aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ein Verstärker ist ein Gerät oder eine Baugruppe, die ein eingehendes Signal so verarbeitet, dass Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder die Ausgangsleistung größer sind, als die entsprechenden Eingangsgrößen. Verstärker gibt es sowohl für Gleichstrom bzw. Gleichspannung als auch für Wechselstrom bzw. Wechselspannung.

Verstärken im Niederfrequenz-Bereich heißt zum Beispiel: Die geringe Spannung von wenigen Millivolt, die ein Mikrofon liefert, wird auf einige Volt angehoben. Die zusätzliche Energie für diesen Kleinsignalverstärker liefert beispielsweise eine Batterie. Das genügt nicht, um einen Lautsprecher zu betreiben, dafür benötigt man Endstufen, welche die angebotene Tonfrequenzspannung auf einige Volt verstärken und dabei als Großsignalverstärker auch ausreichend Strom liefern können.

Verstärken im Hochfrequenzbereich heißt zum Beispiel: Im Empfänger wird eine sehr geringe Spannung von nur Mikrovolt, die von der Antenne kommt, in mehreren Stufen millionenfach heraufgesetzt, wobei im Regelfall gleichzeitig mit Hilfe von Schwingkreisen eine Frequenzauswahl erfolgt. In Sendeanlagen wird die geringe Leistung eines Oszillators in mehreren Verstärkerstufen auf viele Tausend Watt erhöht und über Antennen abgestrahlt.

Spannungsfolger setzen nicht die Spannung herauf, sondern den Strom. Dabei wird die Eingangsspannung kaum belastet. Die Ausgangsspannung ist dabei annähernd gleich der Eingangsspannung, sie "folgt" der Eingangsspannung. Spannungsfolger werden in Endstufen, in Elektretmikrofonen und als Elektrometerverstärker eingesetzt.

Ferner unterscheidet man zwischen

• Breitbandverstärker für einen größeren Frequenzbereich wie beispielsweise der NF-Bereich von 20 Hz bis 20 kHz und
• Selektive Verstärker, die nur einen schmalen Frequenzbereich von beispielsweise 3,5 MHz bis 3,55 MHz verstärken.

Inhaltsverzeichnis 1 Bestandteile 2 Klassifizierung 2.1 Analogverstärker 2.2 Schaltverstärker 3 Funktionsbeschreibung 4 Kenngrößen analoger Verstärker 4.1 Störabstand 4.2 Verzerrungen 4.3 Gegenkopplung 5 Einsatzgebiete 6 Siehe auch 6.1 Technologien 6.2 Grundschaltungen 6.3 Anwendungen 7 Weblinks

[Bearbeiten] Bestandteile

Das eigentliche verstärkende Bauelement in Verstärkern ist ein sogenanntes aktives elektronisches Bauelement. Hierunter fallen u. a. Transistoren und Elektronenröhren, aber auch Transduktoren (Magnetverstärker).

Kennzeichnend für diese ist die Steuerbarkeit eines großen Ausgangsstromes bzw. einer großen Ausgangsspannung/ -leistung mit einem kleineren Eingangssignal (ein Strom, eine Spannung oder auch eine elektromagnetische Welle).

In der Hochfrequenztechnik kommen auch Maser, IMPATT-Dioden (in parametrischen Verstärkern) oder Tunneldioden zum Einsatz. Als besonders rauscharme Verstärker werden in der Messtechnik in einigen wenigen Fällen auch SQUIDs eingesetzt.

Ein Verstärker hat neben diesen aktiven Bauelementen eine Vielzahl passiver Bauelemente, die u. a. der Energieversorgung, der Stabilisierung der Parameter, der Impedanzanpassung oder dem Schutz dienen.

Dabei handelt es sich insbesondere um Widerstände, Kondensatoren, Transformatoren bzw. Übertrager und Dioden.

Diskret aufgebaute Transistorverstärker werden zunehmend durch Operationsverstärker und integrierte Leistungsverstärker abgelöst, die fast die gesamte Verstärkerschaltung enthalten, so dass nur wenige externe Bauelemente zum Betrieb erforderlich sind.

