Amplificatorul de joasă frecvență (denumit în continuare ULF) este un dispozitiv electronic conceput pentru a amplifica oscilațiile de joasă frecvență la cel de care are nevoie consumatorul. Acestea pot fi efectuate pe diverse elemente electronice precum diferite tipuri de tranzistoare, tuburi sau amplificatoare operaționale. Toate ULF-urile au o serie de parametri care caracterizează eficacitatea muncii lor.
Acest articol va vorbi despre utilizarea unui astfel de dispozitiv, parametrii acestuia, metodele de construcție folosind diverse componente electronice. Se va lua în considerare și circuitele amplificatoarelor de joasă frecvență.
aplicație ULF
ULF este cel mai des folosit în echipamentele de reproducere a sunetului, deoarece în acest domeniu al tehnologiei este adesea necesară amplificarea frecvenței semnalului la cea pe care corpul uman o poate percepe (de la 20 Hz la 20 kHz).
Alte aplicații ULF:
- tehnologie de măsurare;
- defectoscopie;
- calculator analogic.
În general, amplificatoarele de bas se găsesc ca componente ale diferitelor circuite electronice, cum ar fi radiouri, dispozitive acustice, televizoare sau transmițătoare radio.
Parametri
Cel mai important parametru pentru un amplificator este câștigul. Este calculat ca raportul dintre ieșire și intrare. În funcție de valoarea luată în considerare, acestea disting:
- câștig curent=curent de ieșire / curent de intrare;
- câștig de tensiune=tensiune de ieșire / tensiune de intrare;
- câștig de putere=putere de ieșire / putere de intrare.
Pentru unele dispozitive, cum ar fi amplificatoarele operaționale, valoarea acestui coeficient este foarte mare, dar este incomod să lucrați cu numere prea mari (și prea mici) în calcule, așa că câștigurile sunt adesea exprimate în logaritmi unitati. Pentru aceasta se aplică următoarele formule:
- câștig de putere în unități logaritmice=10logaritm al câștigului de putere dorit;
- câștig curent în unități logaritmice=20logaritm zecimal al câștigului curent dorit;
- câștig de tensiune în unități logaritmice=20logaritm al câștigului de tensiune dorit.
Coeficienții calculați în acest fel sunt măsurați în decibeli. Nume prescurtat - dB.
Următorul parametru importantamplificator - coeficient de distorsiune a semnalului. Este important să înțelegem că amplificarea semnalului are loc ca urmare a transformărilor și modificărilor sale. Nu faptul că întotdeauna aceste transformări vor avea loc corect. Din acest motiv, semnalul de ieșire poate diferi de semnalul de intrare, de exemplu, în formă.
Amplificatoarele ideale nu există, așa că distorsiunea este întotdeauna prezentă. Adevărat, în unele cazuri nu depășesc limitele permise, în timp ce în altele o fac. Dacă armonicile semnalelor de la ieșirea amplificatorului coincid cu armonicile semnalelor de intrare, atunci distorsiunea este liniară și se reduce doar la o modificare a amplitudinii și fazei. Dacă apar noi armonici la ieșire, atunci distorsiunea este neliniară, deoarece duce la o schimbare a formei semnalului.
Cu alte cuvinte, dacă distorsiunea este liniară și a existat un semnal „a” la intrarea amplificatorului, atunci ieșirea va fi un semnal „A”, iar dacă este neliniar, atunci ieșirea va fi un semnal „B”.
Ultimul parametru important care caracterizează funcționarea amplificatorului este puterea de ieșire. Varietăți de putere:
- Evaluat.
- Zgomot din pașaport.
- Maxim pe termen scurt.
- Maxim pe termen lung.
Toate cele patru tipuri sunt standardizate de diferite GOST și standarde.
Amplificatoare
În istoric, primele amplificatoare au fost create pe tuburi cu vid, care aparțin clasei dispozitivelor cu vid.
În funcție de electrozii aflați în interiorul balonului ermetic, lămpile se disting:
- diode;
- triode;
- tetrode;
- pentode.
Maximumnumărul de electrozi este de opt. Există, de asemenea, dispozitive de electrovacuum precum klystronii.
Amplificator cu triodă
În primul rând, merită să înțelegeți schema de comutare. O descriere a circuitului amplificatorului cu triodă de joasă frecvență este prezentată mai jos.
