Lavfrekvent forsterker (heretter referert til som ULF) er en elektronisk enhet designet for å forsterke lavfrekvente svingninger til den forbrukeren trenger. De kan utføres på ulike elektroniske elementer som ulike typer transistorer, rør eller operasjonsforsterkere. Alle ULF-er har en rekke parametere som karakteriserer effektiviteten av arbeidet deres.
Denne artikkelen vil snakke om bruken av en slik enhet, dens parametere, konstruksjonsmetoder ved bruk av ulike elektroniske komponenter. Kretsløpet til lavfrekvente forsterkere vil også bli vurdert.
ULF-søknad
ULF brukes oftest i lydgjengivelsesutstyr, fordi det i dette teknologifeltet ofte er nødvendig å forsterke signalfrekvensen til den menneskekroppen kan oppfatte (fra 20 Hz til 20 kHz).
Andre ULF-applikasjoner:
- måleteknologi;
- defektoskopi;
- analog databehandling.
Generelt finnes bassforsterkere som komponenter i ulike elektroniske kretser, for eksempel radioer, akustiske enheter, TV-apparater eller radiosendere.
Parameters
Den viktigste parameteren for en forsterker er forsterkningen. Det beregnes som forholdet mellom output og input. Avhengig av verdien som vurderes, skiller de:
- current gain=utgangsstrøm / inngangsstrøm;
- voltage gain=utgangsspenning / inngangsspenning;
- power gain=utgangseffekt/inngangseffekt.
For noen enheter, som op-ampere, er verdien av denne koeffisienten veldig stor, men det er upraktisk å jobbe med for store (så vel som for små) tall i beregninger, så gevinster uttrykkes ofte i logaritmisk enheter. Følgende formler gjelder for dette:
- effektforsterkning i logaritmiske enheter=10logaritme av ønsket effektforsterkning;
- strømforsterkning i logaritmiske enheter=20desimallogaritme for ønsket strømforsterkning;
- spenningsforsterkning i logaritmiske enheter=20logaritme av ønsket spenningsforsterkning.
Koeffisienter beregnet på denne måten er målt i desibel. Forkortet navn - dB.
Den neste viktige parameterenforsterker - signalforvrengningskoeffisient. Det er viktig å forstå at signalforsterkning oppstår som et resultat av dens transformasjoner og endringer. Ikke det faktum at alltid disse transformasjonene vil skje riktig. Av denne grunn kan utgangssignalet avvike fra inngangssignalet, for eksempel i form.
Ideelle forsterkere finnes ikke, så forvrengning er alltid til stede. Riktignok går de i noen tilfeller ikke utover de tillatte grensene, mens de i andre gjør det. Hvis overtonene til signalene ved utgangen av forsterkeren faller sammen med harmoniske til inngangssignalene, er forvrengningen lineær og reduseres bare til en endring i amplitude og fase. Hvis nye harmoniske vises ved utgangen, er forvrengningen ikke-lineær, fordi den fører til en endring i signalformen.
Med andre ord, hvis forvrengningen er lineær og det var et "a"-signal ved inngangen til forsterkeren, vil utgangen være et "A"-signal, og hvis den er ikke-lineær, vil utgangen vil være et "B"-signal.
Den siste viktige parameteren som kjennetegner driften av forsterkeren er utgangseffekten. Kraftvarianter:
- Rated.
- Passstøy.
- Maksimal kortsiktig.
- Maksimal langsiktig.
Alle fire typene er standardisert av ulike GOST-er og standarder.
Vamplifiers
Historisk sett ble de første forsterkerne laget på vakuumrør, som tilhører klassen av vakuumenheter.
Avhengig av elektrodene som er plassert inne i den hermetiske kolben, er lampene forskjellige:
- diodes;
- triodes;
- tetrodes;
- pentodes.
Maksimumantall elektroder er åtte. Det finnes også slike elektrovakuumenheter som klystroner.
Triodeforsterker
Først av alt er det verdt å forstå bytteordningen. En beskrivelse av lavfrekvent triodeforsterkerkrets er gitt nedenfor.
