Нискочестотният усилвател (наричан по-долу ULF) е електронно устройство, предназначено да усилва нискочестотните трептения до това, от което се нуждае потребителят. Те могат да се изпълняват на различни електронни елементи като различни видове транзистори, лампи или операционни усилватели. Всички ULF имат редица параметри, които характеризират ефективността на тяхната работа.
Тази статия ще говори за използването на такова устройство, неговите параметри, методи на изграждане с помощта на различни електронни компоненти. Схемата на нискочестотните усилватели също ще бъде разгледана.
ULF приложение
ULF най-често се използва в оборудване за възпроизвеждане на звук, тъй като в тази област на технологиите често е необходимо да се усилва честотата на сигнала до тази, която човешкото тяло може да възприеме (от 20 Hz до 20 kHz).
Други ULF приложения:
- измервателна технология;
- дефектоскопия;
- аналогово изчисление.
По принцип бас усилвателите се срещат като компоненти на различни електронни схеми, като радиостанции, акустични устройства, телевизори или радиопредаватели.
Параметри
Най-важният параметър за един усилвател е усилването. Изчислява се като съотношение на изхода към входа. В зависимост от разглежданата стойност те разграничават:
- ток усилване=изходен ток / входен ток;
- усилване на напрежението=изходно напрежение / входно напрежение;
- усилване на мощност=изходна мощност / входяща мощност.
За някои устройства, като операционни усилватели, стойността на този коефициент е много голяма, но е неудобно да се работи с твърде големи (както и твърде малки) числа при изчисления, така че печалбите често се изразяват в логаритмични единици. За това важат следните формули:
- усилване на мощността в логаритмични единици=10логаритъм на желаното усилване на мощността;
- текущо усилване в логаритмични единици=20десетичен логаритъм на желаното текущо усилване;
- усилване на напрежението в логаритмични единици=20логаритъм от желаното усилване на напрежението.
Коефициентите, изчислени по този начин, се измерват в децибели. Съкратено име - dB.
Следващият важен параметърусилвател - коефициент на изкривяване на сигнала. Важно е да се разбере, че усилването на сигнала възниква в резултат на неговите трансформации и промени. Не е фактът, че винаги тези трансформации ще се случват правилно. Поради тази причина изходният сигнал може да се различава от входния, например по форма.
Идеални усилватели не съществуват, така че изкривяването винаги е налице. Вярно е, че в някои случаи те не надхвърлят допустимите граници, докато в други го правят. Ако хармониците на сигналите на изхода на усилвателя съвпадат с хармониците на входните сигнали, тогава изкривяването е линейно и се свежда само до промяна на амплитудата и фазата. Ако на изхода се появят нови хармоници, тогава изкривяването е нелинейно, защото води до промяна във формата на сигнала.
С други думи, ако изкривяването е линейно и на входа на усилвателя е имало “a” сигнал, тогава изходът ще бъде “A” сигнал, а ако е нелинеен, тогава изходът ще бъде "B" сигнал.
Последният важен параметър, който характеризира работата на усилвателя, е изходната мощност. Разновидности на мощността:
- Оценено.
- Паспортен шум.
- Максимален краткосрочен.
- Максимален дългосрочен.
И четирите типа са стандартизирани от различни GOST и стандарти.
Усилватели
Исторически, първите усилватели са създадени на вакуумни тръби, които принадлежат към класа вакуумни устройства.
В зависимост от електродите, разположени вътре в херметичната колба, лампите се разграничават:
- диоди;
- триоди;
- tetrodes;
- пентоди.
Максимумброят на електродите е осем. Има и такива електровакуумни устройства като клистрони.
Триоден усилвател
На първо място, струва си да разберете схемата за превключване. Описание на схемата на нискочестотния триоден усилвател е дадено по-долу.
Нажежаемата жичка, която загрява катода, е под напрежение. Напрежението се прилага и към анода. Под действието на температурата от катода се избиват електрони, които се втурват към анода, към който се прилага положителен потенциал (електроните имат отрицателен потенциал).
Част от електроните се прихващат от третия електрод - мрежата, към която също се подава напрежение, само редуващо се. С помощта на мрежата се регулира анодният ток (токът във веригата като цяло). Ако върху мрежата се приложи голям отрицателен потенциал, всички електрони от катода ще се установят върху нея и няма да тече ток през лампата, тъй като токът е насочено движение на електрони и мрежата блокира това движение.
Усилването на лампата регулира резистора, който е свързан между захранването и анода. Той задава желаната позиция на работната точка върху характеристиката на тока-напрежение, от която зависят параметрите на усилването.
Защо позицията на работната точка е толкова важна? Защото зависи от това колко ток и напрежение (и следователно мощност) ще бъдат усилени във веригата на нискочестотния усилвател.
Изходният сигнал на триодния усилвател се взема от областта между анода и резистора, свързан пред него.
Усилвателят е включенклистрон
Принципът на работа на нискочестотен клистронов усилвател се основава на модулация на сигнала първо по скорост и след това по плътност.
