Elektronisk forsterkar

Ein elektronisk forsterkar, ofte kalla berre forsterkar, er ein komponent, eller eit apparat, som forsterkar ei elektrisk spenning (spenningsforsterkar), ein elektrisk straum (straumforsterkar), eller begge delar. Men transkonduktans- og transresistansforsterkarar er òg vanlege.

Forsterkarar nyttar aktive komponentar for å forsterka signala. Ein aktiv komponent er ein komponent som får tilført energi frå ein energiforsyningsmodul, vert styrt av eit inngangssignal og gjev ut eit straum- eller spenningssignal som er proporsjonalt med inngangssignalet. Forsterkarar kan nytta radiorøyr eller transistorar som aktive element, men frå 1960-talet har dei aller fleste forsterkarane nytta transistorar som aktive element.

Transistorforsterkarar kan lagast med diskrete komponentar, eller byggast rundt operasjonsforsterkarar, som i dei aller fleste tilfella er integrerte krinsar (IC-ar). Diskrete komponentar gjev konstruktøren meir fleksibilitet, medan bruk av IC-ar fører til meir kompakte kretskort og billigare produksjon. Mange forsterkarar nyttar både IC-ar og diskrete komponentar.

Ideelle forsterkarar 
Forsterkarar kan forsterka spenning, straum, omforma ei spenning til ein straum, eller omvendt. Praktiske forsterkarar er ikkje ideelle, med det er likevel nyttig å studera ideelle forsterkarar før ein ser på praktiske krinsar.

Spenningsforsterkarar 

I ein spenningsforsterkarar er både inn- og ut inngangssignala elektriske spenningar. Spenningsforsterkninga

,

der  er inngansspenninga og  er utgangsspenninga.
Inngangsimpedansen  er stor i høve til kjeldeimpedansen :

 (ideelt er )

og utgansimpedansen  er liten i høve til lastimpedansen :

 (ideelt er ).

Transkonduktansforsterkarar 

I ein transkonduktansforsterkarar er inngangssignalet ei elektrisk spenning  og utgangssignalet ein elektrisk straum . Forsterkninga (transkonduktansen)

.

Inngangsimpedansen er stor i høve til kjeldeimpedansen:

 (ideelt er ).

Utgansimpedansen er óg stor i høve til lastimpedansen:

 (ideelt er ).

Transresistansforsterkarar 

I ein transresistansforsterkar er inngangssignalet ein elektrisk straum  og utgangssignalet ei elektrisk spenning . Forsterkninga (transresistansen)

.

Inngangsimpedansen er liten i høve til kjeldeimpedansen:

 (ideelt er ).

Utgansimpedansen er óg liten i høve til lastimpedansen:

 (ideelt er ).

Straumforsterkarar 

I ein straumforsterkarar er både inn- og utgangssignala elektrisk straumar. Straumforsterkninga

.

Inngangsimpedansen er liten i høve til kjeldeimpedansen:

 (ideelt er )

og utgansimpedansen er stor i høve til lastimpedansen:

 (ideelt er ).

Grunnkoplingar 
Både røyr og transistorar har tre terminalar. Ein av desse vert nytta som inngangsterminal (der styresignalet vert tilkopla), ein som utgangsterminal (der det forsterka signalet vert henta ut). Den tredje terminalen er felles for inn- og utgangen. Etter kva for ein av dei tre terminalane som vert nytta som fellesterminal får ein tre grunnkoplingar, både for røyr og transistorar. Sjølv om dei fleste forsterkarane har fleire trinn (ofte tre), er dei ulike trinna bygde opp frå ulike kombinasjonar av dei tre grunnkoplingar.

Dei tre grunnkoplingane for røyrforsterkarar 
Terminalane på den enklaste typen radiorøyr, triodeen, vert kalla «katode», «anode» og «styregitter» (eller berre gitter) og avhengig av kva terminal som er felles for inn- og utgang vert koplingane kalla felles katodekopling, felles anodekopling (òg kalla katodefylgjar) og felles gitterkopling. Radiorøyr kan òg ha fleire enn tre terminialar, som tetroden og pentoden. I tillegg har dei ein terminal for glødespenninga, men han har ikkje nokon funksjon for signalhandsaminga.