Glødetråden som varmer opp katoden får energi. Spenning påføres også anoden. Under påvirkning av temperatur blir elektroner slått ut fra katoden, som skynder seg til anoden, som et positivt potensial påføres (elektroner har et negativt potensial).
En del av elektronene fanges opp av den tredje elektroden - gitteret, som det også påføres spenning til, kun vekslende. Ved hjelp av nettet reguleres anodestrømmen (strømmen i kretsen som helhet). Hvis et stort negativt potensial påføres gitteret, vil alle elektronene fra katoden legge seg på det, og det vil ikke strømme strøm gjennom lampen, fordi strømmen er en rettet bevegelse av elektroner, og gitteret blokkerer denne bevegelsen.
Lampeforsterkningen justerer motstanden som er koblet mellom strømforsyningen og anoden. Den setter ønsket posisjon for driftspunktet på strøm-spenningskarakteristikken, som forsterkningsparameterne avhenger av.
Hvorfor er posisjonen til operasjonspunktet så viktig? Fordi det avhenger av hvor mye strøm og spenning (og dermed effekt) som vil bli forsterket i lavfrekvente forsterkerkretsen.
Utgangssignalet på triodeforsterkeren tas fra området mellom anoden og motstanden som er koblet foran den.
Forsterker påklystron
Operasjonsprinsippet til en lavfrekvent klystronforsterker er basert på signalmodulasjon først i hastighet og deretter i tetthet.
Klystronen er arrangert som følger: kolben har en katode oppvarmet av en filament, og en kollektor (analog med anoden). Mellom dem er inngangs- og utgangsresonatorene. Elektroner som sendes ut fra katoden akselereres av en spenning som påføres katoden og skynder seg til kollektoren.
Noen elektroner vil bevege seg raskere, andre langsommere - slik ser hastighetsmodulasjon ut. På grunn av forskjellen i bevegelseshastigheten blir elektroner gruppert i stråler - dette er hvordan tetthetsmodulasjon manifesterer seg. Det tetthetsmodulerte signalet går inn i utgangsresonatoren, hvor det skaper et signal med samme frekvens, men større effekt enn inngangsresonatoren.
Det viser seg at den kinetiske energien til elektroner omdannes til energien til mikrobølgesvingninger i det elektromagnetiske feltet til utgangsresonatoren. Slik forsterkes signalet i klystronen.
Funksjoner til elektrovakuumforsterkere
Hvis vi sammenligner kvaliteten på det samme signalet forsterket av en rørenhet og ULF på transistorer, vil forskjellen være synlig for det blotte øye, ikke til fordel for sistnevnte.
Enhver profesjonell musiker vil fortelle deg at rørforsterkere er mye bedre enn sine avanserte motstykker.
Elektrovakuumenheter har for lengst gått ut av masseforbruk, de ble erstattet av transistorer og mikrokretser, men dette er irrelevant for lydgjengivelsesfeltet. På grunn av temperaturstabiliteten og vakuumet inne, forsterker lampeenheter signalet bedre.
Den eneste ulempen med røret ULF er den høye prisen, som er logisk: det er dyrt å produsere elementer som ikke er etterspurt i massevis.
Bipolar transistorforsterker
Ofte settes forsterketrinn sammen ved hjelp av transistorer. En enkel lavfrekvent forsterker kan settes sammen av bare tre grunnleggende elementer: en kondensator, en motstand og en n-p-n transistor.
For å sette sammen en slik forsterker, må du jorde transistorens emitter, koble en kondensator i serie til basen og en motstand parallelt. Lasten skal plasseres foran oppsamleren. Det anbefales å koble en begrensningsmotstand til kollektoren i denne kretsen.
Den tillatte forsyningsspenningen til en slik lavfrekvent forsterkerkrets varierer fra 3 til 12 volt. Verdien av motstanden bør velges eksperimentelt, under hensyntagen til det faktum at verdien må være minst 100 ganger belastningsmotstanden. Verdien på kondensatoren kan variere fra 1 til 100 mikrofarad. Kapasitansen påvirker mengden frekvens som forsterkeren kan operere på. Jo større kapasitans, desto lavere er frekvensen som transistoren kan forsterke.
