Obvod nízkofrekvenčného zosilňovača. Klasifikácia a princíp fungovania unf

Nízkofrekvenčný zosilňovač (ďalej len LF) je elektronické zariadenie určené na zosilnenie nízkofrekvenčných kmitov na ten, ktorý spotrebiteľ potrebuje. Môžu byť vykonávané na rôznych elektronických prvkoch, ako sú tranzistory rôznych typov, lampy alebo operačné zosilňovače. Všetky UNCs majú množstvo parametrov, ktoré charakterizujú efektívnosť ich práce.

Tento článok bude hovoriť o použití takéhoto zariadenia, jeho parametroch, spôsoboch konštrukcie pomocou rôznych elektronických komponentov. Budú sa brať do úvahy aj obvody nízkofrekvenčných zosilňovačov.

Uplatňovanie UNF

Najčastejšie sa UHF používa v zariadeniach na reprodukciu zvuku, pretože v tejto oblasti technológie je často potrebné zosilniť frekvenciu signálu na frekvenciu, ktorú môže ľudské telo vnímať (od 20 Hz do 20 kHz).

Ďalšie aplikácie UNF:

• meracie prístroje;
• detekcia chýb;
• Analógové výpočty.

Všeobecne sa nízkofrekvenčné zosilňovače nachádzajú ako komponenty rôznych elektronických obvodov, napríklad rádií, akustických zariadení, televízorov alebo rádiových vysielačov.

Parameter

Najdôležitejším parametrom pre zosilňovač je faktor zisku. Vypočíta sa ako pomer výstupného signálu k vstupu. V závislosti od posudzovanej hodnoty existujú:

• aktuálny zisk = výstupný prúd / vstupný prúd;
• zisk napätia = výstupné napätie / vstupné napätie;
• výkonový zisk = výstupný výkon / vstupný výkon.

Pre niektoré zariadenia, ako sú operačné zosilňovače, je hodnota tohto koeficientu veľmi vysoká, ale je nepohodlné pracovať s príliš veľkými (ako aj s príliš malými) číslami počas výpočtov, takže koeficienty zisku sú často vyjadrené v logaritmických jednotkách. Na tento účel sa používajú nasledujúce vzorce:

• príkon v logaritmických jednotkách = 10 * desatinný logaritmus požadovaného príkonu;
• aktuálny zisk v logaritmických jednotkách = 20 * desatinný logaritmus požadovaného aktuálneho zisku;
• zisk napätia v logaritmických jednotkách = 20 * desatinný logaritmus požadovaného zisku napätia.

Takto vypočítané koeficienty sa merajú v decibeloch. Skrátený názov-dB.

Ďalším dôležitým parametrom zosilňovača je koeficient skreslenia signálu. Je dôležité pochopiť, že k zosilneniu signálu dochádza v dôsledku jeho transformácií a zmien. Nie je pravda, že tieto transformácie sa vždy vyskytnú správne. Pre toto dôvod, výstup signál sa môže líšiť od vstupu, napríklad vo forme.

Neexistujú žiadne dokonalé zosilňovače, takže vždy dochádza k skresleniu. V niektorých prípadoch však neprekračujú prípustné limity a 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, potom je skreslenie nelineárne, pretože vedie k zmene tvaru vlny.

Jednoducho povedané, ak je skreslenie lineárne a na vstupe zosilňovača bol signál "a", potom výstupom bude signál" A", a ak je nelineárny, potom výstupom bude signál"B".

Posledným dôležitým parametrom charakterizujúcim činnosť zosilňovača je výstupný výkon. Odrody moci:

1. Nominálny.
2. Hluk pasu.
3. Maximálne krátkodobé.
4. Maximálne dlhodobé.

Všetky štyri typy sú normalizované rôznymi normami a normami GOST.

Zosilňovače na lampách

Historicky boli prvé zosilňovače vytvorené na elektronických žiarovkách, ktoré patria do triedy elektrovákuových zariadení.

