Lågfrekvent förstärkare (hädanefter kallad ULF) är en elektronisk enhet designad för att förstärka lågfrekventa oscillationer till den som konsumenten behöver. De kan utföras på olika elektroniska element såsom olika typer av transistorer, rör eller operationsförstärkare. Alla ULF:er har ett antal parametrar som kännetecknar effektiviteten i deras arbete.
Den här artikeln kommer att prata om användningen av en sådan enhet, dess parametrar, konstruktionsmetoder med olika elektroniska komponenter. Kretsen hos lågfrekventa förstärkare kommer också att beaktas.
ULF-ansökan
ULF används oftast i ljudåtergivningsutrustning, eftersom det inom detta teknikområde ofta är nödvändigt att förstärka signalfrekvensen till den som människokroppen kan uppfatta (från 20 Hz till 20 kHz).
Andra ULF-applikationer:
- mätteknik;
- defektoskopi;
- analog datoranvändning.
I allmänhet finns basförstärkare som komponenter i olika elektroniska kretsar, såsom radioapparater, akustiska enheter, tv-apparater eller radiosändare.
Parametrar
Den viktigaste parametern för en förstärkare är förstärkningen. Det beräknas som förhållandet mellan utmatningen och ingången. Beroende på värdet som övervägs skiljer de åt:
- current gain=utström/ingångsström;
- spänningsförstärkning=utspänning/ingångsspänning;
- power gain=uteffekt/ingångseffekt.
För vissa enheter, som op-förstärkare, är värdet på denna koefficient mycket stort, men det är obekvämt att arbeta med för stora (liksom för små) tal i beräkningar, så förstärkningar uttrycks ofta i logaritmisk enheter. Följande formler gäller för detta:
- effektförstärkning i logaritmiska enheter=10logaritm av önskad effektförstärkning;
- strömförstärkning i logaritmiska enheter=20decimallogaritm för önskad strömförstärkning;
- spänningsförstärkning i logaritmiska enheter=20logaritm av önskad spänningsförstärkning.
Koefficienter som beräknas på detta sätt mäts i decibel. Förkortat namn - dB.
Nästa viktiga parameterförstärkare - signalförvrängningskoefficient. Det är viktigt att förstå att signalförstärkning uppstår som ett resultat av dess transformationer och förändringar. Inte det faktum att alltid dessa transformationer kommer att ske korrekt. Av denna anledning kan utsignalen skilja sig från insignalen, till exempel i form.
Ideala förstärkare finns inte, så distorsion är alltid närvarande. Det är sant att de i vissa fall inte överskrider de tillåtna gränserna, medan de i andra gör det. Om övertonerna hos signalerna vid förstärkarens utgång sammanfaller med övertonerna hos insignalerna, är distorsionen linjär och reduceras endast till en förändring i amplitud och fas. Om nya övertoner dyker upp vid utgången är distorsionen icke-linjär, eftersom den leder till en förändring i signalformen.
Med andra ord, om distorsionen är linjär och det fanns en "a"-signal vid förstärkarens ingång, kommer utsignalen att vara en "A"-signal, och om den är icke-linjär, då utgången kommer att vara en "B"-signal.
Den sista viktiga parametern som kännetecknar förstärkarens funktion är uteffekten. Kraftvarianter:
- Rated.
- Pasljud.
- Maximum på kort sikt.
- Maximum på lång sikt.
Alla fyra typerna är standardiserade av olika GOSTs och standarder.
Vamplifers
Historiskt sett skapades de första förstärkarna på vakuumrör, som tillhör klassen av vakuumenheter.
Beroende på elektroderna placerade inuti den hermetiska kolven, särskiljs lamporna:
- dioder;
- triodes;
- tetrodes;
- pentodes.
Maxantalet elektroder är åtta. Det finns också sådana elektrovakuumanordningar som klystroner.
Triodeförstärkare
Först och främst är det värt att förstå växlingsschemat. En beskrivning av den lågfrekventa triodförstärkarkretsen ges nedan.
