Memahami Sirkuit Amplifier

Secara umum, penguat dapat didefinisikan sebagai rangkaian yang dirancang untuk meningkatkan sinyal input daya rendah yang diterapkan menjadi sinyal output daya tinggi, sesuai dengan peringkat komponen yang ditentukan.

Meskipun, fungsi dasarnya tetap sama, amplifier dapat diklasifikasikan ke dalam kategori yang berbeda tergantung pada desain dan konfigurasinya.

Sirkuit untuk Memperkuat Input Logika

Anda mungkin telah menemukan penguat transistor tunggal yang dikonfigurasi untuk beroperasi dan memperkuat logika sinyal rendah dari perangkat penginderaan input seperti LDR, fotodioda , Perangkat IR. Output dari amplifier ini kemudian digunakan untuk switching a flip flop atau relai ON / OFF sebagai respons terhadap sinyal dari perangkat sensor.

Anda mungkin juga pernah melihat amplifier kecil yang digunakan untuk memperkuat input musik atau audio, atau untuk mengoperasikan lampu LED.
Semua ini amplifier kecil dikategorikan sebagai penguat sinyal kecil.

Jenis Amplifier

Terutama, rangkaian penguat digabungkan untuk memperkuat frekuensi musik sehingga input musik kecil yang diumpankan diperkuat menjadi banyak lipatan, biasanya 100 kali hingga 1000 kali dan direproduksi melalui pengeras suara.

Bergantung pada watt atau peringkat daya mereka, rangkaian tersebut mungkin memiliki desain mulai dari penguat sinyal kecil berbasis opamp kecil hingga penguat sinyal besar yang juga disebut penguat daya. Penguat ini secara teknis diklasifikasikan berdasarkan prinsip kerja, tahapan rangkaian, dan cara kerja mereka. yang mungkin dikonfigurasi untuk memproses fungsi amplifikasi.

Tabel berikut memberi kami detail klasifikasi amplifier berdasarkan spesifikasi teknis dan prinsip operasinya:

Dalam desain penguat dasar kami menemukan bahwa sebagian besar mencakup beberapa tahapan yang memiliki jaringan transistor bipolar atau BJT, transistor efek medan (FET), atau penguat operasional.

Blok atau modul penguat semacam itu dapat dilihat memiliki beberapa terminal untuk memberi makan sinyal input, dan sepasang terminal lain pada output untuk memperoleh sinyal yang diperkuat melalui loudspeaker yang terhubung.

Salah satu terminal dari keduanya adalah terminal arde dan dapat dilihat sebagai garis yang sama di seluruh tahap input dan output.

Tiga Properti Amplifier

Tiga sifat penting yang harus dimiliki penguat ideal adalah:

• Resistensi Input (Rin)
• Resistensi Output (Rout)
• Gain (A) yang merupakan rentang amplifikasi penguat.

Memahami Kerja Amplifier yang Ideal

Perbedaan sinyal yang diperkuat antara output dan input disebut sebagai penguatan penguat. Ini adalah besarnya atau jumlah dimana penguat mampu memperkuat sinyal input melalui terminal outputnya.

Ambil contoh, jika penguat diberi peringkat untuk memproses sinyal input 1 volt menjadi sinyal yang diperkuat 50 volt, maka kita akan mengatakan bahwa penguat memiliki gain 50, sesederhana itu.
Peningkatan sinyal input rendah ke sinyal output yang lebih tinggi disebut mendapatkan dari sebuah penguat. Sebagai alternatif, ini dapat dipahami sebagai peningkatan sinyal input dengan faktor 50.

Rasio Keuntungan Dengan demikian, penguatan penguat pada dasarnya adalah rasio keluaran dan nilai masukan dari level sinyal, atau hanya daya keluaran dibagi dengan daya masukan, dan dikaitkan dengan huruf 'A' yang juga menandakan daya amplifikasi penguat.