Dei tre grunnkoplingane for bipolære transistorforsterkarar 
Terminalane på bipolære transistorar vert kalla «base», «emitter» og «kollektor» og avhengig av kva terminal som er felles for inn- og utgang vert koplingane kalla felles emitterkopling, felles kollektorkopling (òg kalla emitterfylgjar) og felles basekopling.

Dei tre grunnkoplingane for felteffekttransistorforsterkarar 
Terminalane på felteffekttransistorar vert kalla «gate», «source» og «drain» og avhengig av kva terminal som er felles for inn- og utgang vert koplingane kalla felles sourcekopling, felles drainkopling (òg kalla drainfylgjar) og felles gatekopling.

Fleirtrinnsforsterkarar 

Mange forsterkarar har fleire forsterkartrinn i kaskade, som tyder at utgangen på det fyrste trinnet er kopla til inngangen på det andre trinnet, utgangen på det andre trinnet er kopla til inngangen på det tredje og så vidare. Den totale spenningsforsterkninga for ein tretrinnforsterkar vert då

,

der  er spenningsforsterkninga til det fyrste trinnet,  er spenningsforsterkninga til det andre trinnet og  er spenningsforsterkninga til det tredje trinnet. Typiske døme er operasjonsforsterkarar og effekforsterkarar, som er sett saman av eit inngangstrinn, eit spennngsforsterkartrinn og eit utgangstrinn. Ofte er det dei to fyrste trinna som saman står for spenningsforsterkinga.

Oppgåva til inngangstrinnet er fleire: syta for ein høveleg inngangsimpedans, forsterka inngangssignalet og subtrahere tilbakekoplingssignalet frå inngangssignalet. Når inngagssignalet er svakt bør inngangstrinnet vera så strøyfritt som mogeleg. Inngangstrinnet er ofte eit differensialtrinn.

I operasjonsforsterkarar og moderne effektforsterkarar er det fyrste trinnet eit transkonduktans differensialtrinn (utgangssignalet er eit straumsignal), det andre trinnet er eit transresistanstrinn (eller meir spesifikt: transimpedanstrinn); det blir styrt av straumsignalet frå det fyrste trinnet og har spenningsutgang. Dei to fyrste trinna arbeider saman om å gi ei stor spenningsforsterkninga (for ein operasjonsforsterkar rundt 110 dB i lågfrekvensområdet).

Utgangstrinnet, som òg vert kalla effekttrinnet, fungerer som ein buffer, som syter for at forsterkaren kan levera nok straum til lasten (til dømes ein høgtalar, ein servomotor, etc.), same kva utgangsspenninga er. Utgangstrinnet er ofte eit push-pull-trinn. Basestraumen i effekttransistorane i utgangstrinnet er ofte så stor at det trengst eit drivartrinn mellom spenningsforsterkartrinnet og push-pull-utgangstrinnet.

Svitsjmodeforsterkarar 

Hovudartikkel: Svitsjmodeforsterkar
Svitsjmodeforsterkarar (klasse-D) er effektforsterkar der transistorane i utgangstrinnet veklsar mellom å vera heilt opne eller heilt stengde, slik at utgangsspenninga vekslar mellom maksimum amplitude og null, eller mellom maksimum positiv og maksimum negativ amplitude. Svitsjinga forgår med ein frekvens som er fleire gong så høg som øvre grensefrekvens til forsterkaren og amplituden til inngangssignalet styrer kor lenge utgangstransistorane er opne. Inngangsspenninga til forsterkaren vert difor modulert (pulsefrekvensmodulasjon eller pulsbreiddemodulasjon vert ofte nytta), slik at effektivverdien til det modulerte signalet er proposjonalt med amplituden til inngangssignalet. Spenningsa frå utgangstrinnet er difor òg ei modulert firkantspenning. For å fjerna dei overharmoniske frekvenskomponentane vert utgangssignalet filtrert av eit passivt lågpassfilter, plassert etter utgangstrinnet. Utgangsspenning frå lågpassfilteret har same form som inngangssignalet, med større amplitude. Utgangstrinnet er i stand til å levera stor nok straum til lasten, utan at spenninga fell, under føresetnad om at lastimpedansen ikkje er for låg.

