Nízkofrekvenčný zosilňovač (ďalej len ULF) je elektronické zariadenie určené na zosilnenie nízkofrekvenčných kmitov na tie, ktoré spotrebiteľ potrebuje. Môžu byť vykonávané na rôznych elektronických prvkoch, ako sú rôzne typy tranzistorov, elektrónok alebo operačných zosilňovačov. Všetky ULF majú množstvo parametrov, ktoré charakterizujú efektivitu ich práce.
Tento článok bude hovoriť o použití takéhoto zariadenia, jeho parametroch, spôsoboch konštrukcie pomocou rôznych elektronických komponentov. Zohľadní sa aj obvod nízkofrekvenčných zosilňovačov.
Aplikácia ULF
ULF sa najčastejšie používa v zariadeniach na reprodukciu zvuku, pretože v tejto oblasti techniky je často potrebné zosilniť frekvenciu signálu na frekvenciu, ktorú ľudské telo dokáže vnímať (od 20 Hz do 20 kHz).
Iné aplikácie ULF:
- technológia merania;
- defektoskopia;
- analógové výpočty.
Vo všeobecnosti sa basové zosilňovače nachádzajú ako súčasti rôznych elektronických obvodov, ako sú rádiá, akustické zariadenia, televízory alebo rádiové vysielače.
Parametre
Najdôležitejším parametrom zosilňovača je zisk. Vypočíta sa ako pomer výstupu k vstupu. V závislosti od uvažovanej hodnoty rozlišujú:
- prúdový zisk=výstupný prúd / vstupný prúd;
- zosilnenie napätia=výstupné napätie / vstupné napätie;
- zosilnenie výkonu=výstupný výkon / vstupný výkon.
Pre niektoré zariadenia, ako sú operačné zosilňovače, je hodnota tohto koeficientu veľmi veľká, ale je nepohodlné pracovať s príliš veľkými (a tiež príliš malými) číslami vo výpočtoch, takže zisky sú často vyjadrené v logaritmickom tvare Jednotky. Na tento účel platia nasledujúce vzorce:
- zosilnenie výkonu v logaritmických jednotkách=10logaritmus požadovaného zisku výkonu;
- prúdový zisk v logaritmických jednotkách=20dekadický logaritmus požadovaného prúdového zisku;
- zosilnenie napätia v logaritmických jednotkách=20logaritmus požadovaného zosilnenia napätia.
Takto vypočítané koeficienty sa merajú v decibeloch. Skrátený názov - dB.
Ďalší dôležitý parameterzosilňovač - koeficient skreslenia signálu. Je dôležité pochopiť, že k zosilneniu signálu dochádza v dôsledku jeho transformácií a zmien. Nie skutočnosť, že tieto transformácie vždy prebehnú správne. Z tohto dôvodu sa výstupný signál môže líšiť od vstupného signálu, napríklad v tvare.
Ideálne zosilňovače neexistujú, takže skreslenie je vždy prítomné. Je pravda, že v niektorých prípadoch neprekračujú prípustné hranice, zatiaľ čo v iných áno. Ak sa harmonické signály na výstupe zosilňovača zhodujú s harmonickými vstupnými signálmi, potom je skreslenie lineárne a redukuje sa iba na zmenu amplitúdy a fázy. Ak sa na výstupe objavia nové harmonické, skreslenie je nelineárne, pretože vedie k zmene tvaru signálu.
Inými slovami, ak je skreslenie lineárne a na vstupe zosilňovača bol signál „a“, potom výstup bude signál „A“, a ak je nelineárny, potom výstup bude signál „B“.
Konečným dôležitým parametrom, ktorý charakterizuje činnosť zosilňovača, je výstupný výkon. Výkonové odrody:
- Hodnotené.
- Hluk v pase.
- Maximálne krátkodobé.
- Maximálne dlhodobé.
Všetky štyri typy sú štandardizované rôznymi GOST a normami.
Vamplifikátory
Historicky prvé zosilňovače boli vytvorené na elektrónkach, ktoré patria do triedy vákuových zariadení.
V závislosti od elektród umiestnených vo vnútri hermetickej banky sa lampy rozlišujú:
- diodes;
- triodes;
- tetrodes;
- pentódy.
Maximálnepočet elektród je osem. Existujú aj také elektrovákuové zariadenia ako klystróny.
Tródový zosilňovač
V prvom rade stojí za to pochopiť schému prepínania. Popis obvodu nízkofrekvenčného triódového zosilňovača je uvedený nižšie.