Jenis Keuntungan Amplifier Berbagai jenis penguatan penguat dapat diklasifikasikan sebagai:

1. Penguatan Tegangan (Nonaktif)
2. Keuntungan Saat Ini (Ai)
3. Penguatan Daya (Ap)

Contoh Rumus untuk Menghitung Keuntungan Amplifier Bergantung pada 3 jenis keuntungan di atas, rumus untuk menghitungnya dapat dipelajari dari contoh berikut:

1. Gain Tegangan (Av) = Tegangan Output / Tegangan Input = Vout / Vin
2. Penguatan Arus (Ai) = Arus Output / Arus Input = Iout / Iin
3. Penguatan Daya (Ap) = Av.x.A saya

Untuk menghitung penguatan daya, Anda juga dapat menggunakan rumus:
Power Gain (Ap) = Daya Output / Daya Input = Aout / Ain

Penting untuk dicatat bahwa subskrip p, v, i digunakan untuk menghitung daya yang ditetapkan untuk mengidentifikasi jenis penguatan sinyal tertentu yang sedang dikerjakan.

Mengekspresikan Desibel

Anda akan menemukan metode lain untuk menyatakan penguatan daya sebuah penguat, yaitu dalam Desibel atau (dB).
Besaran atau besaran Bel (B) adalah satuan logaritmik (Basis 10) yang tidak memiliki satuan ukur.
Namun sebuah Desibel bisa menjadi unit yang terlalu besar untuk penggunaan praktis, oleh karena itu kami menggunakan versi desibel yang lebih rendah (dB) untuk perhitungan penguat.
Berikut adalah beberapa rumus yang dapat digunakan untuk mengukur penguatan amplifier dalam desibel:

1. Penguatan Tegangan dalam dB: off = 20 * log (Off)
2. Keuntungan Saat Ini dalam dB: ai = 20 * log (Ai)
3. Penguatan Daya dalam dB: ap = 10 * log (Ap)

Beberapa Fakta tentang Pengukuran dB
Penting untuk dicatat bahwa penguatan daya DC penguat adalah 10 kali log umum dari rasio output / inputnya, sedangkan keuntungan arus dan tegangan adalah 20 kali log umum rasio mereka.

Ini menyiratkan bahwa karena skala log terlibat, keuntungan 20dB tidak dapat dianggap sebagai dua kali 10dB, karena karakteristik pengukuran non-linier dari skala log.

Ketika penguatan diukur dalam dB, nilai positif menandakan penguatan penguat sementara nilai dB negatif menunjukkan hilangnya penguatan penguat.

Misalnya jika penguatan + 3dB diidentifikasi, ini menunjukkan penguatan 2 kali lipat atau x2 dari output penguat tertentu.

Sebaliknya, jika hasilnya -3dB, menunjukkan bahwa penguat mengalami kerugian sebesar 50% atau ukuran kerugian x0,5 dalam penguatannya. Ini juga disebut sebagai titik setengah daya yang berarti -3dB lebih rendah dari daya maksimum yang dapat dicapai, sehubungan dengan 0dB yang merupakan kemungkinan keluaran maksimum dari penguat

Menghitung Amplifier

Hitung tegangan, arus dan penguatan daya suatu penguat dengan spesifikasi sebagai berikut: Sinyal input = 10mV @ 1mA Sinyal Output = 1V @ 10mA. Selain itu cari tahu penguatan penguat menggunakan nilai desibel (dB).

Larutan:

Menerapkan rumus yang dipelajari di atas, kita dapat mengevaluasi berbagai jenis keuntungan yang terkait dengan penguat sesuai spesifikasi keluaran input di tangan:

Gain Tegangan (Av) = Tegangan Output / Tegangan Input = Vout / Vin = 1 / 0,01 = 100
Penguatan Arus (Ai) = Arus Output / Arus Input = Iout / Iin = 10/1 = 10
Penguatan Daya (Ap) = Av. x A saya = 100 x 10 = 1000

Untuk mendapatkan hasil dalam Desibel, kami menerapkan rumus yang sesuai seperti yang diberikan di bawah ini:

av = 20logAv = 20log100 = 40dB ai = 20logAi = 20log10 = 20dB

ap = 10log Ap = 10log1000 = 30dB

Subbagian Amplifier

Penguat Sinyal Kecil: Sehubungan dengan spesifikasi penguatan daya dan tegangan dari sebuah amplifier, menjadi mungkin bagi kami untuk membaginya menjadi beberapa kategori yang berbeda.

Jenis pertama disebut sebagai penguat sinyal kecil. Penguat sinyal kecil ini umumnya digunakan dalam tahap preamplifier, amp instrumentasi, dll.