Svitsjmodeforsterkarar vert nytta som effektforsterkarar for å driva høgtalarar, men òg for å driva servomotorar i reguleringsystem.

Døme på bruk 
Elektriske forsterkarar vert nytta i eit utal ulike samanhengar, så det er berre mogleg å ta med nokre døme på bruk.

Bufferar 
Hovudartikkel: Buffer

Ein buffer er ein forsterkar med høg inngangsimpedans og låg utgangsimpedans. Føremålet er å isolera lastimpedansen frå signalkjelda, ved at den høge inngangsimpedansen til bufferen berre trekkjer ein liten straum gjennom utgangsimpedansen til kjelda, slik at spenningsfallet over kjeldeimpedansen vert ubetydeleg. Den låge utgangsimpedansen til bufferen syter for at han kan levera ein stor nok straum til å driva lastimpedansen, utan nemneverdig spenningsfall over utgangsimpedansen til bufferen. Ein buffer er i røynda ein (liten) effektforsterkar.

Bufferar vert til dømes nytta for å driva lange kablar, til dømes i samband med nettverkskablar, antennekablar, signaldistribusjon i radio- og fjernsynsstudio, distribusjon av videosignal i samband med kabelfjernsyn og så vidare.

Operasjonsforsterkarar 
Hovudartikkel: Operasjonsforsterkar

Ein operasjonsforsterkarar er ein forsterkar med ein differensiell inngang (ein inverterande og ein ikkje-inverterande inngang), ein utgang og ein positiv og ein negativ spenningsforsyningsterminal. Operasjonsforsterkarar har svært stor råforsterking og vert i dei aller fleste tilfella nytta med eit tilbakekoplingsnettverk. Dei vert nytta som bufferar, for å omforma eit straumsignal til eit spenningssignal, for å realisera matematiske funksjonar som addisjon (summering av spenningar eller straumar), derivasjon, integrasjon, logaritmer, talverdi, etc. Operajonsforsterkarar er «elektroniske byggeklossar», som vert nytta i mange ulike apparat, som til dømes audioforsterkarar, aktive filter, innan instrumentering og mange andre typar for analog signalhandsaming. Operajonsforsterkarar med stor bandbreidd vert nytta som videoforsterkarar.

Operajonsforsterkarar er tilgjengelege som IC-ar, med ein, to eller fire forsterkarar i same pakke. Dei vert òg nytta som byggeklossar i IC-ar for AD-omformarar og DA-omformarar, modulatorar og demodulatorar, men òg i meir kompliserte IC-ar, som radiomottakarar, mobiltelefonar, etc.

Audioforsterkarar 
Hovudartikkel: Audioforsterkar

Innan audioteknologi nyttar ein forsterkarar til mange ulike føremål. Nokre forsterkarar, som mikrofon-, for- og effekforsterkarar, vert produserte som separate apparat, medan andre vert nytta internt i ulike apparat. Lydkort, til dømes har innebygde forsterkarar både før AD-omformarane og etter DA-omformarane, signalkjelder som CD- og DVD-spelarar har innebygde forsterkarar (bufferar) på utgangane. Forsterkarar vert òg nytta i kontrollsystemet til laseren i CD- og DVD-spelarar.

Mikrofonforsterkarar er spenningsforsterkarar som vert nytta til å forsterka utgangsspenninga frå mikrofonar. Forforsterkarar er forsterkarar med fleire inngangar, balanse- og volumkontroll. Dei fungerer som eit kontrollsenter i forbrukarutstyr. Utgangane er utstyrte med bufferar, slik at dei kan driva lange kablar, slik at for- og effekforsterkarane kan plasserast i noko avstand frå kvarandre. Effektforsterkarar vert nytta til å driva høgtalarar. Dette er spenningsforsterkarar som har stor nok utgangsspenning til å driva ein høveleg straum gjennom svingspolen i ein høgtalar. Integrerte forsterkarar er apparat som kombinerer ein forforsterkar og ein effekforsterkar. Hovudtelefonforsterkarar er små effekforsterkarar nytta for å driva hovudtelefonar. Audio-Vide-forsterkarar (AV-forsterkarar) er kontrollsentre for lyd og video, mynta på 5.1 eller 7.1 fleirkanalslyd. Dei inneheld både analog og digital elektronikk og har fleire inn-og utgangar, både for lyd og video.