Glödtråden som värmer katoden är strömsatt. Spänning appliceras också på anoden. Under inverkan av temperaturen slås elektroner ut från katoden, som rusar till anoden, till vilken en positiv potential appliceras (elektroner har en negativ potential).
En del av elektronerna fångas upp av den tredje elektroden - nätet, till vilket spänning också appliceras, endast alternerande. Med hjälp av nätet regleras anodströmmen (strömmen i kretsen som helhet). Om en stor negativ potential appliceras på nätet, kommer alla elektroner från katoden att lägga sig på det, och ingen ström kommer att flyta genom lampan, eftersom strömmen är en riktad rörelse av elektroner, och nätet blockerar denna rörelse.
Lampförstärkningen justerar motståndet som är anslutet mellan strömförsörjningen och anoden. Den ställer in önskad position för arbetspunkten på ström-spänningskarakteristiken, som förstärkningsparametrarna beror på.
Varför är positionen för driftpunkten så viktig? Eftersom det beror på hur mycket ström och spänning (och därmed effekt) som kommer att förstärkas i den lågfrekventa förstärkarkretsen.
Utsignalen på triodförstärkaren tas från området mellan anoden och motståndet som är anslutet framför den.
Förstärkaren påklystron
Funktionsprincipen för en lågfrekvent klystronförstärkare är baserad på signalmodulering först i hastighet och sedan i densitet.
Klystronen är anordnad enligt följande: kolven har en katod som värms upp av en filament och en kollektor (analog med anoden). Mellan dem finns ingångs- och utgångsresonatorerna. Elektroner som emitteras från katoden accelereras av en spänning som appliceras på katoden och rusar till kollektorn.
Vissa elektroner kommer att röra sig snabbare, andra långsammare - så här ser hastighetsmodulering ut. På grund av skillnaden i rörelsehastigheten grupperas elektroner i strålar - det är så densitetsmodulering manifesterar sig. Den densitetsmodulerade signalen går in i utgångsresonatorn, där den skapar en signal med samma frekvens, men större effekt än ingångsresonatorn.
Det visar sig att den kinetiska energin hos elektroner omvandlas till energin från mikrovågssvängningar i det elektromagnetiska fältet i utgångsresonatorn. Så här förstärks signalen i klystronen.
Funktioner hos elektrovakuumförstärkare
Om vi jämför kvaliteten på samma signal som förstärks av en rörenhet och ULF på transistorer, kommer skillnaden att vara synlig för blotta ögat, inte till förmån för det senare.
Alla professionella musiker kommer att berätta för dig att rörförstärkare är mycket bättre än sina avancerade motsvarigheter.
Elektrovakuumenheter har länge gått ur masskonsumtion, de ersattes av transistorer och mikrokretsar, men detta är irrelevant för ljudåtergivningsområdet. På grund av temperaturstabiliteten och vakuumet inuti förstärker lampenheter signalen bättre.
Den enda nackdelen med ULF-röret är det höga priset, vilket är logiskt: det är dyrt att tillverka element som inte är efterfrågade.
Bipolär transistorförstärkare
Ofta sätts förstärkarsteg ihop med transistorer. En enkel lågfrekvent förstärkare kan sammanställas av bara tre grundläggande element: en kondensator, ett motstånd och en n-p-n transistor.
För att montera en sådan förstärkare måste du jorda transistorns emitter, ansluta en kondensator i serie till basen och ett motstånd parallellt. Lasten ska placeras framför uppsamlaren. Det är lämpligt att ansluta ett begränsningsmotstånd till kollektorn i denna krets.
Den tillåtna matningsspänningen för en sådan lågfrekvent förstärkarkrets varierar från 3 till 12 volt. Värdet på motståndet bör väljas experimentellt, med hänsyn till det faktum att dess värde måste vara minst 100 gånger belastningsmotståndet. Värdet på kondensatorn kan variera från 1 till 100 mikrofarad. Dess kapacitans påverkar mängden frekvens som förstärkaren kan arbeta med. Ju större kapacitans, desto lägre frekvensklass kan transistorn förstärka.