[Bearbeiten] Klassifizierung

[Bearbeiten] Analogverstärker

Analogverstärker verstärken eine stetig verlaufende Gleich- oder Wechselspannung.

Meistens soll die Verstärkung der Spannung innerhalb eines möglichst breiten Frequenzbereiches konstant sein, der durch die untere und die obere Grenzfrequenz begrenzt ist. Es gibt aber auch andere Übertragungsfunktionen, wie zum Beispiel bei Entzerrer-Verstärkern, Equalizern oder Sendeverstärkern. In solchen Fällen lässt sich der Verstärker in einen idealen, breitbandigen Verstärker und einen Filter untergliedern.

Man unterscheidet folgende Betriebsarten bzw. Verstärker-Klassen:

• Eintaktverstärker (Ein aktives Bauelement als Endstufe)
  • A-Betrieb: aktives Bauelement arbeitet auf einen Widerstand und leitet immer (Anwendung z. B. in Vorverstärkern sowie in Röhrenendstufen von Gitarrenverstärkern)
  • C-Betrieb: aktives Bauelement arbeitet auf einen Schwingkreis und leitet nur kurzzeitig (Anwendung nur bei Hochfrequenz-Verstärkern, z. B. Senderendstufen)

• Gegentaktverstärker: zwei aktive Bauelemente arbeiten in einer Brückenschaltung gegeneinander bzw. abwechselnd (engl. push-pull)
  • Gegentakt-A: beide Bauelemente leiten immer (Anwendung z. B. in Operationsverstärker-Ausgangsstufen)
  • Gegentakt-AB: die beiden Ausgangsstufen leiten abwechselnd, jedoch in einem Übergangsbereich und im Ruhezustand beide zugleich; so arbeiten die meisten Audio-Verstärker-Endstufen)
  • Gegentakt-B: die Bauteile leiten abwechselnd (Anwendung: manche Audioverstärker, insbesondere frühere effiziente Röhren-Endverstärker)

Hauptartikel: Gegentaktverstärker

Bei einem Vollbrückenverstärker, bei Audioverstärkern häufig als BTL (nach engl. bridge terminated load) bezeichnet, arbeiten zwei Gegentaktverstärker gegeneinander auf jeweils einen der Lastanschlüsse. Sie werden dann eingesetzt, wenn die Leistung an einer gegebenen Lastimpedanz und bei gegebener Versorgungsspannung erhöht werden muss (z. B. Autoradios).

Analoge Leistungsverstärker können auch mithilfe von Schaltverstärkern aufgebaut werden, indem ein analoges Signal zunächst mit einem Analog-digital-Umsetzer (ADU/ADC) in ein pulsweitenmoduliertes Schaltsignal umgewandelt wird, das dann verstärkt und mit einem Filter (LC-Tiefpass) wieder in eine sich stetig veränderliche Spannung zurückgewandelt wird. Diese Methode wird bei Audioverstärkern als Klasse-D- bzw. class D-Verstärker bezeichnet. Klasse-D-Verstärker sind effizienter als Klasse-AB- und -B-Verstärker. Sie werden daher bei Audioverstärkern großer Leistung sowie zunehmend auch bei kleinen batteriebetriebenen Geräten eingesetzt.

Das Prinzip wird auch zum Betrieb von Gleichstrom- und Schrittmotoren angewendet und heißt dort Chopper-Steuerung bzw. -Betrieb, erfordert jedoch dort keinen Ausgangsfilter.

Klasse-E-Leistungsverstärker vereinen Elemente des Klasse-D- und Klasse-C-Verstärkers zu einem Verstärker höchster Effizienz. Bei diesen arbeitet eine Schaltstufe auf einen Resonanzkreis, dessen Spannung über einen Tiefpass zur Last gelangt. Die Schaltstufe schließt immer dann, wenn der Schwingkreis im Nulldurchgang angelangt ist, dadurch verringern sich die Schaltverluste und Störungen gegenüber Klasse-D-Verstärkern dramatisch. Anwendungsgebiet dieses Typ sind schmalbandige Hochfrequenzverstärker.