Instrumentering 

Innan instrumentering vert det nytta forsterkarar for å forsterka signala frå ulike sensorar. Desse signala er ofte svake, så forsterkarane lyt ha liten eigenstøy. Instrumenteringsforsterkarar har ofte fleire trinn: ein støysvak forsterkar på inngangen og ein forsterkar med låg utgangsimpedans (buffer) på utgangen. Inngangstrinnet er ofte tilpassa ein bestemt sensor, som eit aksellometer, ei målebru, etc.
 
Ein svært viktig komponent er sokalla instrumenteringsforsterkarar. som er differensialforsterkarar med buffer på begge inngangane. Slike forsterkarar er i stand til å undertrykka kommonmodespenningar på inngangen og slik oppnå stor CMRR. Dei blir produserte som separate integrerte krinsar.
 
Elektriske måleinstrument, som multimetre, oscilloscop, frekvenstellarar, etc. nyttar mange forskjellige forsterkarar. Nokre av desse har stor bandbreidd. Bandbreidda til vertikalforsterkarane i oscilloscop, til dømes, varierer frå rundt 20 MHz til fleire GHz. Signal- og kurvegeneratorar nyttar ofte operasjonsforsterkarar internt og bufferar på utgangane.

Radiofrekvensforsterkarar 

Frekvensområdet frå 3 kHz til 300 GHz vert kalla radiofrekvensområdet. Dette er eit stort frekvensområdet, som overlappar audiofrekvensområdet (20 Hz — 20 KHz). Forsterkarar som arbeider i området over audiofrekvensområdet vert kalla radiofrekvensforsterkarar (RF-forsterkarar).
 
Radiofrekvensforsterkarar vert nytta for å forsterka signal i  til dømes i radiosendarar og mottakarar. Analoge video-signal har ei bandbreidd på 6 MHz, så videoforsterkarar er døme på RF-forsterkarar. Andre døme på bruk av RF-forsterkarar er radar og høgfrekvensablation (medisinsk diagnose).

Radiofrekvensforsterkarar skil seg frå audiofrekvensforsterkarar ved at bølgjelengda til spenningane som vert forsterka er stutt i høve til dei fysiske dimensjonane på krinsane. FM-radio vert senna i frekvensområdet 90 — 100 MHz, så bylgjelenga er rund 3 m (i luft), GSM (i Europa) nyttar frekvensar i områda rundt 800 MHz og 1800 MHz, tilsvarnde bølgjelengder på 38 og 17 cm. Når bylgjelengda er av tilnærma sama storleik som dei fysiske dimensjonane på krinsane er det naudsynt å handsama banane på kretskorta som transmisjonslinjer og ut- og inngangsimpedansane til forsterkarane må matsjast til den karakteristiske impedansen til kretskortbanar og kablar. RF-forsterkarar krev aktive komponentarmed stor bandbreidd og skil seg frå komponentar nytta i lågfrekvensforsterkarar. Det er òg viktig å syta for god støyskjerming.

Mikrobølgeforsterkarar 
Forsterkarar nytta for mikrobølgjekommunikasjon arbeider i mikrobølgjeområdet (300 MHz — 300 GHz); 300 GHz tilsvarer ei bylgjelengd på 1 mm. Europeisk stelittfjernsyn til dømes vert sendt i Ku bandet (12–18 GHz), tilsvarande bølgjelengder på 2.5 og 1.7 cm. I samband med radar, kommunikasjonssatellittar og bakkestasjonar, etc.  er det er ofte bruk for mikrobølgjeforsterkarar med stor effekt. I den nedre enden av mikrobølgjeområdet (300 MHz to 50 GHz) vert det nytta distribuerte forsterkarar, vandrarbølgjerør magnetronar, amplitronar, klystronar, etc. I  partikkelakselleratorar vert det nytta klystronar med gjennomsnittseffekter heilt opp til 50 kW og toppeffekter opp til 50 MW.