Клистронът е подреден по следния начин: колбата има катод, нагряван от нажежаема жичка, и колектор (аналогичен на анода). Между тях са входните и изходните резонатори. Електроните, излъчени от катода, се ускоряват от напрежение, приложено към катода и се втурват към колектора.
Някои електрони ще се движат по-бързо, други по-бавно - така изглежда модулацията на скоростта. Поради разликата в скоростта на движение, електроните се групират в лъчи - така се проявява модулацията на плътността. Модулираният по плътност сигнал влиза в изходния резонатор, където създава сигнал със същата честота, но по-голяма мощност от входния резонатор.
Оказва се, че кинетичната енергия на електроните се преобразува в енергията на микровълновите трептения на електромагнитното поле на изходния резонатор. Ето как се усилва сигналът в клистрона.
Характеристики на електровакуумните усилватели
Ако сравним качеството на един и същ сигнал, усилен от лампово устройство и ULF на транзисторите, разликата ще бъде видима с просто око, а не в полза на последния.
Всеки професионален музикант ще ви каже, че ламповите усилватели са много по-добри от техните модерни колеги.
Електровакуумните устройства отдавна са излезли от масовата консумация, те са заменени от транзистори и микросхеми, но това е без значение за областта на възпроизвеждането на звук. Благодарение на стабилността на температурата и вакуума вътре, ламповите устройства усилват сигнала по-добре.
Единственият недостатък на тръбата ULF е високата цена, което е логично: скъпо е да се произвеждат елементи, които не са масово търсене.
Биполярни транзисторни усилватели
Често усилвателните стъпала се сглобяват с помощта на транзистори. Един прост нискочестотен усилвател може да бъде сглобен само от три основни елемента: кондензатор, резистор и n-p-n транзистор.
За да сглобите такъв усилвател, ще трябва да заземите емитера на транзистора, да свържете последователно кондензатор към неговата база и резистор в паралел. Товарът трябва да бъде поставен пред колектора. Препоръчително е да свържете ограничителен резистор към колектора в тази верига.
Допустимото захранващо напрежение на такава схема на нискочестотен усилвател варира от 3 до 12 волта. Стойността на резистора трябва да бъде избрана експериментално, като се вземе предвид фактът, че неговата стойност трябва да бъде поне 100 пъти по-голяма от съпротивлението на натоварването. Стойността на кондензатора може да варира от 1 до 100 микрофарада. Капацитетът му влияе върху честотата, на която може да работи усилвателят. Колкото по-голям е капацитетът, толкова по-нисък е честотният рейтинг, който транзисторът може да усили.
Входният сигнал на нискочестотния биполярен транзисторен усилвател се прилага към кондензатора. Положителният захранващ полюс трябва да бъде свързан към точката на свързване на товара и резистора, свързан успоредно с основата и кондензатора.
За да подобрите качеството на такъв сигнал, можете да свържете паралелно свързани кондензатор и резистор към емитера, които играят ролята на отрицателна обратна връзка.
Усилвател с два биполярни транзистора
За да увеличите усилването, можете да свържете два единични ULF транзистора в един. Тогава печалбите от тези устройства могат да бъдат умножени.
Въпреки че ако продължите да увеличавате броя на усилвателните стъпала, шансът за самовъзбуждане на усилвателите ще се увеличи.
Транзисторен усилвател с полеви ефект
Нискочестотните усилватели също се сглобяват върху полеви транзистори (наричани по-долу PT). Веригите на такива устройства не се различават много от тези, които са сглобени на биполярни транзистори.
Усилвател с n-канален изолиран вход FET (тип ITF) ще се разглежда като пример.
А кондензатор е свързан последователно към субстрата на този транзистор, а делител на напрежение е свързан паралелно. Към източника на FET е свързан резистор (можете да използвате и паралелна връзка на кондензатор и резистор, както е описано по-горе). Ограничаващ резистор и захранване са свързани към дренажа и се създава товарна клема между резистора и дренажа.
Входният сигнал към нискочестотните полеви транзисторни усилватели се прилага към гейта. Това също става чрез кондензатор.
Както можете да видите от обяснението, най-простата схема на транзисторен усилвател с полеви ефект не се различава от нискочестотната биполярна транзисторна усилвателна схема.
Въпреки това, когато работите с PT, трябва да се вземат предвид следните характеристики на тези елементи:
- FET високо Rвход=I / Ugate-source. Транзисторите с полеви ефект се управляват от електрическо поле,което се поражда от стрес. Следователно FET се управляват от напрежение, а не ток.
- FETs не консумират почти никакъв ток, което води до леко изкривяване на оригиналния сигнал.
- Няма инжектиране на заряд в транзисторите с полеви ефект, така че нивото на шума на тези елементи е много ниско.
- Те са устойчиви на температура.
Основният недостатък на FET е тяхната висока чувствителност към статично електричество.
Мнозина са запознати със ситуацията, когато привидно непроводими неща шокират човек. Това е проявата на статичното електричество. Ако такъв импулс се приложи към един от контактите на полевия транзистор, елементът може да бъде деактивиран.
