Verstärker, Transistor Transistoren… schalten digital...

Verstärker, Transistor

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Transistoren…schalten digital,

verstärken analog.



Transistoren: Halbleiter als AlleskönnerHalbleiterelemente mit der Bezeichnung "Transistoren" bilden die Basis heutiger Elektronik, sei es Unterhaltung,Haushalt, Industrie oder Datenverarbeitung. Transistoren können schalten und verstärken.Bei den Halbleitergrundlagen lernten wir die Diode kennen. Sie war aus zwei dotierten Halbleiterzonenaufgebaut, die zusammen eine Sperrschicht bildeten.Ein Transistor wird nun aus drei solchen Zonen kombiniert und ergibt ein Element mit zwei Sperrschichten, alsozwei pn-Übergängen. Er hat nun auch drei Anschlüsse.Entsprechend den zwei möglichen Abfolgen der dotierten Zonen gibt es zwei Transistorgrundtypen:

Transistortyp Sperrschicht-anordnung

Bezeich-nungder An-schlüsse

Schaltzeichen Dioden-Analogie aufgrund derSperrschichten

NPN-Transistor

Kollektor (C)

Basis (B)

Emitter (E)

C

BE

PNP-Transistor

Emitter (E)

Basis (B)

Kollektor (C)

E

BC

Die beiden pn-Übergänge des Transistors können auch als Dioden funktionieren. Aber Achtung: Ein Transistorlässt sich nicht aus zwei Dioden nachbilden!

Arbeitsweise des TransistorsDas Funktionsprinzip des Transistors ist einfacher am Wassermodell erklärbarEin kleiner Basisstrom kann einen grossen Kollektorstrom beeinflussen, beide Ströme fliessen gegen denEmitter.Kein Basisstrom, Transistor sperrt Basisstrom vorhanden, Transistor leitet



Der Transistor hat zwei Sperrschichten. Für den Betrieb des Transistors musss man gemäss dem Wasserbildauch zwei Stromkreise betrachten.

Der Transistor muss so in einen Stromkreis eingebaut werden, dass der pn-Übergang Basis-Emitter inDurchlassrichtung, der pn-Übergang zwischen Basis und Kollektor in Sperrichtung betrieben wird.

Dies bedeutet, dass z.B. ein NPN-Transistor folgendermassen an Spannungsquellen (hier nur prinzipiell, alsoohne Vorwiderstände, Verbraucher) angeschlossen wird:

Über der Basis-Emitter-Strecke liegen die bekannten ca. 0.7 V (Durchlassrichtung).Über der gesperrten Strecke vom Kollektor zum Emitter können ab 2 bis 300 Volt liegen.• Wenn nur die Spannung UCE anliegt, so liegt sie über der oberen Sperrschicht in Sperrichtung; damit

kann auch kein Strom von C nach E fliessen; der „Kollektorkanal“ des Transistors sperrt.• Wenn vom Emitter her Elektronen gegen die Basis geleitet werden (Durchlassrichtung), entsteht in der sehr

dünnen Basisschicht ein "Gedränge" von Ladungsträgern. 99% der Elektronen dringen dabei so weit in dieSperrschicht Basis-Kollektor ein, dass sie nicht durch die Basis aufgenommen, sondern vom positivenPotential am Kollektor aufgesammelt werden. Man sagt, der Transistor leitet.Es fliessen deshalb zwei Ströme: ein kleiner Basisstrom und ein grosser Kollektorstrom.

Beispielschaltung, welche die Stromverstärkung zeigt:

Die "Sensor"-Taste:

In den 70er-Jahren des letzten Jahrhunderts kam die Mode auf,Drucktasten an Haushaltgeräten oder Stereoanlagen durchSensortasten zu ersetzen. Diese können eine Funktionauslösen, indem man mit dem Finger zwei Kontakte berührt.Bei Berührung wird ein kleiner Strom durch den Finger geleitetund erzeugt einen Basissstrom IB. bei einem Schalttransistor.Die Lampe kann so zum Leuchten gebracht werden.Mit dem relativ kleinen Basisstrom IB lässt sich ein viel grössererKollektorstrom IC (= Strom für die Lampe) steuern.Der "Fingerstrom" allein würde für die Lampe nicht ausreichen!