Motordrivarar 
Mekatroniske servosystem nyttar ulike typar effektforsterkarar for å driva servomotorar, stegmotorar, aktuatorar, etc. Tidlegare vart det nytta analoge effektforsterkarar, men i dag vert det i stor grad nytta svitsjmodeforsterkarar.

Histori

Tidlege forsterkarar 
Det var fyrst etter at Lee de Forest i 1907 fann opp vakumtrioden at det vart mogeleg å laga elektroniske forsterkarar. Den fyrste forsterkaren som nytta trioden vart laga i 1914 av Harold D. Arnold. Den fyrste praktiske bruken av elektroniske forsterkarar var regenerering av spenninga på telefonlinjer og taleforsterking.

Tidlege forsterkarar var hadde meir forvrengning enn ynskjeleg, med stoda forbetra seg då Harold Black i 1927 fann opp negativ tilbakekopling, som både redusert forvrengninga og førete til flatare amplituderespons. Tilbakekoplinga hadde dessutan den føremonen at ho auka inngangsimpedansen og redusert utgangsimpedansen. I 1932 publiserte Harry Nyquist ei vitskapleg analyse av negativ tilbakekopling, der han utleia eit kriterium for korleis tilbakakoplinga påverka stabiliteten til ein forsterkar. Dette arbeidet førte til at negativ tilbakekopling vart vanleg i så godt som alle forsterkarar.

Utover 1930-talet vart det vanleg å nytta elektroniske forsterkarar til å driva høgtalarar i kinoar og i radiosendarar og -mottakarar. Ei effekt på 10 Watt vart rekna som mykje på denne tida og det var vanleg med hornhøgtalarar, av di desse har stor verkningsgrad.

Transistorforsterkarar 

I 1925 fekk Julius Edgar Lilienfeld patent på ein felteffekttransistor, i 1934 fekk Oskar Heil eit patent på ein felteffekttransistor. I 1947 laga John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley ved Bell Labs ein PNP-transistor. Den fyrste MOSFET-transistorrn var laga i 1069 av Kahng og Atalla, òg ved Bell Labs.

I 1948 søkte Heinrich Johann Welke om patent på ein tansistorforsterkar. I 1953 laga det tyske føretaket Intermetall ein prototype av ein transistorforsterkar og det vart nytta transistorar i telefonsentralar og i høyreapparat. Same året bygde Dick Grimsdale ved Universitetet i Manchester ei datamaskin som nytta transistorar. I 1954 starta Texas Instruments produksjon av transistorar og Industrial Development Engineering Associates tok til å produsera radioar med transistorforsterkarar. I 1955 starta Sony produksjon av radioar med transistorforsterkarar. Dei fyrste transistorane var laga på germaniumsubstrat og var ømfindtlege. Det var spesielt problem med fuktigheit og med å festa leidningar til dei.

I januar i 1954 laga Morris Tanenbaum ved Bell Labs ein silisiumtransistor og nokre månadar etterpå laga Gordon Teal ved Texas Instruments òg ein silisiumtransistor, uavhengig av Tanenbaum. Silisiumtransistorar er meir robuste enn germaiumtransistorar og tidleg på 1960-talet var dei fleste transistorane som vart produserte silisiumtransistorar.

I 1949 søkte Werner Jacobi ved Siemens AG om patent på ein integretr krets (IC) med ein to-trinns forsterkar med fem transistorar. I søknaden forslo han å nytta IC-en i høyreapparat. I 1952 forslo Geoffrey Dummer ved Royal Radar Establishment å plassera fleire transistorar på same substrat. Jack Kilby ved Texas Instrument hadde ein liknande ide og i 1958 laga han ein integrert krets, som han søkte patent på i 1959. Robert Noyce hjå Fairchild Semiconductor hadde utført liknande arbeid og Kilby og Noyce vert ofte rekna som oppfinnarane av integrerte krinsar. Dei fyrste IC-ane hadde berre nokre få transistorar.

Dei fyrste operasjonsforsterkarane stammar frå 1947 og nytta radiorøyr. I 1961 var det laga operasjonsforsterkarar med diskrete komponentar på små innstikkskort. Den fyrste monolitiske operasjonsforsterkarer vart laga av Bob Widlar ved Fairchild Semiconductor. Han fekk typenummret μA702. Forbetra versjonar av operasjonsforsterkarar laga som IC-ar kom utover 1960- og 1970-talet: LM101 i 1967, μA741 i 1968 (μA741 er framleis i produksjon). På 1970-talet kom det òg operasjonsforsterkarar med JFET i differensialforsterkaren i inngangen og på 1980-talet vart MOSFET tekne i bruk. Operasjonsforsterkarane revulsjonerte analog signalhandsaming og vert nytta i mange ulike produkt.

Referansar

Bibliografi 
 Bowick, C., RF circuit design, Newnes, 1982.
 Cobbold, R.S.C., Theory and applications of field-effect transistors, Wiley-Interscience, 1970. 
 Coughlin, R.F., Operational amplifiers and linear integrated circuits, 3. utg., Prentice-Hall, 1987.
 Coughlin, R.F. og Villanucci, R.S., Introductory operational amplifier ICs: Theory and experimentation, Prentice-Hall, 1990.
 Crawford, R., MOSFET in circuit design, Texas Instruments og McGraw-Hill, 1967.
 Crecraft, D.I. og Gergely, S., Analog electronic: Circuits, systems and sigbal processing, Butterworth-Heinemann, 2002.
 Floyd, , T.L, Electronic devices, 9. utg., Prentice Hall, 2012.
 Franco, S., Design with operational amplifiers, 2. utg., McGraw-Hill, 1998.
 Graeme, J., Optimizing op-amp performance, McGraw-Hill, 1997.
 Hambley, A.R., Electronics, 2. utg., Prentice Hall, 2000.
 Hamilton, S., An analog electronic companion, Cambridge University Press, 2003.
 Horowitz, P. og Hill, W., The art of electronics, 2. utg., Cambridge University Press, 1989.
 Ipatova, I. og Mitin, V., Introduction to solid-state electronics, Addison-Wesley Publ. Comp., 1996.
 Jung, W., IC op-amp cookbook, Howard W. Sams & Co., 1974.
 Jung, W., IC array cookbook, Hayden Book Company, 1980.
 Jung, W., Op amp applications, Analog Devices, 2002.
 Mauro, R., Engineering electronics - A practical approach, Prentics Hall, 1989. 
 Millman, J. og Halkias, C. C.,  Integrated electronics: Analog and digital circuits and systems, McGraw-Hill, 1972.
 Millman, J. og Grabel, A., Microelectronics, 2. utg., McGraw-Hill, 1987.
 Morris, N.M., Advanced industrial electronics, 2. utg., McGraw-Hill, 1984.
 Pease, R.A., Analog circuits — World class designs, Newnes, 2008.
 Sedra, A.S. og Smith, K.C., Microelectronic circuits, Holt-Saunders, 1982.
 Severs, R. og Armijos, J. (ed.), MOSPOWER applications handbook, Siliconix, 1984.
 Soma, S., Grunnbok i elektronikk, 3. utg., Universitetforlaget, 1976.
 Sundsdal, K., Operasjonsforsterkeren, NKI-forlaget, 1979.
 Walston, J.A. og Miller, J.R. (ed.), Transistor circuit design, McGraw-Hill, 1963.
 Warnes, L., Electronic and electrical engineering: Principles and practice, Macmillan Press, 1994.
 Whitaker, J.C. (ed.), The electronics handbook, IEEE Press, 1996.
 Wold, A. og Solum, H., Elektronikk 2, Fagbokforlaget, 1995.

Sjå òg 
 Forsterkar (fleirtyding)

Analog elektronikk
Instrumentering
Reguleringsteknikk
Analog audio

ar:مضخم إلكتروني
id:Penguat
ms:Amplifier
cs:Zesilovač
eo:Amplifilo
ko:앰프
hi:प्रवर्धक
he:מגבר
hu:Erősítő
no:Forsterker
pt:Amplificador
simple:Amplifier
fi:Vahvistin
sv:Förstärkare