Versterker (elektronica)

Een versterker (elektronica) is een elektronische schakeling die tot taak heeft een elektrisch signaal te versterken.

Als iemand bijvoorbeeld in een microfoon praat, dan levert die microfoon een heel klein signaal. Om dat signaal duidelijk in bijvoorbeeld een stadion te laten horen moet het dus versterkt worden, en daar is een versterker voor, in dit voorbeeld een audioversterker.

Afhankelijk van de toepassing kan een versterker eenvoudig of ingewikkeld zijn. Een audioversterker heeft tot doel om voor de mens hoorbare signalen te versterken. Bekende voorbeelden is de versterker voor de weergave van cd en grammofoonplaat, de gitaarversterker en de basversterker. Maar er zijn ook andere toepassingen, zoals het versterken van hoogfrequente signalen (zie frequentie).

Audioversterker

Een audioversterker versterkt signalen in het hoorbare gebied. Ondanks het feit dat het menselijk gehoor frequenties boven de 20 kHz niet kan waarnemen is het voor een goede waargave van bijvoorbeeld muziek van belang dat de versterker ook tonen boven de 20 kHz weergeeft. De zogenaamde bovenharmonische tonen in dit bereik zijn weliswaar onhoorbaar voor de mens, maar hebben wel invloed op de klanken die geproduceerd worden.

Audioversterkers kunnen variëren van een microfoonversterker (die zo weinig mogelijk ruis moet toevoegen) tot en met versterkers voor voetbalstadions en muziekhallen (die vermogen moet leveren).

Kwaliteit

De functie van een versterker is alleen maar om een elektrisch signaal te versterken, maar een versterker voegt zelf ook (ongewenste) ruis toe, en zal bepaalde frequenties iets meer versterken dan andere frequenties, en zal kleine signalen iets anders versterken dan grote signalen, waardoor er vervorming kan ontstaan. De mate waarin dit gebeurt hangt af van de kwaliteit van de gebruikte componenten en de kwaliteit van het ontwerp.

Signaal-ruisverhouding

De signaal-ruisverhouding (kortweg S/N) is de verhouding tussen het signaal waar het om gaat, en de ruis die de versterker zelf toevoegt. Dit wordt altijd in decibel (dB) aangeduid. De ruis die de versterker toevoegt heeft meestal een constant volume. Dus die ruis is voornamelijk hoorbaar in de stille passages. Maar als je een goede versterker koopt heb je hier geen last van, tegenwoorig hoor je die ruis eigenlijk niet meer.

Bij een signaal-ruis verhouding van 60 dB is de ruis zeer zacht te horen. Een signaal-ruisverhouding van 90 dB is zeer goed.

Frequentiebereik

Het frequentiebereik van een versterker geeft de laagste en de hoogste frequentie aan, die nog versterkt wordt, en de versterking nog minder dan een opgegeven aantal decibel constant blijft. Het menselijk gehoor kan frequenties horen van ruwweg 20 Hz tot 20 kHz. Een goede versterker zal dan ook dat bereik versterken, of beter: tot 30 kHz (zie hierboven bij audioversterker). Frequenties onder de 20 Hz kunnen niet gehoord maar wel gevoeld worden, daarom versterken sommige versterkers al frequenties vanaf 2 Hz.

Frequentiekarakteristiek

De frequentiekarakteristiek (of frequentieoverdracht) geeft aan in welke mate elke frequentie versterkt wordt. Een versterker zal de ene frequentie iets meer versterken dan een andere frequentie. Een bijkomend effect is, dat daardoor fasedraaïng van het signaal optreedt. Het menselijk gehoor is daar zeer gevoelig voor, omdat de fase gebruikt wordt bij het bepalen van het stereobeeld.

Kanaalscheiding

De kanaalscheiding geeft de mate van scheiding aan tussen het linker en rechter kanaal, of tussen de meerdere kanalen bij een surround systeem. Aangezien de versterkers voor de verschillende kanalen in hetzelfde apparaat zitten, is er altijd sprake van overdracht van een signaal naar een ander kanaal. Deze waarde wordt in decibel (dB) opgegeven. Een kanaalscheiding van 60dB wil zeggen dat als een signaalniveau op 0 dBV op het linker kanaal wordt aangeboden, dat dat signaal dan in het rechterkanaal niet sterker meetbaar zal zijn dan -60dBV.

Impulsrespons

De impulsrespons (pulse response) is vooral interessant voor versterkers in meetapparatuur. Het ingangssignaal is een eenmalige puls, en het uitgangssignaal zegt iets over de kwaliteit van de versterker. Er zijn ook wiskundige berekeningen om de impulse response te berekenen door op de ingang ruis te zetten.

Hoogfrequent

Versterken van hoogfrequente signalen is ten gevolge van allerlei parasitaire capaciteiten en inductie veel ingewikkelder dan bijvoorbeeld het versterken van een audiosignaal. Alle componenten moeten speciaal geschikt zijn voor hoge frequenties. Verder kunnen spoelen gebruikt worden om bepaalde frequenties te filteren of door te laten. Bij een audioversterker kan dat ook, maar dan zouden de spoelen groot en zwaar worden vanwege de lage frequenties.

Bij hoogfrequente signalen fungeert iedere aansluitdraad en ieder koperspoor op een printplaat als een spoel. Daar moet bij het ontwerp rekening mee gehouden worden. Onbedoeld kan een versterker fungeren als radio-ontvanger waardoor radiogolven een storende invloed kunnen hebben. Daarom worden sommige delen afgeschermd met metaal.

Door gebruik te maken van kleine SMD-onderdelen, is ook de printplaat kleiner en de kopersporen korter. Daardoor is dat beter geschikt voor hoge frequenties.

Actieve componenten

De versterking van een signaal gebeurt met zogenaamde actieve componenten.

Transistor

De bipolaire transistor is een soort 'standaard' component. Het is klein, kan een signaal gemakkelijk 100 keer versterken, maar voegt relatief veel ruis toe.

FET

De veldeffect transistor (FET) is ook een transistor, maar volgens een ander principe en levert onder andere minder ruis.

Operationele versterker

Een operationele versterker of 'op-amp' is een chip die meerdere transistoren herbergt.

Elektronenbuis

De elektronenbuis levert zo weinig ruis, dat deze geschikt is voor bijna alle signalen, inclusief hoogfrequente signalen. Vanwege grote afmeting, kwetsbaarheid en hoge benodigde spanning is de buis in consumentenelektronica vrijwel volledig verdrongen door halfgeleidercomponenten. Bijzonder populair is de buis echter bij gitaristen en bassisten, juist vanwege zijn bijzondere eigenschappen.