[Bearbeiten] Schaltverstärker

Schaltverstärker haben nur zwei Zustände und verstärken Strom oder Spannung eines Schaltsignales. Oft ist auch eine Potentialtrennung gegeben bzw. erforderlich, z. B., wenn Netzspannungen geschaltet werden.

Schaltverstärker können mit aktiven elektronischen Bauelementen (Transistoren, Thyristoren, Triacs, Halbleiterrelais) oder auch mit mechanischen Relais realisiert werden.

Sogenannte „intelligente“ Halbleiterschalter sind leistungselektronische integrierte Schaltkreise, die neben der Schaltfunktion auch Schutz- und Überwachungsfunktionen enthalten, um Kurzschlussfestigkeit oder eine Rückmeldung des fließenden Laststromes zu erreichen. Sie werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Schaltverstärker besitzen oft eine Mitkopplung, die ein Hystereseverhalten verursacht. Sie arbeiten dann wie ein Schwellwertschalter, insbesondere, um unexaktes Schaltverhalten zu vermeiden und Störsignale zu eliminieren.

Schalt-Verstärkerstufen für hohe Arbeitsfrequenzen, wie sie z. B. in Schaltnetzteilen, Chopper-Steuerungen oder Klasse-D-Analogverstärkern enthalten sind, werden dagegen nicht als „Schaltverstärker“ bezeichnet.

[Bearbeiten] Funktionsbeschreibung

Die Verstärkung eines Transistors ist in Emitterschaltung besonders groß und wenn keine hohe Leistung gefordert wird, genügt ein Kollektorstrom von 1 mA bei A-Betrieb. Mit einer Stromgegenkopplung kann man erreichen, dass dieser Arbeitspunkt auch nach Austausch des Transistors eingehalten wird und kaum temperaturabhängig ist. Dazu soll der Spannungsabfall am 1 kΩ-Widerstand zwischen Emitter und Masse (das sind die untersten Symbole, die an 0 V angeschlossen werden) etwa 1 V betragen, denn U_BE kann - abhängig von Exemplar und Temperatur - um etwa 0,06 V schwanken.

Im Bild wird die Basisspannung mit einem Spannungsteiler festgelegt auf

Der Querstrom I_q des Spannungsteilers soll groß sein gegenüber dem Basisstrom I_B. Diese Forderung ist erfüllt, denn bei üblichen Transistoren gilt I_C/I_B ≥ 100. Bei Silizium-Transistoren gilt U_BE = 0,6 V, deshalb liegen am Emitterwiderstand nur 1,5 V und es fließt der geplante Kollektorstrom.

Die zu verstärkende Spannung von wenigen Millivolt wird über einen Kondensator mit geringer Impedanz auf die Basis geleitet und mit vergrösserter Amplitude am Kollektor abgegriffen.

Nun muss man entscheiden, ob man unterschiedslos alle Frequenzen verstärken will oder nur einen eng begrenzten Bereich. Wie man durch Vergleich der Bilder sehen kann, wird das in erster Linie durch die Art des Kollektorwiderstandes festgelegt:

• Mit einem 4,7 kΩ-Widerstand wird (in der gezeigten Schaltung) maximal um den Faktor 4700/91 = 52 verstärkt. Dieser Widerstand soll so gewählt werden, dass die Kollektorspannung um den Mittelwert 6 V symmetrisch schwanken kann. Dann kann man die maximale Ausgangs-Wechselspannung ohne Verzerrungen („clipping“) erwarten. Der Frequenzbereich ist nur durch die unvermeidlichen Schaltkapazitäten begrenzt und kann bis zu einigen MegaHertz reichen.

• Mit einem Schwingkreis wird nur ein schmaler Bereich um die Resonanzfrequenz ω₀ verstärkt. Nur hier ist der Parallelschwingkreis so hochohmig, dass mit ausreichender Verstärkung zu rechnen ist. Bei tieferen Frequenzen wirkt die Spule als Kurzschluss, bei höheren Frequenzen der Kondensator. Verstärkungsfaktor und Bandbreite hängen vom Gütefaktor des Schwingkreises ab.