Vlákno, ktoré ohrieva katódu, je napájané. Napätie sa privádza aj na anódu. Pôsobením teploty sú z katódy vyrazené elektróny, ktoré sa ponáhľajú na anódu, na ktorú je privedený kladný potenciál (elektróny majú záporný potenciál).
Časť elektrónov je zachytená treťou elektródou - mriežkou, na ktorú je tiež privedené napätie, len striedavé. Pomocou mriežky sa reguluje anódový prúd (prúd v obvode ako celku). Ak sa na mriežku privedie veľký záporný potenciál, všetky elektróny z katódy sa na nej usadia a lampou nepreteká žiadny prúd, pretože prúd je riadený pohyb elektrónov a mriežka tento pohyb blokuje.
Zisk lampy upravuje odpor, ktorý je zapojený medzi napájací zdroj a anódu. Nastavuje požadovanú polohu pracovného bodu na charakteristike prúdového napätia, od ktorej závisia parametre zosilnenia.
Prečo je poloha operačného bodu taká dôležitá? Pretože to závisí od toho, koľko prúdu a napätia (a teda výkonu) bude zosilnené v obvode nízkofrekvenčného zosilňovača.
Výstupný signál na triódovom zosilňovači sa odoberá z oblasti medzi anódou a rezistorom pripojeným pred ňou.
Zosilňovač je zapnutýklystron
Princíp činnosti nízkofrekvenčného klystronového zosilňovača je založený na modulácii signálu najprv v rýchlosti a potom v hustote.
Klystron je usporiadaný nasledovne: banka má katódu vyhrievanú vláknom a kolektor (analogicky ako anóda). Medzi nimi sú vstupné a výstupné rezonátory. Elektróny emitované z katódy sú urýchľované napätím aplikovaným na katódu a vrhajú sa do kolektora.
Niektoré elektróny sa budú pohybovať rýchlejšie, iné pomalšie – takto vyzerá modulácia rýchlosti. Kvôli rozdielu v rýchlosti pohybu sa elektróny združujú do lúčov – tak sa prejavuje modulácia hustoty. Signál s modulovanou hustotou vstupuje do výstupného rezonátora, kde vytvára signál rovnakej frekvencie, ale väčšieho výkonu ako vstupný rezonátor.
Ukazuje sa, že kinetická energia elektrónov sa premieňa na energiu mikrovlnných kmitov elektromagnetického poľa výstupného rezonátora. Takto sa zosilňuje signál v klystrone.
Funkcie elektrovákuových zosilňovačov
Ak porovnáme kvalitu rovnakého signálu zosilneného elektrónkovým zariadením a ULF na tranzistoroch, rozdiel bude viditeľný voľným okom, nie v prospech druhého.
Každý profesionálny hudobník vám povie, že lampové zosilňovače sú oveľa lepšie ako ich pokročilé náprotivky.
Elektrovakuové zariadenia už dávno vyšli z masovej spotreby, nahradili ich tranzistory a mikroobvody, ale to je pre oblasť reprodukcie zvuku irelevantné. Vďaka teplotnej stabilite a podtlaku vo vnútri lampové zariadenia zosilňujú signál lepšie.
Jedinou nevýhodou trubice ULF je vysoká cena, čo je logické: je drahé vyrábať prvky, po ktorých nie je masový dopyt.
Bipolárny tranzistorový zosilňovač
Zosilňovacie stupne sa často montujú pomocou tranzistorov. Jednoduchý nízkofrekvenčný zosilňovač môže byť zostavený len z troch základných prvkov: kondenzátora, rezistora a n-p-n tranzistora.
Na zostavenie takéhoto zosilňovača budete musieť uzemniť emitor tranzistora, zapojiť kondenzátor do série s jeho základňou a rezistor paralelne. Náklad by mal byť umiestnený pred kolektorom. V tomto obvode je vhodné pripojiť ku kolektoru obmedzovací odpor.
Povolené napájacie napätie takéhoto obvodu nízkofrekvenčného zosilňovača sa pohybuje od 3 do 12 voltov. Hodnota odporu by mala byť zvolená experimentálne, berúc do úvahy skutočnosť, že jeho hodnota musí byť najmenej 100-násobok odporu záťaže. Hodnota kondenzátora sa môže meniť od 1 do 100 mikrofaradov. Jeho kapacita ovplyvňuje množstvo frekvencie, na ktorej môže zosilňovač pracovať. Čím väčšia je kapacita, tým nižšie je frekvenčné hodnotenie, ktoré môže tranzistor zosilniť.