Filamentul care încălzește catodul este alimentat. Tensiunea este de asemenea aplicată anodului. Sub acțiunea temperaturii, electronii sunt scoși din catod, care se îndreaptă spre anod, căruia i se aplică un potențial pozitiv (electronii au potențial negativ).
O parte din electroni este interceptată de al treilea electrod - grila, căreia i se aplică și tensiune, doar alternativ. Cu ajutorul rețelei se reglează curentul anodului (curentul din circuit în ansamblu). Dacă rețelei i se aplică un potențial negativ mare, toți electronii de la catod se vor așeza pe acesta și nu va curge nici un curent prin lampă, deoarece curentul este o mișcare dirijată a electronilor, iar grila blochează această mișcare.
Câștigul lămpii reglează rezistența care este conectată între sursa de alimentare și anod. Setează poziția dorită a punctului de operare pe caracteristica curent-tensiune, de care depind parametrii de câștig.
De ce este atât de importantă poziția punctului de operare? Pentru că depinde de cât de mult curent și tensiune (și, prin urmare, putere) vor fi amplificate în circuitul amplificatorului de joasă frecvență.
Semnalul de ieșire de pe amplificatorul triodă este preluat din zona dintre anod și rezistorul conectat în fața acestuia.
Amplificator pornitklystron
Principiul de funcționare al unui amplificator klystron de joasă frecvență se bazează pe modularea semnalului mai întâi în viteză și apoi în densitate.
Klystronul este dispus astfel: balonul are un catod încălzit de un filament și un colector (analog anodului). Între ele sunt rezonatoarele de intrare și de ieșire. Electronii emiși de catod sunt accelerați de o tensiune aplicată catodului și se îndreaptă spre colector.
Unii electroni se vor mișca mai repede, alții mai încet - așa arată modularea vitezei. Datorită diferenței de viteză de mișcare, electronii sunt grupați în fascicule - așa se manifestă modularea densității. Semnalul cu densitate modulată intră în rezonatorul de ieșire, unde creează un semnal de aceeași frecvență, dar cu putere mai mare decât rezonatorul de intrare.
Se pare că energia cinetică a electronilor este convertită în energia oscilațiilor cu microunde ale câmpului electromagnetic al rezonatorului de ieșire. Acesta este modul în care semnalul este amplificat în klystron.
Caracteristici ale amplificatoarelor cu electrovacuum
Dacă comparăm calitatea aceluiași semnal amplificat de un dispozitiv cu tub și ULF pe tranzistori, diferența va fi vizibilă cu ochiul liber și nu în favoarea acestuia din urmă.
Orice muzician profesionist vă va spune că amplificatoarele cu tuburi sunt mult mai bune decât omologii lor avansați.
Dispozitivele cu electrovacuum au ieșit de mult timp din consumul de masă, au fost înlocuite cu tranzistori și microcircuite, dar acest lucru este irelevant pentru domeniul reproducerii sunetului. Datorită stabilității temperaturii și vidului din interior, dispozitivele cu lămpi amplifică mai bine semnalul.
Singurul dezavantaj al tubului ULF este prețul ridicat, ceea ce este logic: este scump să produci elemente care nu sunt solicitate în masă.
Amplificator tranzistor bipolar
Adesea etapele de amplificare sunt asamblate folosind tranzistori. Un amplificator simplu de joasă frecvență poate fi asamblat din doar trei elemente de bază: un condensator, un rezistor și un tranzistor n-p-n.
Pentru a asambla un astfel de amplificator, va trebui să legați la pământ emițătorul tranzistorului, să conectați un condensator în serie la baza sa și un rezistor în paralel. Sarcina trebuie plasată în fața colectorului. Este recomandabil să conectați un rezistor de limitare la colectorul din acest circuit.
Tensiunea de alimentare permisă a unui astfel de circuit amplificator de joasă frecvență variază de la 3 la 12 volți. Valoarea rezistorului trebuie aleasă experimental, ținând cont de faptul că valoarea acestuia trebuie să fie de cel puțin 100 de ori rezistența de sarcină. Valoarea condensatorului poate varia de la 1 la 100 de microfaradi. Capacitatea sa afectează cantitatea de frecvență la care poate funcționa amplificatorul. Cu cât capacitatea este mai mare, cu atât este mai scăzută frecvența nominală pe care tranzistorul o poate amplifica.
Semnalul de intrare al amplificatorului cu tranzistor bipolar de joasă frecvență este aplicat condensatorului. Polul de putere pozitiv trebuie conectat la punctul de conectare al sarcinii și rezistorul conectat în paralel cu baza și condensatorul.