Der Verstärker ist bei Gleichstrom mit dem Emitterwiderstand 1 kΩ gegengekoppelt, der für einen stabilen Arbeitspunkt des Transistors sorgt. Angenommen, U_BE sinkt temperaturbedingt um 40 mV, dann steigt die Spannung am Emitterwiderstand auf 1,54 V und der geplante Kollektorstrom vergrößert sich so geringfügig, dass sich keine nennenswerten Auswirkungen auf Verstärkung oder Klirrfaktor ergeben. Ohne diese Gegenkopplung könnte der Arbeitspunkt in den Sättigungsbereich kommen, wo sich beides drastisch ändert.

Diese erwünschte und notwendige Gleichstrom-Gegenkopplung verringert aber auch den Verstärkungsfaktor für Wechselspannung auf den sehr geringen Wert 4,7, der sich aus dem Quotienten von Kollektor- und Emitterwiderstand ergibt. Das lässt sich durch eine parallel geschaltete Reihenschaltung aus 100 Ω und 10 µF umgehen. Wenn die Impedanz des Kondensators ausreichend gering ist, errechnet sich die Verstärkung nun aus dem Quotienten von Kollektor- und dem bei Wechselspannung wirksamen Emitterwiderstand und steigt auf den Wert 47. Wenn man auf den 100 Ω-Widerstand verzichtet und den 10 µF-Kondensator unmittelbar vom Emitter nach Masse legt, steigt die Verstärkung aber nicht unbegrenzt, sondern auf etwa 200 - das ist durch interne Rückwirkungen im Transistor begrenzt. Dafür handelt man sich aber hörbare Verzerrungen ein, da die nichtlieare Kennlinie des Transistors nicht mehr durch Gegenkopplung „gerade gebogen“ wird.

[Bearbeiten] Kenngrößen analoger Verstärker

Die Leistung am Ausgang von Verstärkern reicht von wenigen µW in Hörgeräten bis zu mehreren hundert Kilowatt in Endstufen von amplitudenmodulierten Rundfunksendern auf Mittelwelle und Kurzwelle. Verstärker sind für eine bestimmte Lastimpedanz (4…8 Ohm bei Audioverstärkern) bzw. im Falle von Schaltverstärkern für einen maximalen Ausgangsstrom und eine maximale Ausgangsspannung spezifiziert.

Der Verstärkungsfaktor (kurz: die Verstärkung) gibt das Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsgröße (Spannung, Strom oder Leistung) an. Er wird durch einen Faktor oder logarithmisch (in Dezibel) angegeben.

[Bearbeiten] Störabstand

Störungen beim Verstärken von analogen Signalen sind das Rauschen (siehe auch: Signal-Rausch-Abstand) sowie Fremdspannungen, wie Reste der versorgenden Netzwechselspannung. Sie werden durch den Störabstand oder den Fremdspannungsabstand beschrieben und meistens in Dezibel in Bezug auf Vollaussteuerung des Verstärkers angegeben.

Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschreibt u. a. die Empfindlichkeit eines Verstärkers gegenüber externen elektromagnetischen Feldern (z. B. von Rundfunksendern, Schaltfunken oder Mobiltelefonen).

[Bearbeiten] Verzerrungen

Man unterscheidet lineare und nichtlineare Verzerrungen. Lineare Verzerrungen betreffen die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung sowie damit einhergehende Phasenwinkel-Abweichungen. Nichtlineare Verzerrungen betreffen ein nicht proportionales Verhältnis zwischen der Ein- und Ausgangsspannung (Klirrfaktor, mangelhafte Amplituden-Linearität). Sie führen auch zu Intermodulationsverzerrungen. Bei Klasse-D-Verstärkern treten zusätzlich auch Quantisierungsfehler auf. Außerdem können bei diesen entsprechend dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem auch Fehler auf Grund zu geringer Abtast- bzw. Arbeitsfrequenz auftreten (Aliasing, Sub-Harmonische).

