Wzmacniacz niskiej częstotliwości (zwany dalej ULF) to urządzenie elektroniczne zaprojektowane do wzmacniania oscylacji niskiej częstotliwości do potrzeb konsumenta. Można je wykonywać na różnych elementach elektronicznych, takich jak różnego rodzaju tranzystory, lampy czy wzmacniacze operacyjne. Wszystkie ULF posiadają szereg parametrów charakteryzujących efektywność ich pracy.
W tym artykule omówimy zastosowanie takiego urządzenia, jego parametry, metody budowy z wykorzystaniem różnych elementów elektronicznych. Uwzględnione zostaną również obwody wzmacniaczy niskiej częstotliwości.
Aplikacja ULF
ULF jest najczęściej używany w sprzęcie do odtwarzania dźwięku, ponieważ w tej dziedzinie technologii często konieczne jest wzmocnienie częstotliwości sygnału do tej, którą odbiera ludzkie ciało (od 20 Hz do 20 kHz).
Inne aplikacje ULF:
- technologia pomiarowa;
- defektoskopia;
- przetwarzanie analogowe.
Ogólnie rzecz biorąc, wzmacniacze basowe można znaleźć jako elementy różnych obwodów elektronicznych, takich jak radia, urządzenia akustyczne, telewizory lub nadajniki radiowe.
Parametry
Najważniejszym parametrem wzmacniacza jest wzmocnienie. Jest obliczany jako stosunek wyjścia do wejścia. W zależności od rozważanej wartości rozróżniają:
- wzmocnienie prądu=prąd wyjściowy / prąd wejściowy;
- wzmocnienie napięcia=napięcie wyjściowe / napięcie wejściowe;
- wzmocnienie mocy=moc wyjściowa / moc wejściowa.
W przypadku niektórych urządzeń, takich jak wzmacniacze operacyjne, wartość tego współczynnika jest bardzo duża, ale niewygodna jest praca ze zbyt dużymi (jak również zbyt małymi) liczbami w obliczeniach, więc zyski są często wyrażane w postaci logarytmicznej jednostki. Obowiązują w tym celu następujące formuły:
- wzmocnienie mocy w jednostkach logarytmicznych=10logarytm pożądanego wzmocnienia mocy;
- wzmocnienie prądu w jednostkach logarytmicznych=20logarytm dziesiętny żądanego wzmocnienia prądu;
- wzmocnienie napięcia w jednostkach logarytmicznych=20logarytm pożądanego wzmocnienia napięcia.
Współczynniki obliczone w ten sposób są mierzone w decybelach. Skrócona nazwa - dB.
Kolejny ważny parametrwzmacniacz - współczynnik zniekształceń sygnału. Ważne jest, aby zrozumieć, że wzmocnienie sygnału następuje w wyniku jego przekształceń i zmian. Nie fakt, że zawsze te przekształcenia zachodzą poprawnie. Z tego powodu sygnał wyjściowy może różnić się od sygnału wejściowego, na przykład kształtem.
Idealne wzmacniacze nie istnieją, więc zniekształcenia są zawsze obecne. To prawda, że w niektórych przypadkach nie przekraczają dopuszczalnych granic, a w innych tak. Jeżeli harmoniczne sygnałów na wyjściu wzmacniacza pokrywają się z harmonicznymi sygnałów wejściowych, to zniekształcenie jest liniowe i sprowadza się jedynie do zmiany amplitudy i fazy. Jeżeli na wyjściu pojawią się nowe harmoniczne, to zniekształcenie jest nieliniowe, ponieważ prowadzi do zmiany kształtu sygnału.
Innymi słowy, jeśli zniekształcenie jest liniowe i na wejściu wzmacniacza był sygnał „a”, to wyjściem będzie sygnał „A”, a jeśli jest nieliniowy, to wyjściem będzie sygnał „B”.
Ostatnim ważnym parametrem charakteryzującym działanie wzmacniacza jest moc wyjściowa. Odmiany mocy:
- Ocenione.
- Hałas paszportowy.
- Maksymalny krótkoterminowy.
- Maksymalna długoterminowa.
Wszystkie cztery typy są standaryzowane przez różne GOST i standardy.
Wzmacniacze
Historycznie pierwsze wzmacniacze powstawały na lampach próżniowych, które należą do klasy urządzeń próżniowych.
W zależności od elektrod umieszczonych wewnątrz hermetycznej kolby rozróżnia się lampy:
- diody;
- triody;
- tetrody;
- pentody.
Maksymalnaliczba elektrod wynosi osiem. Istnieją również takie urządzenia elektropróżniowe jak klistrony.