Man spricht beim Transistor von einerGleichstsromverstärkung. Definition:

Gleichstromverstärkung B = IC / IB

Die zugehörige Kennlinie (IC / IB) ist somitüber weite Teile linear:



Digitale Anwendung: Der Transistor als Schalter

Vor allem für jegliche Art digitaler Vorgänge (EIN/AUS) wird der Transistor als Schalter eingesetzt. Betrachtetman die Anzahl beteiligter Transistoren, so ist diese Aufgabe die verbreitetste (Prozessoren, Speicher).Allein jeder Microprozessor enthält meist Millionen von Transistoren.Weitere Anwendungen nebst der Computertechnik: Digitaltechnik allgemein, Steuer- und Regeltechnik.Beim Transistor als Schalter sind nur zwei Zustände wichtig:

Mögliche Zustände:

Einzelne Grössen:

Transistor sperrt vollständigDie Kollektor-Emitter-Verbindunglässt keinen Strom durch.

Transistor leitet vollständigDie Kollektor-Emitter-Verbindungist durchgeschaltet und leitet.

Basisstrom IB 0 100uA bis 1mA nötig(Grössenordnung)

Basis-Emitter-Spannung UBE 0 ca. 0.9V (etwas mehr als 0,7V)Kollektor-Emitter-SpannungUCE

= Versorgungsspannung, da keinStromfluss

ca 0.2 Vkleiner als bei der Diode!

Widerstand Kollektor-Emitter RCE 100MΩ einige wenige OhmKollektorstrom IC 0 I=(Versorgungsspannung / RCE)

z.B. 100mA

Bei höherem Basisstrom kommt der Transistor in dieSättigung, der Kollektorstrom kann nicht mehrzunehmen (mehr als „ganz leiten“ kann der Transistornicht). Bei der Schalterfunktion bewegt sich derTransistor vor allem bei den eingekreisten Stellen derKennline, also entweder• ganz beim Nullpunkt (Transistor sperrt) oder• am rechten oberen Ende (Transistor leitet)

⇒ Der Weg dazwischen muss hier nicht linear sein,entscheidend ist nur, wie schnell der Transistor inden andern Zustand wechseln kann!

Prinzip des Transistorschalters

Schalter offen

RCE z.B. 100MΩ

Transistor Schalter

R unendlich

Schalter geschlossen

RCE z.B. 5Ω

Transistor Schalter

R z.B. 10mΩIB = 0 IB > 0

Beispiele für Ansteuerung und Prinzipschaltung einer Transistorschaltstufe:

1) Direktes Schalten einer Last (Ein- und Ausschalten einer Lampe via Parallelport eines PCs)

Im Kollektorstromkreis hängt eine Last, einVerbraucher, z.B. eine Lampe.Mit dem Basisstrom kann die Lampeeingeschaltet werden.Der geschaltete Strom kann dabei eben vielgrösser sein als der Steuerstrom auf der Basis.Mit dem Basisvorwiderstand wird verhindert,dass ein zu grosser Basisstrom fliessen kann(Dioden-Verhalten der Basis-Emitter-Strecke!)



2) Realisierung einer wichtigen Logikschaltung: Der Inverter = die digitale NOT-Funktion

Hier sind 2 Darstellungsarten der gleichen Schaltung:

Diese Transistor-Schaltstufe arbeitet als Inverter (NOT-Funktion) zwischen der Eingangsspannung UE und derAusgangsspannung UA.

NOT-Funktion (Inversion, Umkehrung) bedeutet:UE=0 -> UA=1UE=1 -> UA=0

Wenn kein Basissstrom fliesst (Ue=0), so sperrt derTransistor. Es fliesst auch kein Kollektorstrom, U über R1ist null, somt muss UA die volle Versorgungsspannungführen (hier 5V), was einer logischen 1 entspricht.

Wenn ein genügender Basisstrom fliesst (UE=1), so leitetder Transistor, Ic fliesst, U über R1 steigt, Ua fällt praktischauf null.