Nichtlineare Verzerrungen treten bei Übersteuerung (Überschreiten der maximalen Amplitude der Ausgangsspannung) oder bei Klasse-B-Verstärkern durch die sogenannten Übernahmeverzerrungen auf. Diese entstehen durch nicht ausreichend schnelle Stromfluss-Übernahme der beiden abwechselnd leitenden Ausgangsstufen.

An Mess- und Audioverstärker werden besonders hohe Anforderungen an den Rausch- und Störabstand, die Stabilität und den Frequenzgang gestellt.

Bei Audioverstärkern muss nicht nur für einen großen Frequenzbereich, der den Hörbereich einschließen soll, für einen linearen Frequenzgang und für geringe Verzerrungen (Klirrfaktor) des Signals gesorgt werden, sondern es ist auch ein möglichst kleiner Innenwiderstand, eine kurze Anstiegszeit, Impulstreue und Kanaltrennung erforderlich. Das Thema Gehörrichtige Lautstärke wird bei Psychoakustik behandelt.

[Bearbeiten] Gegenkopplung

Unter Gegenkopplung versteht man die Rückführung eines Teiles des Ausgangssignales auf den Eingang des Verstärkers. Dabei ist die Phase des gegengekoppelten Signales zur Phase des Eingangssignals invertiert. Zweck der Gegenkopplung ist eine statische (Arbeitspunkt) und dynamische (Linearität, Frequenzgang) Linearisierung des Verhaltens des Verstärkers. Gleichzeitig wird die Verstärkung dadurch weitgehend unabhängig von Toleranzen der verwendeten aktiven Bauelemente. Die Linearisierung durch Gegenkopplung wird mit einer geringeren Verstärkung erkauft. Fast alle analogen Verstärker haben eine Gegenkopplung, um die Linearität zu verbessern. Bei mehreren Gegenkopplungszweigen innerhalb eines Verstärkers spricht man von verteilter Gegenkopplung.

Eine starke Gegenkopplung erfordert aufgrund der geringer werdenden Verstärkung eine höhere Anzahl von Verstärkerstufen. Aus diesem Grunde und aufgrund der Schwierigkeit, den Ausgangsübertrager in die Gegenkopplung einzubeziehen, wird in der Röhrentechnik traditionell nur eine geringe Gegenkopplung angewendet.

Die Halbleitertechnik mit ihren geringeren Abmessungen und Bauteilpreisen, sowie der Integrierbarkeit bietet die Möglichkeit, die Schleifenverstärkung (Verstärkung ohne Gegenkopplung) stark zu erhöhen und mit extrem hohen Gegenkopplungsfaktoren eine hohe Linearisierung zu erreichen. Eine Gegenkopplung kann jedoch unter Umständen den Frequenzbereich und das Zeitverhalten eines Verstärkers negativ beeinflussen:

Erreicht den Eingang des gegengekoppelten Verstärkers ein Impuls (einmaliger, ggf. steilflankiger Vorgang), so bedarf es einer bestimmten, u. a. durch die obere Grenzfrequenz des Signalweges bestimmten Zeit, bis das korrigierende Gegenkopplungs-Signal den Eingang erreicht. Während dieser Zeit hat die Gegenkopplung keine Wirkung, die Schleife ist „offen“. Dieses führt insbesondere bei hohen Gegenkopplungsfaktoren und unzureichendem Schaltungsdesign zu transienten Signalabweichungen (sog. „Überschwinger“ oder Einschwingverhalten), bis das Signal eingeschwungen ist (engl. „settling“). Diese Abweichungen sind umso größer, je näher der Verstärker an seiner Instabilitätsgrenze arbeitet. Diese liegt dort, wo die Phasenverschiebungen der gesamten Schleife (Verstärker + Gegenkopplung) so groß werden, dass es zur Selbsterregung kommt - die Gegenkopplung wird durch die Summe der Phasenverschiebungen zur Mitkopplung. Den Verzerrungen und Instabilitäten muss durch eine Frequenzkompensation begegnet werden, die die Verstärkung vor Erreichen der kritischen Frequenz auf unter Eins senkt. Da das Phasenverhalten auch durch die Last beeinflusst wird, sind Audioverstärker besonders betroffen, da die an ihnen betriebenen Lasten (Lautsprecherbox) einen stark frequenzabhängigen Impedanzverlauf haben.