Wzmacniacz triodowy
Przede wszystkim warto zrozumieć schemat przełączania. Poniżej zamieszczono opis obwodu wzmacniacza triodowego niskiej częstotliwości.
Żarnik ogrzewający katodę jest zasilany energią. Napięcie jest również podawane na anodę. Pod wpływem temperatury elektrony są wybijane z katody, które pędzą do anody, do której przykładany jest potencjał dodatni (elektrony mają potencjał ujemny).
Część elektronów jest przechwytywana przez trzecią elektrodę - siatkę, do której również przykładane jest napięcie, tylko naprzemienne. Za pomocą siatki regulowany jest prąd anodowy (prąd w obwodzie jako całość). Jeśli do siatki zostanie przyłożony duży ujemny potencjał, wszystkie elektrony z katody osiądą na niej i przez lampę nie popłynie żaden prąd, ponieważ prąd jest ukierunkowanym ruchem elektronów, a siatka blokuje ten ruch.
Wzmocnienie lampy reguluje rezystor podłączony między zasilaczem a anodą. Ustawia żądaną pozycję punktu pracy na charakterystyce prądowo-napięciowej, od której zależą parametry wzmocnienia.
Dlaczego położenie punktu pracy jest tak ważne? Ponieważ zależy to od tego, ile prądu i napięcia (a tym samym mocy) zostanie wzmocnione w obwodzie wzmacniacza niskiej częstotliwości.
Sygnał wyjściowy na wzmacniaczu triodowym jest pobierany z obszaru między anodą a rezystorem podłączonym przed nim.
Wzmacniacz włączonyklistron
Zasada działania niskoczęstotliwościowego wzmacniacza klistronowego opiera się na modulacji sygnału najpierw prędkości, a następnie gęstości.
Klystron jest ułożony w następujący sposób: kolba ma katodę ogrzewaną żarnikiem i kolektor (analogicznie do anody). Pomiędzy nimi znajdują się rezonatory wejściowe i wyjściowe. Elektrony emitowane z katody są przyspieszane przez napięcie przyłożone do katody i pędzą do kolektora.
Niektóre elektrony poruszają się szybciej, inne wolniej - tak wygląda modulacja prędkości. Ze względu na różnicę prędkości ruchu elektrony grupowane są w wiązki - tak objawia się modulacja gęstości. Sygnał z modulacją gęstości wchodzi do rezonatora wyjściowego, gdzie wytwarza sygnał o tej samej częstotliwości, ale większej mocy niż rezonator wejściowy.
Okazuje się, że energia kinetyczna elektronów jest zamieniana na energię drgań mikrofalowych pola elektromagnetycznego rezonatora wyjściowego. W ten sposób sygnał jest wzmacniany w klistronie.
Cechy wzmacniaczy elektropróżniowych
Jeśli porównamy jakość tego samego sygnału wzmacnianego przez urządzenie lampowe i ULF na tranzystorach, różnica będzie widoczna gołym okiem, a nie na korzyść tego drugiego.
Każdy profesjonalny muzyk powie Ci, że wzmacniacze lampowe są o wiele lepsze niż ich zaawansowane odpowiedniki.
Urządzenia elektroodkurzające już dawno wyszły z masowej konsumpcji, zostały zastąpione przez tranzystory i mikroukłady, ale nie ma to znaczenia w dziedzinie reprodukcji dźwięku. Ze względu na stabilność temperatury i próżnię wewnątrz urządzenia lampowe lepiej wzmacniają sygnał.
Jedyną wadą rury ULF jest wysoka cena, co jest logiczne: produkcja elementów, które nie są masowe, jest droga.
Wzmacniacz tranzystorowy bipolarny
Często stopnie wzmacniające są montowane przy użyciu tranzystorów. Prosty wzmacniacz niskotonowy można złożyć tylko z trzech podstawowych elementów: kondensatora, rezystora i tranzystora n-p-n.
Aby zmontować taki wzmacniacz, musisz uziemić emiter tranzystora, podłączyć szeregowo kondensator do jego podstawy i równolegle rezystor. Ładunek należy umieścić przed kolektorem. Wskazane jest podłączenie rezystora ograniczającego do kolektora w tym obwodzie.
Dopuszczalne napięcie zasilania takiego obwodu wzmacniacza niskiej częstotliwości waha się od 3 do 12 woltów. Wartość rezystora należy dobrać doświadczalnie, biorąc pod uwagę fakt, że jego wartość musi być co najmniej 100-krotnością rezystancji obciążenia. Wartość kondensatora może wynosić od 1 do 100 mikrofaradów. Jego pojemność wpływa na wielkość częstotliwości, przy której wzmacniacz może pracować. Im większa pojemność, tym niższa częstotliwość znamionowa, którą tranzystor może wzmocnić.