Achtung: das Verhalten dieser Spannungen Ue und Uaentspricht nicht der „Denklogik“ mit dem Basis- undKollektorstrom! Bei den Spannungen, wenn man sie ebenwie eingezeichnet appliziert bzw. auswertet, ist dasVerhalten invers. Dies weil der Transistor kein linearesElement ist (eben wie ein Schalter auch).

Mit der unteren Schaltung kann das invertierendeVerhalten mittel LEDs angezeigt werden.

3) Anwendung als Dämmerungsschalter:• abgeleitet aus Grundschaltung:

• verbessert: Inversionseffekt durchPositionswechsel des Fotowiderstands:

4) Realisierung der NAND-Funktion:



Beispiel einer Anwendung zweier Transistoren als Schalter:

Grundschaltung eines statischen Speichers für 1 Bit (SRAM)

Diese Schaltung kann man durch gegenseitige Kopplung von zwei Schaltstufen bauen.Sie hat zwei Eingänge, zwei Ausgänge und kennt zwei stabile, bleibende Zustände (bistabil):

Zustand 1 Zustand 2T1 leitet T1 sperrtT2 gesperrt T2 leitetAusgang A2 aktiv (HIGH) Ausgang A1 aktiv (HIGH)

Andere Bezeichnungen:• Bistabile Kippstufe• Flip-Flop

Speicherfunktion:Annahme: Beim Einschalten derVersorgungsspannung sei T1 sperrend, T2 leitend.Damit ist A1=12V und A2=0V.

Nun kommt ein positiver Impuls auf E2 (12V aufE2, die beiden Anschlüsse mit einer Tasteverbinden). Die Basis von T1 wird damitangesteuert, T1 beginnt zu leiten, womit dieSpannung an A1 sinkt und damit auch dieSpannung an der Basis von T2. T2 geht in denSperrzustand. Damit steigt die Spannung an A2,und dies unterstützt den Impuls, der auf E2 wirkte.Die Schaltung kippt somit in einen andern ZustandSomit ist nun A1=0V und A2=12V.

Die Schaltung bleibt in diesem "eingeschnappten"Zustand, auch wenn der Impuls an E2 schon langeweg ist. Die Schaltung speichert so denentsprechenden Impuls.

Durch einen Impuls auf E1 kann der Vorgangumgedreht werden.Durch die Rückführung der Information vomAusgang über den horizontalen Widerstand aufden Eingang bleibt jeweils der letzte Zustandgespeichert, bis er umprogrammiert wird.

Anwendungen des Flipflops:

• Ein-/Ausschalten von Apparaten oder Prozessen durch einen Impuls (z.B. Tastendruck)

• Digitaltechnik: Entprellen von Signalen von mechanischen Tasten und Schaltern

• SRAM (statisches RAM, Speicherzelle für einen digitalen Zustand, ein Bit)



Analoge Anwendung: Der Transistor als Verstärker

Damit ein Verstärker keine Verzerrungen des Signals produziert, ist eswichtig, dass er linear arbeitet: Eingang und Ausgang müssen stetsproportional sein.Für den zur Verstärkung verwendeten Transistor heisst das, dass er ineinem eher kleinen und möglichst linearen Bereich der Kennliniebetrieben werden muss.Bezüglich Ic zum Beispiel +/- 15mA um die 40mA-Marke herum.

(Zuvor beim Transistor als Schalter befanden wir uns entweder bei null oder amEnde dieser Kennlinie (Sättigung).

Die häufigste Anwendung als Verstärker ist die Verstärkung von Wechselspannungs- oderWechselstromsignalen (z.B. Musik, Audiosignale, Funksignale).Das heisst, man verstärkt nicht den Strom selber (Gleichstromverstärkung), sondern eine Schwankung desBasisstroms in eine viel stärkere Schwankung des Kollektorstroms.

Zum folgenden Schema:Da ein Signal positiv und negativ ausgelenkt wird (Sinus), muss die „Klappe“ in der Mitte in Ruhelage sein, undsich je nach Anregung etwas mehr öffnen oder schliessen können. Dadurch entsteht aus einer kleinen Welleam Eingang eine grosse (verstärkte) Welle am Ausgang (Kollektor).

Die einfachste Form ist links zu sehen:• Lastkreis aus 12V, 2K-Widerstand

und Transistor• über den 4.7K-Widerstand wird etwas

Basisstrom zugeführt• die Kondensatoren dienen zum Ein-

und Auskoppeln der Wechselströme,sie lassen nur Signale durch undkeinen Gleichstrom.

Rechts wurde folgendes geändert oder ergänzt:• die Basis wird mit einem Spannungsteiler aus zwei

Widerständen auf einen idealen Basis-Ruhe-Strom eingestellt,das ist etwas stabiler.

• Am Eingang wird eine Signalquelle angeschlossen.• Am Ausgang ein Lautsprecher• Durch den Kondensator am Ausgang bekommt der

Lautsprecher nicht dauernd, sondern nur dann Strom, wennsich etwas ändert, also eine Welle, ein Signal kommt

Dem Gleichstrom im Kollektorkreis wird nun das zu verstärkende Signal (=Wechselstrom) überlagert. Dadurchpendelt die Grösse des Basisstroms um ihren zuvor eingestellten Mittelwert. Auch der Kollektorstrom sowie dieSpannung am Ausgang pendeln ebenfalls um den zuvor festgelegten Mittelwert. Das Signal wird verstärkt.

Die meisten Transistorverstärker sind mehrstufig. Dennum Verzerrungen zu vermeiden, wird jeder Transistornur in einem kleinen Bereich seines linearen Bereichsbetrieben. Und um dennoch die gewünschteVerstärkung zu erzielen, muss man halt mehrere Stufenhintereinander schalten.

Wenn die Verstärkung nicht linear wäre, würdeein Sinussignal nicht mehr in ein sauberesSinussignal verstärkt. Für einen Klang bedeutetdies, dass er verzerrt wird.



Signalverstärker (Musik, Sprache, Daten)Ein Verstärker hat grundsätzlich die Aufgabe, schwache Signale so weit zu verstärken, dass sie dengewünschten Zweck erfüllen. Ein Signal transportiert primär Information, meist auch etwas Energie.Das Signal geht beim Eingang des Verstärkers hinein, und kommt beim Ausgang verstärkt heraus.

Symbol im Blockschaltbildmit den Signalanschlüssen

Symbol im elektrischen Zusammenhang, mit je zwei Eingangs- undAusgangsanschlüssen für Eingangs- und Ausgangsspannung.

Die Spitze des Dreiecks zeigt in die Signalflussrichtung, und hat nichts mit klein/gross oderstark/schwach zu tun! Elektrische Verstärker sind elektronische Baugruppen, die man einfach als Blackboxdarstellt. Interessant sind primär Eingang und Ausgang. Das Innenleben hat kaum Bedeutung.Beispiele:Allgemein Technik PC / Telekommunikation

• Geschmacks-verstärker

• Waschkraft-verstärker

• Kraftverstärker (z.B.Hebel, Flaschenzug)

• Drehmomentverstärker(Getriebe)

• Lichtverstärker(Kameras)

• HiFi-Verstärker fürAudiosignale

• Antennenverstärker für Radio- undFernsehsignale

• Audioverstärker auf Soundkarte• Signalverstärker auf Netzwerkkarte• Repeater bei Datenübertragung über lange

Strecken• Hardwaretreiber für Schnittstellensignale• Servoverstärker für Harddisk- oder CD-Antriebe

Ein Signal besteht aus Energie und Information. Ein Verstärker darf die Information darin nicht verändern,erhöht aber den Energiegehalt des Signals. Dazu muss Hilfsenergie zugeführt werden.

(Skizze)

Die Energie des verstärkten Signals kommt also aus der Hilfsenergiequelle, die Information vomursprünglichen Signal. Der Verstärker mischt Information und Energie. Meist zeichnet man nur denSignalfluss, die Hilfsenergie und Verluste nicht. Verluste bedeuten fast ausschiesslich Wärmeabgabe.

Das Mikrofon links erzeugt aus Schallwellenschwache elektrische Signale. Wenn mandamit den Lautsprecher rechts ansteuernwill, muss das Signal verstärkt werden.

Ub ist die Batteriespannung, die Hilfsenergiedes Verstärkers

Unten ist die "neutrale" Darstellung:Elektrisch gesehen ist das Mikrofon derErzeuger oder Generator des Signals, dasSignal geht in den Verstärker, und vomVerstärker auf den Lautsprecher, der alsVerbraucher (Lastwiderstand) erscheint.



Kenngrössen von Verstärkern (Auswahl)

Kurzüberblick:

Kenngrösse Bedeutung Einheit BeispielAusgangsleistung Power, “Lautstärke” Watt 2 x 20 W (stereo)Verstärkung Faktor ohne Einheit, Verhältnis von

Ausgangsgrösse zu EingangsgrösseKeine oder“deziBel”

Faktor 2000 oder90dB

Empfindlichkeit Nötige Eingangsspannung für bestimmteAusgangsleistung

mV 5 mV

Klirrfaktor(Scherbeln)

Anteil von unerwünschten Oberwellen einesGrundtons; sollte möglichst gering sein

% 0,5%

Frequenzgang Gibt an, welche Tonhöhe (Frequenz) wie gutübertragen wird

Grafik,Kurve

Rauschabstand Lautstärke-Unterschied zwischen demNutzsignal und dem störenden Rauschen

dB 60dB

Am meisten interessiert die Verstärkung.Meist betrachtet man die Spannungsverstärkung VU oder die Leistungsverstärkung VP.

Als Verstärkungsfaktor V bezeichnet man das Verhältnis einer Ausgangsgrösse zu ihrer Eingangsgrösse.V = A / E Beispiel für Leistungsverstärkung: V = 100W / 50mW = 2000 (ohne Einheit!!!)

Verstärkung und Dämpfung: Gegensätze und doch Hand in Hand

Verstärker sind auch deshalb notwendig, weil Signale auf ihrem Übertragungsweg gedämpft werden, alsoan Stärke, an Energie verlieren, was die Reichweite begrenzt. Dämpfung geschieht sowohl in Leitungen(Kabeln, Lichtleitern) wie auch in Funknetzen. Bei der Konzipierung einer Signalübertragung sind alleDämpfungen (und Verstärkungen) im Pfad zu berücksichtigen. Definitionen:

Verstärkung DämpfungWird ein Signal durch eine Vorrichtung stärker, sospricht man von Verstärkung (aktiver Vierpol).Aktive Elemente (Verstärker) benötigen eineHilfsenergie (Stromversorgung, Betriebsspannung),welche die nötige Leistung beisteuert.

Wird ein Signal kleiner, so bezeichnet man dies alsDämpfung. Dämpfung wird bei jedemSignaldurchgang durch jedes Medium ohneHilfenergie (passive Vierpole) hervorgerufen. Manspricht häufig von sogenannten Dämpfungsgliedern.Zum Beispiel Kabel, Leitungen oder Filter.

Verstärkungen und Dämpfungen sind Verhältnisse, die als normale Faktoren angegeben werden können.

Verstärkungsfaktor V Dämpfungsfaktor DBei Verstärkern will man Verstärkungsfaktorengrösser als 1, deshalb ist V das Verhältnis vonAusgangsgrösse zu Eingangsgrösse

EAV =

Da man Dämpfungsfaktoren auch als Zahlen > 1angeben will, wird D als Verhältnis vonEingangsgrösse zu Ausgangsgrösse definiert.

AED =

Der Verstärkungsfaktor ist derKehrwert des Dämpfungsfaktors

Der Dämpfungsfaktor ist derKehrwert des Verstärkungsfaktors

Ein Verstärkungsfaktor von 4 ist das Gleiche wieein Dämpfungsfaktor von 0.25

Ein Dämpfungsfaktor von 2 ist das Gleiche wieein Verstärkungsfaktor von 0.5

Ein Verstärkungsfaktor < 1 ist eine Dämpfung Ein Dämpfungsfaktor < 1 ist eine Verstärkung



Angaben in Dezibel: Sie heissen Dämpfungsmass a (bzw. Verstärkungsmass g)

Verstärkungen und Dämpfungen sind einheitenlose Verhältnisse, also Faktoren. Solche Verhältnisse werdenoft in der Pseudo-"Einheit" Dezibel angegeben. Dazu werden die Verhältnisse logarithmiert dargestellt, welcheman dann in Dezibel angibt. Bei der Dämpfung spricht man dann vom Dämpfungsmass (nicht mehr vonDämpfungsfaktor). -> Siehe farbiges Spezialblatt dazu!

Definitionen von "Dezibel" am Beispiel der Dämpfung:

Falls man ein Verhältnis von Leistungen bildet, ist dasDämpfungsmass A definiert als:

Pin ist die Eingangsleistung, Pout die Ausgangsleistung.Der Wert von A wird dann in Dezibel (dB) angegeben.

⋅=PoutPina lg10

Beispiel/Faustregel:Ein Leistungsverhältnis von 2:1 ergibt einDämpfungsmass von 3dB

Falls man ein Verhältnis von Spannungen bildet, ist dasDämpfungsmass A definiert als:

Uin ist die Eingangsspannung, Uout die Ausgangsspannung.Der Wert von A wird in Dezibel (dB) angegeben.

⋅=UoutUina lg20

Beispiel/Faustregel:Ein Spannungsverhältnis von 2:1 ergibt einDämpfungsmass von 6dB

Im Zähler ist immer das stärkere Signal, dann gibt es positive dB-Werte!Bei Verstärkungen ist also Uout im Zähler!

Umrechnungstabelle, Ueberblick hier anhand der Dämpfungen:

Dämpfungsfaktor (Wert in der Klammer der Formel)(Verhältnis Volt zu Volt oder Watt zu Watt):

Leistungs-dämpfungmass

Spannungs-dämpfungsmass

um Faktor 16 12 dB 24 dBum Faktor 8 9 dB 18 dBum Faktor 4 6 dB 12 dBum Faktor 2 (Halbierung, Ausgang = 1/2xEingang) 3 dB 6 dBum Faktor √2 1,5 dB 3 dB Faktor 1, keine Dämpfung, keine Verstärkung 0 dB 0 dBum Faktor 10 10 dB 20 dBum Faktor 100 20 dB 40 dBum Faktor 1000 30 dB 60 dBum Faktor 1/1000 (=Verstärkung um Faktor 1000) -30 dB -60 dBum Faktor 1/100 (=Verstärkung um Faktor 100) -20 dB -40 dBum Faktor 1/10 (=Verstärkung um Faktor 10) -10 dB -20 dBum Faktor 1/2 (=Verstärkung um Faktor 2) -3 dB -6 dBum Faktor 0.707 (=Verstärkung um Faktor √2) -1.5 dB -3 dB

Gegenüberstellung:

Dämpfungsmass A Verstärkungsmass GDämpfungsmasse sind Zahlen > 0, sie entstehenaus Verhältnissen vonEingangsgrösse zu Ausgangsgrösse.

Ein Verstärkungsmass ist eine Zahl > 0, es entstehtaus Verhältnissen vonAusgangsgrösse zu Eingangsgrösse.

Das Dämpfungsmass in dB ist dernegative Wert des Verstärkungsmasses

Das Verstärkungsmass in dB ist dernegative Wert des Dämpfungsmasses

Ein Dämpfungsmass von 3dB ist das Gleiche wieein Verstärkungsmass von -3dB

Ein Verstärkungsmass von 6dB ist das Gleiche wieein Dämpfungsmass von -6dB

Ein negatives Dämpfungsmass ist eine Verstärkung-A = G

Ein negatives Verstärkungsmass isteine Dämpfung-G = A



Wenn mehrere dämpfende (oder verstärkende) Elemente aufeinander folgen, so können dieeinzelnen Dämpfungs- und Verstärkungsmasse in dB einfach zusammengezählt werden!

Agesamt = A1 + A2 + A3 + ...Wenn die dämpfenden Elemente positive dB-Werte sind, so müssen die Verstärkungen als negative dB-

Werte erscheinen. (Würde man die Faktoren nehmen, müste man sie multiplizieren)

Beispiel für die Gesamtverstärkung oder Dämpfung einer Übertragungsstrecke (Skizze):

Klangregler / Equalizer: Beispiele für dB-Skalen aus dem Audio-Bereich

Der simple Klangregler mit zweiKnöpfen für „Treble“ und „Bass“kann die Hoch- und Tieftonbereicheverstärken oder dämpfen.

Die entsprechenden, möglichenFrequenzgänge sindlinks abgebildet.Rechts die Frequenzgänge eines 9-Band-Equalizers

EqualizerMit sogenannten Equalizern (hardware- odersoftwaremässig) können einzelne Frequenzbereichedes hörbaren Bereichs verstärkt oder abgeschwächtwerden.Man sieht die Frequenzbereiche sowie positive undnegative dB-Bereiche. Dabei wird der Wert einheitlichals Verstärkung definiert gemäss:

⋅=UinUouta lg20 (Uout im Zähler!)

Verstärkung, Anhebung eines Bereichs falls:Uout > Uin, ergibt positive dB-Werte.

Dämpfung (="negative" Verstärkung) falls:Uout < Uin, ergibt negative dB-Werte.

Bei diesem Regler für einen Aufnahmepegelbei einem Tonbandgerät ist rechts der Pegel amlautesten, links am leisesten, nämlich null.

Die Skala ist aber "verkehrt" angeschrieben, dieZahlen werden nämlich nach rechts kleiner (stattgrösser=lauter).Oben steht aber Level: "-dB".Dies bedeutet, dass hier eine Dämpfung (bzw. einedB-mässig negative Verstärkung)gemeint ist.Verstärkung ist bekanntlich definiert als:

⋅=UinUouta lg20

Ganz rechts ist 0 dB, das Signal wird ungedämpftaufgenommen, mit 100% der Ursprungslautstärke,Uout/Uin=1, der Log. von 1 ist 0.In der Mitte ist -18dB, also eine Dämpfung um 3x6dB,dies wäre spannungsmässig noch 1/8 (1/2^3) oder12.5%.Ganz links ist der Regler zugedreht, Uout=0. Der Log.von 0 ist "minus unendlich".



Weitere Kenngrössen von Verstärkern

FrequenzgangEin idealer Verstärker sollte theoretisch alleFrequenzen (im Audiobereich: Tonhöhen) von 0Hzbis ∞Hz mit gleich grossem Verstärkungsfaktorverstärken. Wegen der in den Schaltungenenthaltenen Kondensatoren und weiterenBauteilen, die als frequenzabhängige Widerständewirken, ist dies in der Realität nie möglich.Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung bzw. desVerstärkungsfaktors von der Frequenz bezeichnetman als Frequenzgang (oder Übertragungskurve)des Verstärkers.Rein theoretischer, ideal flacher Frequenzgang (flat):

Bei der grafischen Darstellung wird die Frequenzmeist im logarithmischen Massstab aufgetragen.Realer Frequenzgang eines Verstärkers:

Eine 3-Weg-Lautsprecherbox muss ebenfalls dasganze Frequenzband abdecken, Beispiel:

BandbreiteDie Bandbreite ist der sinnvoll nutzbareFrequenzbereich eines Verstärkers.Man kann sie aus dem Frequenzgang ablesen, dertypischerweise so aussieht:

Bild für die Definition der Bandbreite

Am Anfang und am Ende sackt die Verstärkung ab,zu weit ausserhalb des „Buckels“ ist der Verstärkernicht brauchbar.Definition der Bandbreite:Dort, wo die Ausgangsspannung noch 70,7% desHöchstwertes erreicht (oder Faktor 1/√2 oder 3dBunter dem Höchstwert), legt man die untere bzw.obere Grenzfrequenz fest.

Die Differenz zwischen oberer und untererGrenzfrequenz bezeichnet man als

Bandbreite B des Verstärkers(oder einer Übertragungsstrecke).

Die Bandbreite sollte möglichst gross sein.

Die untere Grenzfrequenz spielt meist keine Rolle,weil tiefere Frequenzen physikalisch einfacher zuübertragen sind.Vor allem in der Datentechnik wird Bandbreite oftmit der oberen Grenzfrequenz gleichgesetzt und istein Mass für die Übertragungskapazität einerLeitung oder Verbindung. Höhere Frequenzbedeutet mehr Datenvolumen pro Zeitabschnitt.