Vstupný signál nízkofrekvenčného bipolárneho tranzistorového zosilňovača sa privádza ku kondenzátoru. Kladný pól napájania musí byť pripojený k bodu pripojenia záťaže a odpor pripojený paralelne so základňou a kondenzátorom.
Na zlepšenie kvality takéhoto signálu môžete k emitoru pripojiť paralelne zapojený kondenzátor a rezistor, ktoré zohrávajú úlohu negatívnej spätnej väzby.
Zosilňovač s dvoma bipolárnymi tranzistormi
Ak chcete zvýšiť zisk, môžete pripojiť dva samostatné tranzistory ULF do jedného. Potom sa zisky týchto zariadení môžu znásobiť.
Aj keď budete pokračovať vo zvyšovaní počtu zosilňovacích stupňov, šanca na samobudenie zosilňovačov sa zvýši.
Tranzistorový zosilňovač s efektom poľa
Nízkofrekvenčné zosilňovače sa montujú aj na tranzistory s efektom poľa (ďalej len PT). Obvody takýchto zariadení sa príliš nelíšia od obvodov, ktoré sú zostavené na bipolárnych tranzistoroch.
Za príklad sa považuje n-kanálový izolovaný hradlový FET (typ ITF) zosilňovač.
K podložke tohto tranzistora je sériovo zapojený kondenzátor a paralelne je zapojený delič napätia. K zdroju FET je pripojený odpor (môžete tiež použiť paralelné pripojenie kondenzátora a odporu, ako je popísané vyššie). Obmedzovací odpor a napájanie sú pripojené k kolektoru a medzi odporom a kolektorom je vytvorená záťažová svorka.
Vstupný signál do nízkofrekvenčných tranzistorových zosilňovačov s efektom poľa sa privádza do hradla. Robí sa to aj cez kondenzátor.
Ako môžete vidieť z vysvetlenia, najjednoduchší obvod tranzistorového zosilňovača s efektom poľa sa nelíši od obvodu zosilňovača s nízkofrekvenčným bipolárnym tranzistorom.
Pri práci s PT by ste však mali brať do úvahy nasledujúce vlastnosti týchto prvkov:
- FET vysoké Rinput=I / Ugate-source. Tranzistory s efektom poľa sú riadené elektrickým poľom,ktorý je generovaný stresom. Preto sú FET riadené napätím, nie prúdom.
- FET nespotrebúvajú takmer žiadny prúd, čo spôsobuje mierne skreslenie pôvodného signálu.
- V tranzistoroch s efektom poľa nie je vstrekovanie náboja, takže hladina hluku týchto prvkov je veľmi nízka.
- Sú teplotne odolné.
Hlavnou nevýhodou FET je ich vysoká citlivosť na statickú elektrinu.
Mnohí poznajú situáciu, keď zdanlivo nevodivé veci človeka šokujú. Toto je prejav statickej elektriny. Ak sa takýto impulz privedie na jeden z kontaktov tranzistora s efektom poľa, prvok možno deaktivovať.
Pri práci s PT je teda lepšie nebrať kontakty rukami, aby ste náhodne nepoškodili prvok.
Zariadenie OpAmp
Operačný zosilňovač (ďalej len operačný zosilňovač) je zariadenie s diferencovanými vstupmi, ktoré má veľmi vysoký zisk.
Zosilnenie signálu nie je jedinou funkciou tohto prvku. Môže fungovať aj ako generátor signálu. Napriek tomu sú to jeho zosilňovacie vlastnosti, ktoré sú zaujímavé pre prácu s nízkymi frekvenciami.
Ak chcete vytvoriť zosilňovač signálu z operačného zosilňovača, musíte k nemu správne pripojiť spätnoväzbový obvod, ktorým je obyčajný odpor. Ako pochopiť, kam pripojiť tento okruh? Aby ste to dosiahli, musíte sa obrátiť na prenosovú charakteristiku operačného zosilňovača. Má dve horizontálne a jednu lineárnu časť. Ak je prevádzkový bodzariadenie je umiestnené na jednej z horizontálnych sekcií, potom operačný zosilňovač pracuje v režime generátora (impulzný režim), ak je umiestnený na lineárnej sekcii, potom operačný zosilňovač zosilňuje signál.
Ak chcete preniesť operačný zosilňovač do lineárneho režimu, musíte pripojiť spätnoväzbový odpor jedným kontaktom k výstupu zariadenia a druhým k invertnému vstupu. Toto zahrnutie sa nazýva negatívna spätná väzba (NFB).