Ingångssignalen från den lågfrekventa bipolära transistorförstärkaren matas till kondensatorn. Den positiva strömpolen måste anslutas till anslutningspunkten för lasten och motståndet kopplas parallellt med basen och kondensatorn.
För att förbättra kvaliteten på en sådan signal kan du ansluta en parallellkopplad kondensator och ett motstånd till emittern, som spelar rollen som negativ återkoppling.
Förstärkare med två bipolära transistorer
För att öka förstärkningen kan du koppla två enkla ULF-transistorer till en. Sedan kan vinsterna för dessa enheter multipliceras.
Även om du fortsätter att öka antalet förstärkarsteg, kommer chansen att förstärkare självexcitera att öka.
Fälteffekttransistorförstärkare
Lågfrekventa förstärkare är också sammansatta på fälteffekttransistorer (nedan kallade PT). Kretsarna för sådana enheter skiljer sig inte mycket från de som är monterade på bipolära transistorer.
En n-kanals FET-förstärkare med isolerad grind (ITF-typ) kommer att betraktas som ett exempel.
En kondensator är ansluten i serie till substratet på denna transistor, och en spänningsdelare är parallellkopplad. Ett motstånd är anslutet till FET-källan (du kan också använda en parallellanslutning av en kondensator och ett motstånd, som beskrivits ovan). Ett begränsningsmotstånd och ström är anslutna till avloppet, och en lastterminal skapas mellan motståndet och avloppet.
Ingångssignalen till lågfrekventa fälteffekttransistorförstärkare tillförs grinden. Detta görs också genom en kondensator.
Som du kan se av förklaringen skiljer sig den enklaste fälteffekttransistorförstärkarkretsen inte från den lågfrekventa bipolära transistorförstärkarkretsen.
Men när du arbetar med PT bör följande egenskaper hos dessa element beaktas:
- FET hög Rinput=I / Ugate-source. Fälteffekttransistorer styrs av ett elektriskt fält,som skapas av stress. Därför styrs FET:er av spänning, inte ström.
- FET:er förbrukar nästan ingen ström, vilket medför en liten förvrängning av originalsignalen.
- Det finns ingen laddningsinjektion i fälteffekttransistorer, så brusnivån för dessa element är mycket låg.
- De är temperaturbeständiga.
Den största nackdelen med FET är deras höga känslighet för statisk elektricitet.
Många är bekanta med situationen när till synes icke-konduktiva saker chockerar en person. Detta är manifestationen av statisk elektricitet. Om en sådan impuls appliceras på en av kontakterna på fälteffekttransistorn, kan elementet inaktiveras.
När du arbetar med PT är det därför bättre att inte ta kontakterna med händerna för att inte skada elementet av misstag.
OpAmp-enhet
Operationsförstärkare (nedan kallad op-amp) är en enhet med differentierade ingångar, som har en mycket hög förstärkning.
Signalförstärkning är inte den enda funktionen för detta element. Den kan också fungera som en signalgenerator. Ändå är det dess förstärkande egenskaper som är av intresse för arbete med låga frekvenser.
För att göra en signalförstärkare av en operationsförstärkare måste du korrekt ansluta en återkopplingskrets till den, som är ett vanligt motstånd. Hur förstår man var man ansluter denna krets? För att göra detta måste du hänvisa till överföringskarakteristiken för op-förstärkaren. Den har två horisontella och en linjär sektion. Om driftpunktenenheten är placerad på en av de horisontella sektionerna, då arbetar operationsförstärkaren i generatorläge (pulsläge), om den är placerad på en linjär sektion förstärker op-förstärkaren signalen.
För att överföra op-förstärkaren till linjärt läge måste du ansluta återkopplingsmotståndet med en kontakt till enhetens utgång och den andra - till den inverterande ingången. Denna inkludering kallas negativ feedback (NFB).