Sygnał wejściowy wzmacniacza tranzystora bipolarnego niskiej częstotliwości jest podawany do kondensatora. Dodatni biegun zasilania musi być podłączony do punktu połączenia obciążenia, a rezystor połączony równolegle z podstawą i kondensatorem.
Aby poprawić jakość takiego sygnału, można podłączyć równolegle połączony kondensator i rezystor do emitera, które pełnią rolę ujemnego sprzężenia zwrotnego.
Wzmacniacz z dwoma tranzystorami bipolarnymi
Aby zwiększyć wzmocnienie, możesz połączyć dwa pojedyncze tranzystory ULF w jeden. Wtedy zyski tych urządzeń można zwielokrotnić.
Chociaż, jeśli będziesz nadal zwiększać liczbę stopni wzmacniających, szansa na samowzbudzenie się wzmacniaczy wzrośnie.
Fieldowy wzmacniacz tranzystorowy
Wzmacniacze niskiej częstotliwości są również montowane na tranzystorach polowych (zwanych dalej PT). Obwody takich urządzeń niewiele różnią się od tych, które są montowane na tranzystorach bipolarnych.
N-kanałowy wzmacniacz FET z izolowaną bramką (typ ITF) będzie traktowany jako przykład.
Kondensator jest podłączony szeregowo do podłoża tego tranzystora, a dzielnik napięcia jest podłączony równolegle. Rezystor jest podłączony do źródła FET (można również użyć równoległego połączenia kondensatora i rezystora, jak opisano powyżej). Rezystor ograniczający i zasilanie są podłączone do drenu, a zacisk obciążenia jest tworzony między rezystorem a drenem.
Sygnał wejściowy do niskoczęstotliwościowych wzmacniaczy tranzystorowych polowych jest podawany do bramki. Odbywa się to również za pomocą kondensatora.
Jak widać z wyjaśnienia, najprostszy obwód wzmacniacza tranzystora polowego nie różni się od obwodu wzmacniacza tranzystora bipolarnego niskiej częstotliwości.
Jednak podczas pracy z PT należy wziąć pod uwagę następujące cechy tych elementów:
- FET wysoki Rwejście=I / Ugate-source. Tranzystory polowe sterowane są polem elektrycznym,który jest generowany przez stres. Dlatego FET są sterowane napięciem, a nie prądem.
- FETy prawie nie zużywają prądu, co pociąga za sobą niewielkie zniekształcenie oryginalnego sygnału.
- Nie ma wstrzykiwania ładunku w tranzystorach polowych, więc poziom szumów tych elementów jest bardzo niski.
- Są odporne na temperaturę.
Główną wadą FET jest ich wysoka wrażliwość na elektryczność statyczną.
Wiele osób zna sytuację, w której pozornie nieprzewodzące rzeczy szokują osobę. To jest przejaw elektryczności statycznej. Jeżeli taki impuls zostanie przyłożony do jednego ze styków tranzystora polowego, element może zostać wyłączony.
Dlatego podczas pracy z PT lepiej nie brać styków rękami, aby przypadkowo nie uszkodzić elementu.
Urządzenie OpAmp
Wzmacniacz operacyjny (zwany dalej wzmacniaczem operacyjnym) to urządzenie ze zróżnicowanymi wejściami, które ma bardzo duże wzmocnienie.
Wzmocnienie sygnału nie jest jedyną funkcją tego elementu. Może również pracować jako generator sygnału. Niemniej jednak to jego właściwości wzmacniające są interesujące przy pracy z niskimi częstotliwościami.
Aby zrobić wzmacniacz sygnału ze wzmacniacza operacyjnego, musisz prawidłowo podłączyć do niego obwód sprzężenia zwrotnego, który jest zwykłym rezystorem. Jak zrozumieć, gdzie podłączyć ten obwód? Aby to zrobić, musisz odwołać się do charakterystyki przenoszenia wzmacniacza operacyjnego. Posiada dwie sekcje poziome i jedną liniową. Jeśli punkt pracyurządzenie znajduje się na jednej z sekcji poziomych, wówczas wzmacniacz operacyjny pracuje w trybie generatora (tryb impulsowy), jeśli znajduje się na odcinku liniowym, to wzmacniacz operacyjny wzmacnia sygnał.
Aby przełączyć wzmacniacz operacyjny w tryb liniowy, należy podłączyć rezystor sprzężenia zwrotnego z jednym stykiem do wyjścia urządzenia, a drugim - do wejścia odwracającego. To włączenie nazywa się negatywnym sprzężeniem zwrotnym (NFB).