Inngangssignalet til den lavfrekvente bipolare transistorforsterkeren tilføres kondensatoren. Den positive strømpolen må kobles til tilkoblingspunktet til lasten og motstanden kobles parallelt med basen og kondensatoren.
For å forbedre kvaliteten på et slikt signal kan du koble en parallellkoblet kondensator og motstand til emitteren, som spiller rollen som negativ tilbakemelding.
Forsterker med to bipolare transistorer
For å øke forsterkningen kan du koble to enkle ULF-transistorer til én. Deretter kan gevinsten til disse enhetene multipliseres.
Selv om du fortsetter å øke antallet forsterketrinn, vil sjansen for selveksitering av forsterkere øke.
Felteffekttransistorforsterker
Lavfrekvente forsterkere er også satt sammen på felteffekttransistorer (heretter referert til som PT). Kretsene til slike enheter er ikke mye forskjellig fra de som er satt sammen på bipolare transistorer.
En n-kanals isolert gate FET (ITF type) forsterker vil bli vurdert som et eksempel.
En kondensator er koblet i serie til substratet til denne transistoren, og en spenningsdeler er koblet parallelt. En motstand er koblet til kilden til FET (du kan også bruke en parallellkobling av en kondensator og en motstand, som beskrevet ovenfor). En begrensningsmotstand og strøm kobles til avløpet, og det opprettes en lastterminal mellom motstanden og avløpet.
Inngangssignalet til lavfrekvente felteffekttransistorforsterkere tilføres porten. Dette gjøres også gjennom en kondensator.
Som du kan se av forklaringen, er den enkleste felteffekttransistorforsterkerkretsen ikke forskjellig fra den lavfrekvente bipolare transistorforsterkerkretsen.
Men når du arbeider med PT, bør følgende funksjoner ved disse elementene tas i betraktning:
- FET høy Rinput=I / Ugate-source. Felteffekttransistorer styres av et elektrisk felt,som er generert av stress. Derfor styres FET-er av spenning, ikke strøm.
- FET-er bruker nesten ingen strøm, noe som medfører en liten forvrengning av det opprinnelige signalet.
- Det er ingen ladningsinjeksjon i felteffekttransistorer, så støynivået til disse elementene er svært lavt.
- De er temperaturbestandige.
Den største ulempen med FET-er er deres høye følsomhet for statisk elektrisitet.
Mange er kjent med situasjonen når tilsynelatende ikke-ledende ting sjokkerer en person. Dette er manifestasjonen av statisk elektrisitet. Hvis en slik impuls påføres en av kontaktene til felteffekttransistoren, kan elementet deaktiveres.
Derfor, når du arbeider med PT, er det bedre å ikke ta kontaktene med hendene for ikke å skade elementet ved et uhell.
OpAmp-enhet
Operasjonsforsterker (heretter referert til som op-amp) er en enhet med differensierte innganger, som har en veldig høy forsterkning.
Signalforsterkning er ikke den eneste funksjonen til dette elementet. Den kan også fungere som en signalgenerator. Ikke desto mindre er det dens forsterkende egenskaper som er av interesse for arbeid med lave frekvenser.
For å lage en signalforsterker av en operasjonsforsterker, må du koble en tilbakemeldingskrets riktig til den, som er en vanlig motstand. Hvordan forstå hvor denne kretsen skal kobles til? For å gjøre dette, må du referere til overføringskarakteristikken til op-ampen. Den har to horisontale og en lineær seksjon. Hvis driftspunktetenheten er plassert på en av de horisontale seksjonene, så fungerer op-ampen i generatormodus (pulsmodus), hvis den er plassert på en lineær seksjon, så forsterker op-ampen signalet.
For å overføre op-ampen til lineær modus, må du koble tilbakemeldingsmotstanden med en kontakt til utgangen på enheten, og den andre - til den inverterende inngangen. Denne inkluderingen kalles negativ tilbakemelding (NFB).