Jenis amplifier ini dibuat untuk menangani level sinyal menit pada inputnya, dalam kisaran beberapa mikro volt, seperti dari perangkat sensor atau input sinyal audio kecil.

Penguat Sinyal Besar: Jenis penguat kedua dinamai sebagai penguat sinyal besar, dan seperti namanya, ini digunakan dalam aplikasi penguat daya untuk mencapai rentang amplifikasi yang besar. Dalam amplifier ini, sinyal input berukuran relatif lebih besar sehingga dapat diperkuat secara substansial untuk mereproduksi dan mengarahkannya ke pengeras suara yang kuat.

Bagaimana Power Amplifier Bekerja

Karena penguat sinyal kecil dirancang untuk memproses tegangan input kecil, ini disebut sebagai penguat sinyal kecil. Namun ketika penguat diperlukan untuk bekerja dengan aplikasi arus switching tinggi pada keluarannya, seperti mengoperasikan motor atau mengoperasikan sub-woofer, penguat daya menjadi tidak terelakkan.

Paling populer, power amplifier digunakan sebagai amplifier audio untuk menggerakkan loudspeaker besar dan untuk mencapai amplifikasi tingkat musik dan keluaran volume yang besar.

Penguat daya membutuhkan daya DC eksternal untuk bekerja, dan daya DC ini digunakan untuk mencapai amplifikasi daya tinggi yang diinginkan pada keluarannya. Daya DC biasanya diperoleh melalui catu daya tegangan tinggi arus tinggi melalui transformator atau unit berbasis SMPS.

Meskipun power amplifier mampu meningkatkan sinyal input yang lebih rendah menjadi sinyal output yang tinggi, prosedur ini sebenarnya tidak terlalu efisien. Itu karena dalam proses sejumlah besar daya DC terbuang dalam bentuk disipasi panas.

Kita tahu bahwa penguat yang ideal akan menghasilkan keluaran yang hampir sama dengan daya yang dikonsumsi, menghasilkan efisiensi 100%. Namun, secara praktis ini terlihat cukup jauh dan mungkin tidak dapat dilakukan, karena kehilangan daya DC yang melekat dari perangkat daya dalam bentuk panas.

Efisiensi Amplifier Dari pertimbangan di atas, kita dapat menyatakan efisiensi penguat sebagai:

Efisiensi = Penguat Output daya / Penguat Konsumsi DC = Pout / Pin

Amplifier Ideal

Dengan mengacu pada pembahasan diatas, maka dapat memungkinkan bagi kita untuk secara garis besar mengenai ciri-ciri utama sebuah amplifier yang ideal. Mereka secara khusus dijelaskan di bawah ini:

Gain (A) penguat ideal harus konstan terlepas dari sinyal input yang bervariasi.

1. Keuntungan tetap konstan terlepas dari frekuensi sinyal input, memungkinkan amplifikasi output tetap tidak terpengaruh.
2. Output amplifier bebas dari segala jenis noise selama proses amplifikasi, sebaliknya, amplifier menggabungkan fitur pengurangan noise yang membatalkan kemungkinan noise yang masuk melalui sumber input.
3. Itu tetap tidak terpengaruh oleh perubahan suhu lingkungan atau suhu atmosfer.
4. Penggunaan dalam waktu lama memiliki efek minimal atau tidak sama sekali pada kinerja amplifier, dan tetap konsisten.

Klasifikasi Amplifier Elektronik

Baik itu penguat tegangan atau penguat daya, ini diklasifikasikan berdasarkan karakteristik sinyal input dan outputnya. Ini dilakukan dengan menganalisis aliran arus sehubungan dengan sinyal sinyal masukan dan waktu yang diperlukan untuk mencapai keluaran.

Berdasarkan konfigurasi rangkaiannya, power amplifier dapat dikategorikan dalam urutan abjad. Mereka ditugaskan dengan kelas operasional yang berbeda seperti:

Kelas A'
Kelas 'B'
Kelas 'C'
Kelas 'AB' dan sebagainya.

Ini mungkin memiliki sifat mulai dari respon keluaran hampir linier tetapi efisiensi agak rendah ke respon keluaran non-linier dengan efisiensi tinggi.