Ak sa vyžaduje, aby bol nízkofrekvenčný signál zosilnený a nemenil fázu, potom by mal byť invertujúci vstup s OOS uzemnený a zosilnený signál by mal byť privedený na neinvertujúci vstup. Ak je potrebné zosilniť signál a zmeniť jeho fázu o 180 stupňov, potom musí byť neinvertujúci vstup uzemnený a vstupný signál musí byť pripojený na invertujúci.
V tomto prípade nesmieme zabúdať, že operačný zosilňovač musí byť napájaný opačnými polaritami. Na tento účel má špeciálne kontakty.
Je dôležité poznamenať, že práca s takýmito zariadeniami je niekedy náročná na výber prvkov pre obvod nízkofrekvenčného zosilňovača. Ich starostlivá koordinácia je potrebná nielen z hľadiska nominálnych hodnôt, ale aj z hľadiska materiálov, z ktorých sú vyrobené, aby sa dosiahli požadované parametre zosilnenia.
Zosilňovač na čipe
ULF je možné zostaviť na elektrovákuových prvkoch a na tranzistoroch a operačných zosilňovačoch, iba vákuové elektrónky sú z minulého storočia a ostatné obvody nie sú bez chýb, ktorých oprava nevyhnutne skomplikuje dizajn zosilňovača. Je to nepohodlné.
Inžinieri už dlho našli pohodlnejšiu možnosť na vytvorenie ULF: priemysel vyrába hotové mikroobvody, ktoré fungujú ako zosilňovače.
Každý z týchto obvodov je súbor operačných zosilňovačov, tranzistorov a iných prvkov spojených určitým spôsobom.
Príklady niektorých sérií ULF vo forme integrovaných obvodov:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Všetky vyššie uvedené série sa používajú v audio zariadeniach. Každý model má iné vlastnosti: napájacie napätie, výstupný výkon, zisk.
Vyrábajú sa vo forme malých prvkov s mnohými kolíkmi, ktoré sa dajú pohodlne umiestniť na dosku a pripevniť.
Pre prácu s nízkofrekvenčným zosilňovačom na mikroobvode je užitočné poznať základy logickej algebry, ako aj princípy fungovania logických prvkov AND-NOT, OR-NOT.
Takmer každé elektronické zariadenie je možné zostaviť na logické prvky, ale v tomto prípade sa mnohé obvody ukážu ako objemné a nepohodlné na inštaláciu.
Používanie hotových integrovaných obvodov, ktoré plnia funkciu ULF, sa preto javí ako najvhodnejšia praktická možnosť.
Zlepšenie schémy
Vyššie uvedené bolo príkladom toho, ako môžete zlepšiť zosilnený signál pri práci s bipolárnymi tranzistormi a tranzistormi s efektom poľa (paralelným pripojením kondenzátora a odporu).
Takéto štrukturálne vylepšenia je možné vykonať takmer akoukoľvek schémou. Samozrejme pribúda zavádzanie nových prvkovpokles napätia (straty), no vďaka tomu sa dajú zlepšiť vlastnosti rôznych obvodov. Napríklad kondenzátory sú vynikajúce frekvenčné filtre.
Na odporových, kapacitných alebo indukčných prvkoch sa odporúča zbierať najjednoduchšie filtre, ktoré odfiltrujú frekvencie, ktoré by nemali spadnúť do obvodu. Kombináciou odporových a kapacitných prvkov s operačnými zosilňovačmi je možné zostaviť efektívnejšie filtre (integrátory, Sallen-Keyove diferenciátory, zárezové a pásmové filtre).
Na záver
Najdôležitejšie parametre frekvenčných zosilňovačov sú:
- zisk;
- faktor skreslenia signálu;
- výkon.
V audio zariadeniach sa najčastejšie používajú nízkofrekvenčné zosilňovače. Údaje o zariadení môžete zbierať prakticky na nasledujúcich prvkoch:
- na vákuových trubiciach;
- na tranzistoroch;
- na operačných zosilňovačoch;
- na hotové žetóny.
Charakteristiky nízkofrekvenčných zosilňovačov možno zlepšiť zavedením odporových, kapacitných alebo indukčných prvkov.
Každá z vyššie uvedených schém má svoje výhody a nevýhody: montáž niektorých zosilňovačov je nákladná, niektoré sa môžu presýtiť, pre niektoré je ťažké koordinovať použité prvky. Vždy existujú funkcie, s ktorými sa musí dizajnér zosilňovača vysporiadať.
Pomocou všetkých odporúčaní uvedených v tomto článku si môžete zostaviť vlastný zosilňovač na domáce použitienamiesto kúpy tohto zariadenia, ktoré môže stáť veľa peňazí, pokiaľ ide o vysokokvalitné zariadenia.