Hvis det kreves at det lavfrekvente signalet skal forsterkes og ikke endres i fase, bør den inverterende inngangen med OOS jordes, og det forsterkede signalet skal tilføres den ikke-inverterende inngangen. Hvis det er nødvendig å forsterke signalet og endre fasen med 180 grader, må den ikke-inverterende inngangen jordes, og inngangssignalet må kobles til den inverterende.
I dette tilfellet må vi ikke glemme at operasjonsforsterkeren må forsynes med kraft med motsatte polariteter. For dette har han spesielle kontaktpersoner.
Det er viktig å merke seg at arbeid med slike enheter noen ganger er vanskelig å velge elementer for lavfrekvente forsterkerkretser. Deres nøye koordinering kreves ikke bare når det gjelder nominelle verdier, men også når det gjelder materialene de er laget av, for å oppnå de ønskede forsterkningsparametrene.
Forsterker på en brikke
ULF kan monteres på elektrovakuumelementer, og på transistorer, og på operasjonsforsterkere, kun vakuumrør er det forrige århundre, og resten av kretsene er ikke uten feil, hvis korreksjon uunngåelig medfører komplisering av designet av forsterkeren. Dette er upraktisk.
Ingeniører har lenge funnet et mer praktisk alternativ for å lage ULF: industrien produserer ferdige mikrokretser som fungerer som forsterkere.
Hver av disse kretsene er et sett med op-forsterkere, transistorer og andre elementer koblet på en bestemt måte.
Eksempler på noen ULF-serier i form av integrerte kretser:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Alle seriene ovenfor brukes i lydutstyr. Hver modell har forskjellige egenskaper: forsyningsspenning, utgangseffekt, forsterkning.
De er laget i form av små elementer med mange pinner, som er praktiske å plassere på brettet og montere.
For å jobbe med en lavfrekvent forsterker på en mikrokrets er det nyttig å kjenne til det grunnleggende om logisk algebra, samt prinsippene for drift av logiske elementer OG-IKKE, ELLER-NOT.
Nesten alle elektroniske enheter kan settes sammen på logiske elementer, men i dette tilfellet vil mange kretser vise seg å være store og upraktiske for installasjon.
Derfor ser bruken av ferdige integrerte kretser som utfører ULF-funksjonen ut til å være det mest praktiske alternativet.
Forbedring av ordningen
Ovennevnte var et eksempel på hvordan du kan forbedre det forsterkede signalet når du arbeider med bipolare og felteffekttransistorer (ved å koble en kondensator og motstand parallelt).
Slike strukturelle oppgraderinger kan gjøres med nesten alle ordninger. Selvfølgelig øker introduksjonen av nye elementerspenningsfall (tap), men takket være dette kan egenskapene til ulike kretser forbedres. For eksempel er kondensatorer utmerkede frekvensfiltre.
På resistive, kapasitive eller induktive elementer anbefales det å samle de enkleste filtrene som filtrerer ut frekvenser som ikke skal falle inn i kretsen. Ved å kombinere resistive og kapasitive elementer med operasjonsforsterkere, kan mer effektive filtre (integratorer, Sallen-Key differensiatorer, notch- og båndpassfiltre) settes sammen.
Avslutningsvis
De viktigste parameterne for frekvensforsterkere er:
- gain;
- signalforvrengningsfaktor;
- effekt.
Lavfrekvente forsterkere brukes oftest i lydutstyr. Du kan samle inn enhetsdata praktisk t alt på følgende elementer:
- på vakuumrør;
- på transistorer;
- på operasjonsforsterkere;
- på ferdige sjetonger.
Karakteristikkene til lavfrekvente forsterkere kan forbedres ved å introdusere resistive, kapasitive eller induktive elementer.
Hvert av skjemaene ovenfor har sine egne fordeler og ulemper: noen forsterkere er dyre å montere, noen kan gå i metning, for noen er det vanskelig å koordinere elementene som brukes. Det er alltid funksjoner som forsterkerdesigneren må forholde seg til.
Ved å bruke alle anbefalingene gitt i denne artikkelen kan du bygge din egen forsterker for hjemmebruki stedet for å kjøpe denne enheten, som kan koste mye penger når det kommer til enheter av høy kvalitet.