Elektronenröhren- und Transistorverstärker unterscheiden sich sowohl im Verhältnis zwischen gerad- und ungeradzahligen Oberwellen (Verzerrungsspektrum) als auch in den transienten Verzerrungen.

Röhrenverstärker sind durch den weicheren Einsatz von Übersteuerungs-Verzerrungen (soft clipping) charakterisiert, haben jedoch Probleme aufgrund des gegenüber Transistorverstärkern höheren Ausgangswiderstandes, was zu einer schlechteren Impulstreue aufgrund der geringeren Dämpfung der Lautsprecher-Eigenresonanzen führt. Der Ausgangsübertrager führt aufgrund seiner Streuinduktivität auch zu einem nach oben begrenzten Frequenzgang.

Audio-Transistorverstärker weisen dagegen sehr viel unangenehmere Verzerrungen bei Übersteuerung auf und zeigen bei unzureichendem Design sogenannte Übernahmeverzerrungen, die durch Gegenkopplung nicht vollständig beseitigt werden können. Hier muss oft ein Kompromiss zwischen geringer Ruhestromaufnahme und geringen Übernahmeverzerrungen gefunden werden. Bei modernen integrierten Audio-Leistungsverstärkern spielt das Problem der Übernahmeverzerrungen nur noch eine untergeordnete Rolle, da die enthaltenen Transistoren inzwischen ausreichend schnell sind. Inzwischen ist es auch gelungen ein soft-clipping-Verhalten in Transistorverstärker zu implementieren, so dass keine objektiven Gründe mehr bestehen, auf Audio-Röhrenverstärker zurückzugreifen.

[Bearbeiten] Einsatzgebiete

Verstärker kommen in nahezu allen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik zum Einsatz.

Beispiele sind die Nachrichtentechnik, die Unterhaltungselektronik (Effektgeräte, elektronische Musikinstrumente, Synthesizer), Audioverstärker, Mikrofonverstärker), Messverstärker, Verstärker zur Ansteuerung von Aktoren (Motoren, Piezoelemente, Zugmagnete).

In Festplatten und Tonbandgeräten arbeiten Verstärker beim Lesen und Schreiben mittels Magnetkopf. In Glasfasernetzen und CD- und DVD-Spielern sind elektrische Verstärker zum Betrieb von Laserdioden und zur Verstärkung der Signale von Fotodioden erforderlich.

CD- und DVD-Laufwerke besitzen zusätzlich analoge Verstärker zum Betreiben der Galvanometer-Antriebe zur Positionsregelung des optischen Kopfes zum Lesen/Brennen.

In Mobiltelefonen, Radios, Satelliten und Rundfunksendern sind Hochfrequenzverstärker zum Senden und Empfangen von Funkwellen erforderlich.

Schaltverstärker arbeiten z. B. zum Betrieb der Signallampen und der Fensterheber in Kraftfahrzeugen oder auch in Stromstoßschaltungen und Tasterschaltungen. Sie treiben Zugmagnete und Magnetventile in Automatisierungsanlagen und Maschinen.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Technologien

• Transistorgrundschaltungen
• Transistorverstärker
• Röhrenverstärker
• Optischer Verstärker

[Bearbeiten] Grundschaltungen

• Differenzverstärker
• Leistungsverstärker
• Operationsverstärker
• Chopper-Verstärker
• Nullohmtechnik
• Knotenpunktverstärker

[Bearbeiten] Anwendungen

• Vorverstärker
• Linienverstärker
• Mikrofonverstärker
• Mikrofonvorverstärker
• Summenverstärker
• Gitarrenverstärker

[Bearbeiten] Weblinks

• Über das richtige Anpassen von Lautsprechern und Kopfhörern an Verstärker
• Verstärker und die dB-Rechnung
• Unterschiedliche Begriffe der Impedanzen bei Verstärkern und der Anpassung
• Microwave Amplifiers and Components - engl.
• Übersicht über die Verstärkungsarten Class-A, Class-B und Class-AB
• Erklärung zu Class-D Verstärkern mit Grafiken