Der Spektrum-AnalyzerEin Spektrum-Analyzer kann Teil seineines Verstärkers oder einerSoftware zur Sound-Bearbeitung. Eranalysiert das Frequenzspektrum, erzeigt in real time an, wie „laut“ jedesFrequenzband ist.

Einheiten wie dB, Phon, Sone, Loudness-Taste

All dies gehört ins physikalische Spezialgebiet der Akustik, ein sehrweitläufiges und interessantes Gebiet. Die Einheit „sone“ (englischausgesprochen) bezeichnet die emfundene Lautheit eines Tons. Siehängt zusammen mit den Kurven gleich empfundenerLautstärkepegel:

Näheres unter anderm bei Wikipedia oder in Hi-Fi-Forums.http://de.wikipedia.org/wiki/SoneDie Loudnesstaste gleicht den Frequenzgang des Verstärkersdem Ohr an. http://de.wikipedia.org/wiki/Loudness

Klirrfaktor

Wird nur in der Audiotechnik verwendet und gibt an, wie stark ein reiner Ton „scherbelt“, das heisst, wieschlecht ein Ton durch technisch entstehende Oberwellen verfälscht wird. Er wird in Prozent angegebenund sollte möglichst klein sein. Mehr z.B. unter http://de.wikipedia.org/wiki/Klirrfaktor

Soft-ClippingDer Klirrfaktor nimmt extrem zu, wenn der Verstärker übersteuert wird. Z.B. wenn ein bereits zu lautesSignal auf den Eingang wirkt. Im Verstärker wird dabei das Signal oben und unten begrenzt,abgeschnitten, der Fachbegriff heisst Clipping. Softclipping ist eine Technik zur Abrundung von eckigenAbschneidungen, so klirrt es etwas weniger.



Verzerrungen und ihre Folgen:

Lineare Verzerrungen sind ungleiche Übertragungseigenschaften bei verschiedenen Frequenzen (alsoeigentlich der Frequenzgang eines Systems). Die Form eines Sinus-Tons wird dabei nicht verändert, nurdessen Amplitude (Lautstärke). Die Verfälschung eines Originalsignals entsteht erst dann, wenn mehrereTeilschwingungen gleichzeitig übertragen werden. Meist heissen diese VerzerrungenDämpfungsverzerrungen.

Folge von Dämpfungsverzerrungen: Verformung von Signalen, anderer Klang bei Tonsignalen:

Dämpfungsverzerrungen von digitalen Impulsen:zu schnelle Impulse (wie der Impuls links) kommen nicht mehr durch:

Nichtlineare Verzerrung entstehen beispielweise, wenn ein nicht-linearer Transistor verwendet wird.Dabei entstehen zusätzliche Töne (Oberwellen); dieses Verhalten wird mit dem Klirrfaktor bemessen. Eskann auch gewollt sein, z.B bei Verzerrern für Gitarren.



Simulation eines Verstärkers mit Edison Schaltungsanalysator

Ausgehend vom einfachen Verstärker…

…ersetzen wir den Ausgang durch einen Lastwiderstand:Erstellen Sie diese Schaltung mit Edison

Um die Sache zu vervollständigen, ergänzen Sie• Uin als Signalquelle

• 12V-Quelle als Versorgungsspannung• Das Oszilloskop OSC1 als Messgerät für die Kurvendarstellung:

• Editieren Sie die Signalquelle, Sinus 1mV,OSC misst Eingang und Ausgang gleichzeitig (Ausgang ist viel grösser, wenn möglich Skala anpassen)

• Testen Sie die Schaltung jeweils mit dem Menubefehl Analyse -> Transientenanalyse• Verändern Sie die Eingangsspannung (grösser, kleiner)• Verändern Sie andere Werte, z.B. die andern Widerstände oder die 12V-Quelle• Suchen Sie Wertekombinationen, welche ein möglichst „schönes“ Ausgangssignal ergeben

= guter, verzerrungsfreier Verstärker

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