Pentru a îmbunătăți calitatea unui astfel de semnal, puteți conecta un condensator și o rezistență conectate în paralel la emițător, care joacă rolul de feedback negativ.
Amplificator cu doi tranzistori bipolari
Pentru a crește câștigul, puteți conecta două tranzistoare ULF singure într-unul singur. Apoi, câștigurile acestor dispozitive pot fi multiplicate.
Deși dacă continuați să creșteți numărul de trepte de amplificare, șansa de autoexcitare a amplificatoarelor va crește.
Amplificator cu tranzistor cu efect de câmp
Amplificatoarele de joasă frecvență sunt de asemenea asamblate pe tranzistoare cu efect de câmp (denumite în continuare PT). Circuitele unor astfel de dispozitive nu sunt foarte diferite de cele care sunt asamblate pe tranzistoare bipolare.
Un amplificator FET cu poartă izolată cu canale n (tip ITF) va fi considerat ca exemplu.
Un condensator este conectat în serie la substratul acestui tranzistor, iar un divizor de tensiune este conectat în paralel. Un rezistor este conectat la sursa FET-ului (puteți folosi și o conexiune paralelă a unui condensator și a unui rezistor, așa cum este descris mai sus). Un rezistor de limitare și putere sunt conectate la dren și o bornă de sarcină este creată între rezistor și dren.
Semnalul de intrare la amplificatoarele cu tranzistori cu efect de câmp de frecvență joasă este aplicat pe poartă. Acest lucru se face și printr-un condensator.
După cum puteți vedea din explicație, cel mai simplu circuit amplificator cu tranzistor cu efect de câmp nu este diferit de circuitul amplificator cu tranzistor bipolar de joasă frecvență.
Cu toate acestea, atunci când lucrați cu PT, trebuie luate în considerare următoarele caracteristici ale acestor elemente:
- FET Rinput=I / Ugate-source. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt controlate de un câmp electric,care este generată de stres. Prin urmare, FET-urile sunt controlate de tensiune, nu de curent.
- FET-urile nu consumă aproape niciun curent, ceea ce implică o ușoară distorsiune a semnalului original.
- Nu există injecție de încărcare în tranzistoarele cu efect de câmp, astfel încât nivelul de zgomot al acestor elemente este foarte scăzut.
- Sunt rezistente la temperaturi.
Principalul dezavantaj al FET-urilor este sensibilitatea lor mare la electricitatea statică.
Mulți sunt familiarizați cu situația în care lucrurile aparent neconductoare șochează o persoană. Aceasta este manifestarea electricității statice. Dacă un astfel de impuls este aplicat unuia dintre contactele tranzistorului cu efect de câmp, elementul poate fi dezactivat.
Astfel, atunci când lucrați cu PT, este mai bine să nu luați contactele cu mâinile pentru a nu deteriora accidental elementul.
Dispozitiv OpAmp
Amplificatorul operațional (denumit în continuare op-amp) este un dispozitiv cu intrări diferențiate, care are un câștig foarte mare.
Amplificarea semnalului nu este singura funcție a acestui element. Poate funcționa și ca generator de semnal. Cu toate acestea, proprietățile sale de amplificare sunt de interes pentru lucrul cu frecvențe joase.
Pentru a face un amplificator de semnal dintr-un amplificator operațional, trebuie să conectați corect un circuit de feedback la acesta, care este un rezistor obișnuit. Cum să înțelegeți unde să conectați acest circuit? Pentru a face acest lucru, trebuie să vă referiți la caracteristica de transfer a amplificatorului operațional. Are două secțiuni orizontale și una liniară. Dacă punctul de operaredispozitivul este amplasat pe una dintre secțiunile orizontale, atunci amplificatorul operațional funcționează în modul generator (mod puls), dacă este situat pe o secțiune liniară, atunci amplificatorul operațional amplifică semnalul.
Pentru a transfera amplificatorul operațional în modul liniar, trebuie să conectați rezistorul de feedback cu un contact la ieșirea dispozitivului, iar celăl alt - la intrarea inversoare. Această includere se numește feedback negativ (NFB).
Dacă este necesar ca semnalul de joasă frecvență să fie amplificat și să nu se schimbe în fază, atunci intrarea inversoare cu OOS ar trebui să fie legată la pământ, iar semnalul amplificat trebuie aplicat la intrarea neinversoare. Dacă este necesară amplificarea semnalului și schimbarea fazei acestuia cu 180 de grade, atunci intrarea neinversoare trebuie împământă, iar semnalul de intrare trebuie conectat la cel inversor.