Tak satu pun dari kelas amplifier ini dapat dibedakan sebagai lebih buruk atau lebih baik dari satu sama lain, karena masing-masing memiliki area aplikasi spesifiknya sendiri tergantung pada kebutuhan.

Anda mungkin menemukan efisiensi konversi yang optimal untuk masing-masing ini, dan popularitasnya dapat diidentifikasi dalam urutan berikut:

Amplifier Kelas 'A': Efisiensi lebih rendah biasanya kurang dari 40%, tetapi mungkin menunjukkan keluaran sinyal linier yang lebih baik.

Penguat Kelas 'B': Tingkat efisiensi mungkin dua kali lipat dari kelas A, secara praktis sekitar 70%, karena fakta bahwa hanya perangkat aktif penguat yang mengkonsumsi daya, menyebabkan penggunaan daya hanya 50%.

Penguat Kelas 'AB: Penguat dalam kategori ini memiliki tingkat efisiensi antara kelas A dan kelas B, tetapi reproduksi sinyal lebih buruk dibandingkan dengan kelas A.

Amplifier Kelas 'C': Ini dianggap sangat efisien dalam hal konsumsi daya, tetapi reproduksi sinyal paling buruk dengan banyak distorsi, menyebabkan replikasi yang sangat buruk dari karakteristik sinyal input.

Bagaimana Amplifier Kelas A Bekerja:

Penguat Kelas A memiliki transistor bias yang ideal dalam wilayah aktif yang memungkinkan sinyal input diperkuat secara akurat pada output.

Karena fitur bias yang sempurna ini, transistor tidak pernah dibiarkan melayang ke daerah cut off atau over saturation, sehingga amplifikasi sinyal dioptimalkan dengan benar dan dipusatkan antara batas atas dan bawah yang ditentukan dari sinyal, seperti yang ditunjukkan berikut ini. gambar:

Dalam konfigurasi kelas A, rangkaian transistor identik diterapkan di dua bagian bentuk gelombang keluaran. Dan tergantung pada jenis biasing yang digunakannya, transistor daya keluaran selalu diberikan dalam posisi ON, terlepas dari apakah sinyal masukan diterapkan atau tidak.

Karena itu, amplifier kelas A mendapatkan efisiensi yang sangat buruk dalam hal konsumsi daya, karena pengiriman daya yang sebenarnya ke output terhambat karena pemborosan berlebih melalui disipasi perangkat.

Dengan situasi yang dijelaskan di atas, penguat kelas dapat dilihat selalu memiliki transistor daya keluaran yang dipanaskan bahkan tanpa adanya sinyal masukan.

Meskipun tidak ada sinyal input, DC (Ic) dari catu daya dibiarkan mengalir melalui transistor daya, yang mungkin sama dengan arus yang mengalir melalui loudspeaker saat ada sinyal input. Hal ini menimbulkan transistor 'panas' terus menerus dan pemborosan daya.

Operasi Amplifier Kelas B.

Berbeda dengan konfigurasi penguat kelas A yang bergantung pada transistor daya tunggal, kelas B menggunakan sepasang BJT pelengkap di setiap setengah bagian rangkaian. Ini bisa dalam bentuk NPN / PNP, atau N-channel mosfet / P-channel mosfet).

Di sini, salah satu transistor dibiarkan bekerja sebagai respons terhadap satu setengah siklus bentuk gelombang dari sinyal input, sedangkan transistor lainnya menangani setengah siklus bentuk gelombang lainnya.

Hal ini memastikan bahwa setiap transistor dalam pasangan berjalan selama setengah dari waktu di dalam wilayah aktif dan setengah dari waktu di wilayah cut-off, sehingga hanya memungkinkan keterlibatan 50% dalam penguatan sinyal.

Tidak seperti penguat kelas A, penguat kelas B transistor daya tidak bias dengan DC langsung, sebaliknya konfigurasi memastikan bahwa mereka berjalan hanya ketika sinyal input lebih tinggi dari tegangan basis emitor, yang bisa sekitar 0,6V untuk BJT silikon.

