtig.

Reveal svar Skjul svar

"Båndbredde" refererer til størrelsen af ​​signalfrekvenser, som en forstærker kan håndtere inden for bestemte grænser for forstærkning, forvrængning, effektivitet osv.

Bemærkninger:

Når dine elever undersøger ordet "båndbredde", finder de dette udtryk anvendelse på mange andre områder end forstærkere. Diskuter dette udtryk både i forbindelse med forstærkere og i forbindelse med andre applikationer.

Spørgsmål 6

De fleste af de enkle forstærkere, du vil studere i første omgang, har tendens til at miste gevinst, da frekvensen af ​​det forstærkede signal stiger. Dette tab af gevinst er undertiden kvantificeret i form af rolloff, normalt udtrykt i enheder af decibel pr. Oktav (dB / oktav).

Hvad er nøjagtigt "rolloff?" Hvad er en "oktav" i sammenhæng med de måleenheder, der bruges til at specificere rolloff? Hvis vi skulle plotte svaret fra en typisk forstærker i form af et Bode-plot, hvilken type filterkredskarakteristik (band-pass, båndstop osv.), Ville det bedst ligne?

Reveal svar Skjul svar

De fleste forstærkers frekvensresponser ligner den af ​​lavpasfiltre. "Rolloff" er termen, der bruges til at angive stejlheden af ​​forstærkerens Bode-plot, da det dæmper det forstærkede signal ved stadigt stigende frekvenser.

En "oktav" betegner en fordobling af signalfrekvensen. Denne enhed gælder godt for logaritmisk skala Bode plots.

Bemærkninger:

Få en af ​​dine elever til at tegne et billede af et Bode-plot for et (realistisk) lavpasfilter: det vil sige et ikke-ideelt lavpasfilterrespons. Gennemgå med dine elever, hvad et log-scale-plot ligner, og bede dem om at relatere forholdethederne "decibel" og "oktav" til en sådan skala.

Spørgsmål 7

En klasse-A transistorforstærker bruger en enkelt transistor til at generere et udgangssignal til en belastning. Forstærkeren vist her er tilfældet med "common collector" topologi, en af ​​tre konfigurationer, der er fælles for single-transistor kredsløb:

En analog til dette elektroniske kredsløb er denne vandtrykskontrol, der består af en variabel ventil, der passerer vand gennem en åbning (en begrænsning) og derefter til et afløb:

"Indgangen" til denne forstærker er positioneringen af ​​ventilstyringshåndtaget. Udgangen af ​​denne forstærker er vandtryk målt ved enden af ​​det vandrette "output" rør.

Forklar, hvordan en af ​​disse "kredsløb" opfylder kriterierne for at være en forstærker. Med andre ord, forklare, hvordan strømmen styrkes fra input til output i begge disse systemer. Beskriv også hvor effektiv hver af disse forstærkere er, "effektivitet" er et mål for, hvor meget strøm (eller vand) går til lastenheden sammenlignet med hvor meget der lige går lige gennem styreelementet og tilbage til jorden (drænet ).

Reveal svar Skjul svar

I begge systemer udøver en lille mængde energi (strøm gennem transistorens "base" -terminal, mekanisk bevægelse af ventilhåndtaget) kontrol over en større mængde energi (strøm til belastningen, vand til lasten). Systemerne vist her er ret spildende, især ved høj udgangsspænding (tryk).

Bemærkninger:

Afslapende de kan være, men "Class-A" transistor kredsløb finder meget almindelig brug i moderne elektronik. Forklar for dine elever, at dets ineffektivitet begrænser sin praktiske anvendelse til lav effekt applikationer.

Spørgsmål 8

En klasse B transistorforstærker (kaldes en push-pull forstærker ) bruger et par transistorer til at generere et udgangssignal til en belastning. Kredsløbet vist her er blevet forenklet for at illustrere det grundlæggende koncept:

En analog til dette elektroniske kredsløb er denne vandtrykskontrol, der består af to variable ventiler. En ventil forbinder udgangsrøret med en forsyning af tryksat vand, og det andet forbinder udgangsrøret med en vakuumkilde (sugning):

"Indgangen" til denne forstærker er positioneringen af ​​ventilstyringshåndtaget. Udgangen af ​​denne forstærker er vandtryk målt ved enden af ​​det vandrette "output" rør. Ventilhandlingen er synkroniseret således, at kun en ventil er åben til enhver tid, ligesom ikke mere end en transistor vil være tændt på et givet tidspunkt i det elektroniske kredsløb af klasse B.

Forklar, hvordan en af ​​disse "kredsløb" opfylder kriterierne for at være en forstærker. Med andre ord, forklare, hvordan strømmen styrkes fra input til output i begge disse systemer. Beskriv også hvor effektiv hver af disse forstærkere er, "effektivitet" er et mål for, hvor meget strøm (eller vand) går til lastenheden, sammenlignet med hvor meget der lige går lige fra en forsyning "skinne" til den anden (fra tryk til vakuum).

Reveal svar Skjul svar

I begge systemer udøver en lille mængde energi (strøm gennem transistorens "base" -terminal, mekanisk bevægelse af ventilhåndtaget) kontrol over en større mængde energi (strøm til belastningen, vand til lasten). Begge systemer er meget energieffektive, og lidt strøm spildes ved at flyde fra tilførsel til vakuum (fra + V til -V) og omgå belastningen.

Bemærkninger:

Push-pull forstærkere er lidt sværere at forstå end simpel klasse-A (single-ended), så sørg for at tage det tid, der er nødvendigt for at diskutere dette koncept med dine elever. Bed dem om at spore strøm gennem belastningsmodstanden for forskellige indgangsspændingsforhold. Dine elever behøver ikke at vide nogen detaljer om transistoroperationen, bortset fra at en positiv indgangsspænding tænder den øvre transistor, og en negativ indgangsspænding tænder den nedre transistor.

Spørgsmål 9

En forstærker har en spændingsforøgelse på 5 og en strømforøgelse på 75, begge figurer er forhold. Beregn følgende gevinster:

Effektforøgelse (som forhold)
Effektforøgelse (dB)
Spændingsforøgelse (dB)
Nuværende gevinst (dB)
Reveal svar Skjul svar

Effektforøgelse (som forhold) = 375
Effektforøgelse (dB) = 25, 74 dB
Spændingsforøgelse (dB) = 13, 98 dB
Nuværende forstærkning (dB) = 37, 50 dB

Bemærkninger:

Nogle af dine elever vil sandsynligvis få strømberegningerne korrekte, men afværge med en faktor på spændingen og strømforbruget (dB) beregningerne. Påmind dem om, at en anden ligning bruges til at beregne spænding og strømforøgelse i dB, end det bruges i strømberegninger.

Spørgsmål 10

Hvad er den samlede spændingsgevinst for to kaskadeforstærkere (output fra den første forstærker går ind i indgangen til den anden), hver med en individuel spændingsgevinst på 3 dB "# 10"> Reveal svar Skjul svar

A V (endelig) = 6 dB, eller et forhold på 2.825: 1

Bemærkninger:

Bed dine elever om at konvertere figuren på 3 dB (spændingsgevinst) til et forhold. Hvordan sammenligner dette forhold med det samlede forhold for de to kaskadeforstærkere? Hvad angiver tallene om cascaded gevinster i almindelighed, udtrykt i decibelform og forholdsform? Spørg dine elever, hvis de mener, at det er matematisk nemmere at beregne cascaded gevinster i forholdet form eller decibel, og hvorfor.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →