Verstärker sind in der Signalverarbeitung unverzichtbar, da sie es ermöglichen, schwache Signale zu verstärken und damit die Signal-Rausch-Relation (SNR) zu verbessern. Ein Verstärker ist ein elektronisches Gerät, das ein Eingangssignal mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor (Gain) verstärkt und es am Ausgang wiedergeben. Es gibt verschiedene Arten von Verstärkern, wie z.B. Verstärker mit konstanter Verstärkung, Verstärker mit variablem Gain und Verstärker mit hochfrequentem Gain.
Eine der wichtigsten Anwendungen von Verstärkern in der Signalverarbeitung ist die Verstärkung von schwachen Signalen, die von Sensoren oder Transmittern gesendet werden. Diese Signale sind oft sehr schwach und müssen vor der weiteren Verarbeitung verstärkt werden, um eine ausreichende Signal-Rausch-Relation (SNR) zu erreichen. Verstärker werden auch verwendet, um die Empfindlichkeit von Messgeräten und Analysegeräten zu erhöhen, indem sie das Signal vor der Messung oder Analyse verstärken.
Ein weiteres Anwendungsgebiet von Verstärkern in der Signalverarbeitung ist die Verstärkung von Frequenzbereichen, die für eine bestimmte Anwendung wichtig sind. Dies wird erreicht, indem man Verstärker mit variablem Gain oder hochfrequentem Gain verwendet. So kann man beispielsweise in der Kommunikationstechnik das gewünschte Frequenzband verstärken und gleichzeitig unerwünschte Frequenzbereiche abschwächen.
Verstärker Faktoren
Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Verstärkers ist die Verzerrung des Verstärkers. Verzerrungen können die Qualität des Signals beeinträchtigen und sind daher in vielen Anwendungen unerwünscht. Es gibt verschiedene Arten von Verzerrungen, wie z.B. die Verzerrung der Amplitude, die Verzerrung der Phase und die Verzerrung der Harmonischen. Um die Verzerrungen zu minimieren, sollten Verstärker mit geringer Verzerrung ausgewählt werden.
In der modernen Technik spielt die Verstärkertechnologie eine wichtige Rolle, da sie es ermöglicht, schwache Signale zu verstärken und damit die Signal-Rausch-Relation (SNR) zu verbessern. Verstärker werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie z.B. in der Kommunikationstechnologie, Medizintechnik, Automatisierungstechnik und Unterhaltungselektronik. Sie ermöglichen es, Sensorsignale zu verstärken, die Empfindlichkeit von Messgeräten zu erhöhen, Frequenzbereiche zu verstärken, die für eine bestimmte Anwendung wichtig sind und Verzerrungen des Signals zu minimieren. Es ist wichtig, die richtigen Verstärker für die jeweilige Anwendung auszuwählen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Verstärkung und Verstärkungspegel des Verstärkers
Verstärkung ist ein Maß dafür, wie viel ein Verstärker die Amplitude eines Signals erhöht. Es wird normalerweise in Dezibel (dB) angegeben und berechnet sich aus dem Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung des Verstärkers und der Eingangsleistung.
Verstärkung = Ausgangsleistung / Eingangsleistung
Verstärkung = 10 * log10 (Ausgangsleistung / Eingangsleistung) (in dB)
Der Verstärkungspegel gibt an, wie stark ein Verstärker das Signal verstärkt und wird in Dezibel (dB) gemessen. Ein Verstärkungspegel von 0 dB bedeutet, dass keine Verstärkung stattfindet, während ein Verstärkungspegel von 10 dB eine Verstärkung von 10-fach bedeutet.
Es ist wichtig zu beachten, dass ein Verstärker nicht nur die Amplitude des Signals erhöhen, sondern auch die Rauschleistung und die Verzerrungen beeinflussen kann. Verstärker sollten daher sorgfältig ausgewählt und eingestellt werden, um eine optimale Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen.
Vergleichen Sie die Spannungsverstärkung und die Leistungsverstärkung.
Die Spannungsverstärkung und die Leistungsverstärkung sind beide Arten der Verstärkung, die in elektronischen Verstärkern verwendet werden, aber sie beziehen sich auf unterschiedliche Aspekte des Signals.
Die Spannungsverstärkung bezieht sich auf die Erhöhung der Spannung des Signals durch den Verstärker. Es wird in Dezibel (dB) gemessen und berechnet sich aus dem Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung des Verstärkers. Ein Verstärker mit einer Spannungsverstärkung von 20 dB erhöht die Spannung des Signals um den Faktor 100.
Die Leistungsverstärkung bezieht sich auf die Erhöhung der Leistung des Signals durch den Verstärker. Es wird auch in Dezibel (dB) gemessen und berechnet sich aus dem Verhältnis zwischen der Ausgangs- und Eingangsleistung des Verstärkers. Ein Verstärker mit einer Leistungsverstärkung von 20 dB erhöht die Leistung des Signals um den Faktor 100.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Spannungsverstärkung und die Leistungsverstärkung nicht unbedingt gleich sind. Ein Verstärker kann beispielsweise eine hohe Spannungsverstärkung haben, aber eine geringe Leistungsverstärkung. Dies liegt daran, dass ein Teil der Energie des Signals in Wärmeenergie umgewandelt wird, wenn es durch den Verstärker geleitet wird. Ein Verstärker mit einer hohen Leistungsverstärkung würde das Signal in erster Linie verstärken, ohne dabei viel Energie zu verlieren. Daher sollte bei der Auswahl und Anwendung von Verstärkern sowohl die Spannungsverstärkung als auch die Leistungsverstärkung berücksichtigt werden, um eine optimale Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen.
Wie groß ist der Verstärkungspegel, wenn die Spannungsverstärkung 1000 beträgt?
Wie groß ist der Verstärkungspegel, wenn die Spannungsverstärkung 1 beträgt?
Wie groß ist die Leistungsverstärkung, wenn der Verstärkungspegel 3 dB beträgt?
Die Frequenzübertragungsfunktion des Verstärkers.
Die Frequenzübertragungsfunktion, auch als Transferfunktion oder Übertragungsfunktion bezeichnet, beschreibt die Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal eines Systems. Im Fall eines Verstärkers ist die Übertragungsfunktion eine Funktion der Frequenz, die beschreibt, wie viel die Amplitude des Signals an der Ausgangsspannung im Verhältnis zur Eingangsspannung bei verschiedenen Frequenzen verstärkt wird.
Die Frequenzübertragungsfunktion wird in der Regel in der Form eines komplexen Bruchs dargestellt, wobei der Zähler und der Nenner Polynome sind, die die Amplitude und die Phase des Signals beschreiben. Ein Verstärker mit einer flachen Frequenzübertragungsfunktion verstärkt das Signal in einem breiten Frequenzbereich gleichmäßig. Ein Verstärker mit einer steilen Frequenzübertragungsfunktion verstärkt das Signal in einem engen Frequenzbereich stärker.
Es gibt verschiedene Arten von Verstärkern mit unterschiedlichen Frequenzübertragungsfunktionen, wie z.B. Tiefpaßverstärker, Hochpaßverstärker, Bandpaßverstärker und Notch-Filter-Verstärker, die je nach Anwendung verwendet werden können.
Wie bestimmt man das Übertragungsband eines Verstärkers?
Das Übertragungsband eines Verstärkers kann auf verschiedene Arten bestimmt werden, hier sind einige Beispiele:
- Durch Messung der Frequenzübertragungsfunktion: Indem man ein Signal mit verschiedenen Frequenzen an den Eingang des Verstärkers anlegt und die Ausgangsspannung misst, kann man die Frequenzübertragungsfunktion des Verstärkers bestimmen. Das Übertragungsband des Verstärkers ist der Bereich, in dem die Amplitude des Signals signifikant verstärkt wird.
- Durch Messung der Gruppenverzögerung: Indem man ein Signal mit einer breiten Frequenzbandbreite an den Eingang des Verstärkers anlegt und die Ausgangssignalverzögerung misst, kann man die Gruppenverzögerung des Verstärkers bestimmen. Das Übertragungsband des Verstärkers ist der Bereich, in dem die Gruppenverzögerung konstant ist.
- Durch Messung der Frequenzgangdämpfung: Indem man die Dämpfung des Signals durch den Verstärker bei verschiedenen Frequenzen misst, kann man die Frequenzgangdämpfung des Verstärkers bestimmen. Das Übertragungsband des Verstärkers ist der Bereich, in dem die Dämpfung des Signals gering ist.
Es ist wichtig zu beachten, dass die genauen Methoden zur Bestimmung des Übertragungsbands von Verstärker zu Verstärker unterschiedlich sein können und es auf die spezifischen Anforderungen und Eigenschaften des Verstärkers ankommt.
Wie ändert sich die Breite des Übertragungsbandes bei negativer Rückkopplung?
Die Breite des Übertragungsbandes eines Verstärkers kann durch die Verwendung von negativer Rückkopplung beeinflusst werden. Negativ Rückkopplung ist eine Technik, bei der ein Teil des Ausgangssignals des Verstärkers an den Eingang zurückgeführt wird, um die Amplitude und die Frequenz des Signals zu beeinflussen.
Eine negative Rückkopplung kann die Breite des Übertragungsbandes des Verstärkers verringern. Wenn ein Teil des Ausgangssignals an den Eingang zurückgeführt wird, wird es mit dem Eingangssignal kombiniert und kann dazu führen, dass bestimmte Frequenzen des Signals unterdrückt werden. Dies führt zu einer engeren Bandbreite des Übertragungsbandes, da das Signal nur in einem engen Frequenzbereich verstärkt wird.
Ein Beispiel für die Anwendung der negativen Rückkopplung ist die Verwendung von Tiefpaß- und Hochpaßfiltern, die den Verstärker einschränken, nur bestimmte Frequenzbereiche durchzulassen.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Verwendung von negativer Rückkopplung auch Nachteile haben kann, wie z.B. eine erhöhte Verzerrung des Signals, eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Störungen und eine erhöhte Phasenverzerrung.
Vor– und Nachteile einer negativen Rückkopplung beim Verstärker
Negative Rückkopplung bei Verstärkern hat sowohl Vorteile als auch Nachteile.
Vorteile:
- Erhöhte Stabilisierung: Eine negative Rückkopplung reduziert die Instabilität des Verstärkers und macht ihn gegenüber Änderungen der Lastbedingungen und der Versorgungsspannung resistenter.
- Erhöhte Linearität: Eine negative Rückkopplung erhöht die Linearität des Verstärkers, wodurch Verzerrungen reduziert werden.
- Erhöhte Bandbreite: Eine negative Rückkopplung ermöglicht es, die Bandbreite des Verstärkers zu erweitern, indem es die Amplitude und die Frequenz des Signals beeinflusst.
- Erhöhte Empfindlichkeit: Eine negative Rückkopplung erhöht die Empfindlichkeit des Verstärkers gegenüber geringen Signalen.
Nachteile:
- Erhöhte Verzerrungen: Eine negative Rückkopplung kann zu Verzerrungen des Signals führen, insbesondere bei höheren Frequenzen.
- Erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Störungen: Eine negative Rückkopplung kann die Empfindlichkeit des Verstärkers gegenüber Störungen erhöhen.
- Erhöhte Phasenverzerrung: Eine negative Rückkopplung kann zu einer Phasenverzerrung des Signals führen.
- Erhöhter Aufwand: Der Aufwand für die Implementierung von negativer Rückkopplung ist höher als bei Verstärkern ohne Rückkopplung.
Daher muss man die Anforderungen der Anwendung und die Eigenschaften des Verstärkers gut untersuchen und abwägen, ob die Vorteile der negativen Rückkopplung die Nachteile überwiegen.
Übungen zum Verstärker:
Aufgabe Transistorverstärker Grundschaltungen Technikum Wien
PDF: Aufgabe Transistorverstärker Grundschaltungen