Ini menyiratkan bahwa, ketika tidak ada sinyal input, BJT tetap mati dan arus keluaran adalah nol. Dan karena ini hanya 50% dari sinyal input yang diizinkan masuk ke output pada saat apa pun memungkinkan tingkat efisiensi yang jauh lebih baik untuk amplifier ini. Hasilnya bisa disaksikan pada diagram berikut:

Karena tidak ada keterlibatan langsung DC untuk membiaskan transistor daya dalam penguat kelas B, untuk memulai konduksi sebagai respons terhadap setiap setengah siklus bentuk gelombang +/-, itu menjadi keharusan untuk basis / emitornya. Vbe untuk mendapatkan potensi yang lebih tinggi dari 0.6V (nilai bias dasar standar untuk BJT)

Karena fakta di atas, ini menyiratkan bahwa sementara bentuk gelombang keluaran di bawah tanda 0.6V, itu tidak dapat diperkuat dan direproduksi.

Hal ini menimbulkan distorsi wilayah untuk bentuk gelombang keluaran, hanya selama periode ketika salah satu BJT dimatikan dan menunggu yang lain untuk kembali ON.

Hal ini menghasilkan bagian kecil dari bentuk gelombang yang mengalami distorsi kecil selama periode lintas atau periode transisi di dekat persimpangan nol, tepatnya ketika peralihan dari satu transistor ke yang lain terjadi di seluruh pasangan komplementer.

Operasi Penguat Kelas AB

Penguat kelas AB dibangun menggunakan karakteristik campuran f dari desain rangkaian kelas A dan Kelas B, oleh karena itu dinamai Kelas AB.

Meskipun desain Kelas AB juga bekerja dengan sepasang BJT yang saling melengkapi, tahap keluaran memastikan bahwa bias daya BJT dikontrol dekat ambang batas, jika tidak ada sinyal masukan.

Dalam situasi ini, segera setelah sinyal input dirasakan, transistor beroperasi secara normal di wilayah aktifnya sehingga menghambat kemungkinan terjadinya distorsi silang, yang biasanya lazim dalam konfigurasi Kelas B. Namun, mungkin ada sedikit arus kolektor yang mengalir di seluruh BJT, jumlahnya dapat dianggap dapat diabaikan dibandingkan dengan desain Kelas A.

Penguat jenis Kelas AB menunjukkan tingkat efisiensi yang jauh lebih baik dan respons linier dibandingkan dengan penguat Kelas A.

Bentuk Gelombang Keluaran Amplifier Kelas AB

Kelas Amplifier adalah parameter penting yang tergantung pada bagaimana transistor bias melalui amplitudo sinyal input, untuk melaksanakan proses amplifikasi.

Ini bergantung pada seberapa besar besarnya bentuk gelombang sinyal masukan yang digunakan untuk transistor, dan juga faktor efisiensi, yang ditentukan oleh jumlah daya yang sebenarnya digunakan untuk mengirimkan keluaran dan / atau terbuang melalui disipasi.

Sehubungan dengan faktor-faktor ini kami akhirnya dapat membuat laporan perbandingan yang menunjukkan perbedaan antara berbagai kelas amplifier, seperti yang diberikan dalam tabel berikut.

Kemudian kita dapat membuat perbandingan antara jenis klasifikasi penguat yang paling umum pada tabel berikut.

Kelas Penguat Daya

Pikiran Akhir

Jika amplifier tidak dirancang dengan benar, seperti misalnya desain amplifier kelas A, mungkin memerlukan heatsink yang cukup besar pada perangkat daya, bersama dengan kipas pendingin untuk pengoperasiannya. Desain seperti itu juga akan membutuhkan input catu daya yang lebih besar untuk mengkompensasi sejumlah besar daya yang terbuang dalam panas. Semua kekurangan tersebut dapat membuat amplifier seperti itu sangat tidak efisien yang pada gilirannya dapat menyebabkan kerusakan perangkat secara bertahap dan akhirnya kegagalan.

Oleh karena itu, disarankan untuk menggunakan penguat Kelas B yang dirancang dengan efisiensi yang lebih tinggi sekitar 70% dibandingkan dengan 40% dari penguat Kelas A. Dikatakan bahwa, penguat Kelas A mungkin menjanjikan respons yang lebih linier dengan amplifikasi dan respons frekuensi yang lebih luas, meskipun ini disertai dengan harga pemborosan daya yang substansial.