În acest caz, nu trebuie să uităm că amplificatorul operațional trebuie alimentat cu putere de polarități opuse. Pentru aceasta, are clienți potențiali de contact speciali.
Este important de reținut că lucrul cu astfel de dispozitive este uneori dificil de selectat elemente pentru circuitul amplificatorului de joasă frecvență. Coordonarea atentă a acestora este necesară nu numai în ceea ce privește valorile nominale, ci și în ceea ce privește materialele din care sunt realizate, pentru a se atinge parametrii de câștig doriti.
Amplificator pe un cip
ULF poate fi asamblat pe elemente electrovacuum, iar pe tranzistoare, iar pe amplificatoare operaționale, doar tuburile de vid sunt din ultimul secol, iar restul circuitelor nu sunt lipsite de defecte, a căror corectare implică inevitabil complicarea designului a amplificatorului. Acest lucru este incomod.
Inginerii au găsit de mult o opțiune mai convenabilă pentru crearea ULF: industria produce microcircuite gata făcute care acționează ca amplificatoare.
Fiecare dintre aceste circuite este un set de amplificatoare operaționale, tranzistori și alte elemente conectate într-un anumit mod.
Exemple de unele serii ULF sub formă de circuite integrate:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Toate seriile de mai sus sunt folosite în echipamente audio. Fiecare model are caracteristici diferite: tensiune de alimentare, putere de ieșire, câștig.
Sunt realizate sub formă de elemente mici, cu multe știfturi, care sunt convenabile de așezat pe tablă și de montat.
Pentru a lucra cu un amplificator de joasă frecvență pe un microcircuit, este util să cunoașteți elementele de bază ale algebrei logice, precum și principiile de funcționare a elementelor logice ȘI-NU, SAU-NU.
Aproape orice dispozitiv electronic poate fi asamblat pe elemente logice, dar în acest caz, multe circuite se vor dovedi a fi voluminoase și incomode pentru instalare.
De aceea, utilizarea circuitelor integrate gata făcute care îndeplinesc funcția ULF pare a fi cea mai convenabilă opțiune practică.
Îmbunătățirea schemei
Cele de mai sus a fost un exemplu despre cum puteți îmbunătăți semnalul amplificat atunci când lucrați cu tranzistoare bipolare și cu efect de câmp (prin conectarea unui condensator și a unui rezistor în paralel).
Astfel de actualizări structurale pot fi făcute cu aproape orice schemă. Desigur, introducerea de noi elemente creștecăderea de tensiune (pierderi), dar datorită acestui lucru, proprietățile diferitelor circuite pot fi îmbunătățite. De exemplu, condensatorii sunt filtre excelente de frecvență.
Pe elementele rezistive, capacitive sau inductive, se recomandă colectarea celor mai simple filtre care filtrează frecvențele care nu ar trebui să cadă în circuit. Prin combinarea elementelor rezistive și capacitive cu amplificatoare operaționale, pot fi asamblate filtre mai eficiente (integratoare, diferențiatoare Sallen-Key, filtre notch și trece-bandă).
În concluzie
Cei mai importanți parametri ai amplificatoarelor de frecvență sunt:
- câștig;
- factor de distorsiune a semnalului;
- putere de ieșire.
Amplificatoarele de joasă frecvență sunt cel mai des folosite în echipamentele audio. Puteți colecta date despre dispozitiv practic pe următoarele elemente:
- pe tuburile cu vid;
- pe tranzistori;
- pe amplificatoare operaționale;
- pe jetoane terminate.
Caracteristicile amplificatoarelor de joasă frecvență pot fi îmbunătățite prin introducerea de elemente rezistive, capacitive sau inductive.
Fiecare dintre schemele de mai sus are propriile sale avantaje și dezavantaje: unele amplificatoare sunt scumpe de asamblat, unele pot intra în saturație, pentru unii este dificil să coordoneze elementele folosite. Există întotdeauna funcții cu care trebuie să se ocupe designerul de amplificator.
Folosind toate recomandările date în acest articol, vă puteți construi propriul amplificator pentru uz casnicîn loc să cumpărați acest dispozitiv, care poate costa mulți bani când vine vorba de dispozitive de în altă calitate.