По този начин, когато работите с PT, е по-добре да не хващате контактите с ръцете си, за да не повредите случайно елемента.
OpAmp устройство
Операционният усилвател (наричан по-долу op-amp) е устройство с диференцирани входове, което има много високо усилване.
Усилването на сигнала не е единствената функция на този елемент. Може да работи и като генератор на сигнали. Независимо от това, именно неговите усилващи свойства представляват интерес за работа с ниски честоти.
За да направите сигнален усилвател от операционния усилвател, трябва правилно да свържете верига за обратна връзка към него, която е обикновен резистор. Как да разбера къде да свържете тази верига? За да направите това, трябва да се обърнете към трансферната характеристика на операционния усилвател. Има две хоризонтални и една линейна секции. Ако работната точкаустройството е разположено на една от хоризонталните секции, тогава операционният усилвател работи в генераторен режим (импулсен режим), ако е разположен на линейна секция, тогава операционният усилвател усилва сигнала.
За да прехвърлите операционния усилвател в линеен режим, трябва да свържете резистора за обратна връзка с единия контакт към изхода на устройството, а другия - към инвертиращия вход. Това включване се нарича отрицателна обратна връзка (NFB).
Ако се изисква нискочестотният сигнал да бъде усилен и да не се променя във фаза, тогава инвертиращият вход с OOS трябва да бъде заземен и усиленият сигнал трябва да бъде приложен към неинвертиращия вход. Ако е необходимо да се усили сигналът и да се промени фазата му на 180 градуса, тогава неинвертиращият вход трябва да бъде заземен, а входният сигнал трябва да бъде свързан към инвертиращия.
В този случай не трябва да забравяме, че операционният усилвател трябва да се захранва с противоположни полярности. За това той има специални контакти.
Важно е да се отбележи, че работата с такива устройства понякога е трудна за избор на елементи за схемата на нискочестотния усилвател. Тяхната внимателна координация е необходима не само по отношение на номиналните стойности, но и по отношение на материалите, от които са изработени, за да се постигнат желаните параметри на усилване.
Усилвател на чип
ULF може да се сглобява и върху електровакуумни елементи, и върху транзистори, и върху операционни усилватели, само вакуумните тръби са от миналия век, а останалите схеми не са без недостатъци, чиято корекция неизбежно води до усложняване на дизайна на усилвателя. Това е неудобно.
Инженерите отдавна са намерили по-удобна опция за създаване на ULF: индустрията произвежда готови микросхеми, които действат като усилватели.
Всяка от тези схеми е набор от операционни усилватели, транзистори и други елементи, свързани по определен начин.
Примери за някои серии ULF под формата на интегрални схеми:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Всички горепосочени серии се използват в аудио оборудване. Всеки модел има различни характеристики: захранващо напрежение, изходна мощност, усилване.
Изработени са под формата на малки елементи с много щифтове, които са удобни за поставяне на дъската и монтиране.
За да работите с нискочестотен усилвател на микросхема, е полезно да знаете основите на логическата алгебра, както и принципите на действие на логическите елементи И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Почти всяко електронно устройство може да бъде сглобено върху логически елементи, но в този случай много схеми ще се окажат обемисти и неудобни за инсталиране.
Затова използването на готови интегрални схеми, които изпълняват функцията ULF изглежда най-удобната практична опция.
Подобрение на схемата
Гореното беше пример за това как можете да подобрите усиления сигнал, когато работите с биполярни и полеви транзистори (чрез паралелно свързване на кондензатор и резистор).
Такива структурни подобрения могат да бъдат направени с почти всяка схема. Разбира се, въвеждането на нови елементи се увеличаваспад на напрежението (загуби), но благодарение на това свойствата на различни вериги могат да бъдат подобрени. Например, кондензаторите са отлични честотни филтри.
На резистивни, капацитивни или индуктивни елементи се препоръчва да се събират най-простите филтри, които филтрират честотите, които не трябва да попадат във веригата. Чрез комбиниране на резистивни и капацитивни елементи с операционни усилватели могат да бъдат сглобени по-ефективни филтри (интегратори, диференциатори на Sallen-Key, филтри с прорези и лента).
В заключение
Най-важните параметри на честотните усилватели са:
- печалба;
- коефициент на изкривяване на сигнала;
- изходна мощност.
Нискочестотните усилватели се използват най-често в аудио оборудване. Можете да събирате данни за устройството на практика за следните елементи:
- на вакуумни тръби;
- на транзистори;
- на операционни усилватели;
- върху готови чипове.
Характеристиките на нискочестотните усилватели могат да бъдат подобрени чрез въвеждане на резистивни, капацитивни или индуктивни елементи.
Всяка от горните схеми има своите предимства и недостатъци: някои усилватели са скъпи за сглобяване, някои могат да преминат в насищане, за някои е трудно да се координират използваните елементи. Винаги има функции, с които дизайнерът на усилвателя трябва да се справи.
Използвайки всички препоръки, дадени в тази статия, можете да изградите свой собствен усилвател за домашна употребавместо да купувате това устройство, което може да струва много пари, когато става въпрос за висококачествени устройства.
