Verstärkerdesign

Verstärkerdesign bezeichnet die Entwicklung von elektrischen Verstärkern zur Anhebung von Signalen zu gewünschten Leistungen und Impedanzen. Es umfasst analoge Verstärker, Leistungs-, Audio-, Mess- und RF-Verstärker sowie Operationsverstärker in integrierten Schaltungen. Typische Bausteine sind Eingangsstufe, Verstärkungsstufe, Ausgangsstufe und eine Rückkopplungsschaltung sowie eine geeignete Versorgung.

Ziel ist es, erforderliche Verstärkung, Bandbreite, Eingangs- und Ausgangsimpedanz, Rausch- und Verzerrungsleistung (THD), Störfestigkeit und Stabilität zu erfüllen, oft bei gegebenem Wirkungsgrad und Kostenbeschränkungen. Zentrale Kennwerte umfassen Verstärkung, Bandbreite, Slew Rate, Rauschpegel, Verzerrungen, Einschaltdauer, Eingangs- und Ausgangsimpedanz sowie Leistungsfähigkeit.

Topologien: In diskreten Verstärkern dominieren Bipolar- oder MOSFET-Transistoren; integrierte Schaltungen verwenden Operationsverstärker. Typen des Betriebes umfassen Class A, B, AB, C und Class D (bzw. E) mit unterschiedlicher Effizienz und Linearität. Eingangs- und Ausgangsseiten sowie Rückkopplung beeinflussen Linearität, Bandbreite und Stabilität. Negative Rückkopplung reduziert Verzerrungen und erweitert Bandbreite, kann aber Eingangsimpedanz verändern.

Designprozess: Anforderungen spezifizieren, passende Topologie auswählen, Bias- und Temperaturstabilität berücksichtigen, Schutz- und Netzteil-Design planen. Simulation (SPICE), Transient- und Stabilitätsanalyse, Prototypentests sind Standard. Praktische Aspekte umfassen thermisches Management, Layout, Parasitik, EMI/ESD-Schutz und Netzteilregelung.

Messgrößen: Gain, Bandbreite, THD+N, SNR, Slew Rate (V/µs), PSRR, Wirkungsgrad (bei Leistungsstufen) sowie maximale Ausgangsleistung. Ziel ist ein ausgewogenes Verhältnis aus Linearität, Effizienz, Stabilität und Zuverlässigkeit.