Om det krävs att den lågfrekventa signalen förstärks och inte ändras i fas, bör den inverterande ingången med OOS jordas, och den förstärkta signalen bör tillföras den icke-inverterande ingången. Om det är nödvändigt att förstärka signalen och ändra dess fas med 180 grader, måste den icke-inverterande ingången vara jordad, och ingångssignalen måste anslutas till den inverterande.
I det här fallet får vi inte glömma att operationsförstärkaren måste förses med effekt med motsatta polariteter. För detta har han speciella kontaktpersoner.
Det är viktigt att notera att det ibland är svårt att arbeta med sådana enheter att välja element för lågfrekventa förstärkarkretsar. Deras noggranna koordination krävs inte bara i termer av nominella värden, utan också i termer av de material som de är gjorda av, för att uppnå de önskade förstärkningsparametrarna.
Förstärkare på ett chip
ULF kan monteras på elektrovakuumelement och på transistorer, och på operationsförstärkare, endast vakuumrör är det senaste århundradet, och resten av kretsarna är inte utan brister, vars korrigering oundvikligen innebär att komplicera designen av förstärkaren. Det här är obekvämt.
Ingenjörer har länge hittat ett bekvämare alternativ för att skapa ULF: industrin tillverkar färdiga mikrokretsar som fungerar som förstärkare.
Var och en av dessa kretsar är en uppsättning op-förstärkare, transistorer och andra element kopplade på ett visst sätt.
Exempel på några ULF-serier i form av integrerade kretsar:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Alla ovanstående serier används i ljudutrustning. Varje modell har olika egenskaper: matningsspänning, uteffekt, förstärkning.
De är gjorda i form av små element med många stift, som är bekväma att placera på brädan och montera.
För att arbeta med en lågfrekvent förstärkare på en mikrokrets är det användbart att känna till grunderna i logisk algebra, såväl som principerna för driften av logiska element AND-NOT, OR-NOT.
Nästan alla elektroniska enheter kan monteras på logiska element, men i det här fallet kommer många kretsar att visa sig vara skrymmande och obekväma för installation.
Därför verkar användningen av färdiga integrerade kretsar som utför ULF-funktionen vara det mest praktiska alternativet.
Förbättring av schema
Ovanstående var ett exempel på hur du kan förbättra den förstärkta signalen när du arbetar med bipolära transistorer och fälteffekttransistorer (genom att parallellkoppla en kondensator och ett motstånd).
Sådana strukturella uppgraderingar kan göras med nästan alla system. Givetvis ökar introduktionen av nya elementspänningsfall (förluster), men tack vare detta kan egenskaperna hos olika kretsar förbättras. Till exempel är kondensatorer utmärkta frekvensfilter.
På resistiva, kapacitiva eller induktiva element rekommenderas att man samlar in de enklaste filtren som filtrerar bort frekvenser som inte ska falla in i kretsen. Genom att kombinera resistiva och kapacitiva element med operationsförstärkare kan effektivare filter (integratorer, Sallen-Key differentiatorer, notch- och bandpassfilter) sättas ihop.
Avslutningsvis
De viktigaste parametrarna för frekvensförstärkare är:
- gain;
- signalförvrängningsfaktor;
- effekt.
Lågfrekvensförstärkare används oftast i ljudutrustning. Du kan samla in enhetsdata praktiskt taget på följande element:
- på vakuumrör;
- på transistorer;
- på operationsförstärkare;
- på färdiga marker.
Lågfrekventa förstärkares egenskaper kan förbättras genom att introducera resistiva, kapacitiva eller induktiva element.
Var och en av schemana ovan har sina egna fördelar och nackdelar: vissa förstärkare är dyra att montera, vissa kan gå i mättnad, för vissa är det svårt att koordinera elementen som används. Det finns alltid funktioner som förstärkardesignern måste hantera.
Med alla rekommendationer som ges i den här artikeln kan du bygga din egen förstärkare för hemmabrukistället för att köpa den här enheten, som kan kosta mycket pengar när det kommer till högkvalitativa enheter.