Jeżeli jest wymagane, aby sygnał niskiej częstotliwości był wzmacniany i nie zmieniał fazy, wtedy wejście odwracające z OOS powinno być uziemione, a wzmocniony sygnał powinien być podawany na wejście nieodwracające. Jeżeli konieczne jest wzmocnienie sygnału i zmiana jego fazy o 180 stopni, to wejście nieodwracające należy uziemić, a sygnał wejściowy połączyć z odwracającym.
W tym przypadku nie możemy zapomnieć, że wzmacniacz operacyjny musi być zasilany mocą o przeciwnych biegunach. W tym celu ma specjalne kontakty.
Ważne jest, aby pamiętać, że praca z takimi urządzeniami jest czasami utrudniona w doborze elementów obwodu wzmacniacza niskich częstotliwości. Ich uważna koordynacja jest wymagana nie tylko pod względem wartości nominalnych, ale także materiałów, z których są wykonane, aby osiągnąć pożądane parametry wzmocnienia.
Wzmacniacz na chipie
ULF można montować na elementach elektropróżniowych, tranzystorach i wzmacniaczach operacyjnych, tylko lampy próżniowe pochodzą z ostatniego stulecia, a reszta obwodów nie jest pozbawiona wad, których korekta nieuchronnie pociąga za sobą komplikacje konstrukcyjne wzmacniacza. To jest niewygodne.
Inżynierowie od dawna znaleźli wygodniejszą opcję tworzenia ULF: przemysł produkuje gotowe mikroukłady, które działają jak wzmacniacze.
Każdy z tych obwodów to zestaw wzmacniaczy operacyjnych, tranzystorów i innych elementów połączonych w określony sposób.
Przykłady niektórych serii ULF w postaci układów scalonych:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Wszystkie powyższe serie są używane w sprzęcie audio. Każdy model ma inną charakterystykę: napięcie zasilania, moc wyjściowa, wzmocnienie.
Wykonane są w formie małych elementów z wieloma pinami, które można wygodnie umieścić na tablicy i zamontować.
Do pracy ze wzmacniaczem niskoczęstotliwościowym na mikroukładzie warto znać podstawy algebry logicznej, a także zasady działania elementów logicznych AND-NIE, LUB-NOT.
Prawie każde urządzenie elektroniczne można zmontować na elementach logicznych, ale w tym przypadku wiele obwodów okaże się nieporęcznych i niewygodnych w instalacji.
Dlatego zastosowanie gotowych układów scalonych realizujących funkcję ULF wydaje się być najwygodniejszą praktyczną opcją.
Ulepszenie schematu
Powyżej jest przykładem tego, jak można poprawić wzmocniony sygnał podczas pracy z tranzystorami bipolarnymi i polowymi (poprzez równoległe połączenie kondensatora i rezystora).
Takie ulepszenia strukturalne można wykonać za pomocą prawie każdego schematu. Oczywiście wprowadzanie nowych elementów wzrastaspadek napięcia (straty), ale dzięki temu można poprawić właściwości różnych obwodów. Na przykład kondensatory są doskonałymi filtrami częstotliwości.
Na elementach rezystancyjnych, pojemnościowych lub indukcyjnych zaleca się zbieranie najprostszych filtrów, które odfiltrowują częstotliwości, które nie powinny wpadać do obwodu. Łącząc elementy rezystancyjne i pojemnościowe ze wzmacniaczami operacyjnymi, można montować bardziej wydajne filtry (integratory, dyferencjały Sallen-Key, filtry wycinające i pasmowoprzepustowe).
Na zakończenie
Najważniejszymi parametrami wzmacniaczy częstotliwości są:
- wzmocnienie;
- współczynnik zniekształceń sygnału;
- moc wyjściowa.
Wzmacniacze niskoczęstotliwościowe są najczęściej używane w sprzęcie audio. Dane urządzenia można zbierać praktycznie na następujących elementach:
- na lampach próżniowych;
- na tranzystorach;
- na wzmacniaczach operacyjnych;
- na gotowych żetonach.
Właściwości wzmacniaczy niskiej częstotliwości można poprawić poprzez wprowadzenie elementów rezystancyjnych, pojemnościowych lub indukcyjnych.
Każdy z powyższych schematów ma swoje zalety i wady: niektóre wzmacniacze są drogie w montażu, niektóre mogą przejść w nasycenie, dla niektórych trudno jest skoordynować zastosowane elementy. Zawsze są funkcje, z którymi projektant wzmacniacza musi się zmierzyć.
Korzystając ze wszystkich zaleceń podanych w tym artykule, możesz zbudować własny wzmacniacz do użytku domowegozamiast kupować to urządzenie, które może kosztować dużo pieniędzy, jeśli chodzi o urządzenia wysokiej jakości.