V závislosti od elektród umiestnených vo vnútri utesnenej žiarovky žiarovky existujú:

• dióda;
• triódy;
• tetrodes;
• pentódy.

Maximálny počet elektród je osem. Existujú aj také elektro-vákuové zariadenia ako klystróny.

Triódový zosilňovač

Na začiatok je potrebné pochopiť schému začlenenia. Opis obvodu nízkofrekvenčného zosilňovača na trióde je uvedený nižšie.

Na vlákno, ktoré ohrieva katódu, sa privádza napätie. Napätie sa tiež aplikuje na anódu. Elektróny sú vyrazené z katódy pod vplyvom teploty, ktoré sa ponáhľajú na anódu, na ktorú sa aplikuje pozitívny potenciál (elektróny majú negatívny potenciál).

, Časť elektrónov je zachytená treťou elektródou-mriežkou, do ktorej je tiež dodávané napätie, iba striedavé. Pomocou mriežky je regulovaný anódový prúd (prúd v obvode ako celku). Ak sa na mriežku aplikuje veľký negatívny potenciál, usadia sa na nej všetky elektróny z katódy a lampou nebude prúdiť žiadny prúd, pretože prúd je smerový pohyb elektrónov a mriežka tento pohyb blokuje.

Zisk lampy reguluje odpor, ktorý je pripojený medzi napájacím zdrojom a anódou. Nastavuje požadovanú polohu pracovného bodu na voltampérovej charakteristike, od ktorej závisia parametre zosilnenia.

Prečo je pozícia pracovného bodu taká dôležitá? Pretože to závisí od toho, koľko bude prúd a napätie (teda výkon) zosilnené v obvode nízkofrekvenčného zosilňovača.

Výstupný signál na triódovom zosilňovači je odstránený z oblasti medzi anódou a odporom pripojeným pred ňou.

Klystron zosilňovač

Princíp činnosti nízkofrekvenčného zosilňovača na klystrone je založený na modulácii signálu najskôr rýchlosťou a potom hustotou.

Klystron je usporiadaný nasledovne: v banke je katóda zahrievaná vláknom a kolektor (analóg anódy). Medzi nimi sú vstupné a výstupné rezonátory. Elektróny emitované z katódy sa urýchľujú napätím dodávaným do katódy a ponáhľajú sa do kolektora.

Niektoré elektróny sa budú pohybovať rýchlejšie, iné pomalšie – takto vyzerá modulácia rýchlosti. Kvôli rozdielu v rýchlosti pohybu sú elektróny zoskupené do lúčov - takto sa prejavuje modulácia hustoty. Signál modulovaný hustotou sa dostáva do výstupného rezonátora, kde vytvára signál rovnakej frekvencie, ale s väčším výkonom ako vstupný rezonátor.

Ukazuje sa, že kinetická energia elektrónov sa premieňa na energiu mikrovlnných oscilácií elektromagnetického poľa výstupného rezonátora. Takto je signál zosilnený v klystrone.

Vlastnosti elektrovákuových zosilňovačov

Ak porovnáme kvalitu toho istého signálu zosilneného trubicovým zariadením a UNF na tranzistoroch, rozdiel bude viditeľný voľným okom, nie v prospech druhého.

Každý profesionálny hudobník povie, že elektrónkové zosilňovače sú oveľa lepšie ako ich pokročilé náprotivky.

Elektrovákuové zariadenia sú už dlho mimo masovej spotreby, boli nahradené tranzistormi a mikročipmi, čo je však pre oblasť reprodukcie zvuku irelevantné. Vďaka teplotnej stabilite a vákuu vo vnútri lampové zariadenia lepšie zosilňujú signál.

Jedinou nevýhodou trubice UNF je vysoká cena, ktorá je logická: je drahé vyrábať prvky, ktoré nie sú v masovom dopyte.

Bipolárny tranzistorový zosilňovač

Zosilňovacie stupne sa často zostavujú pomocou tranzistorov. Jednoduchý nízkofrekvenčný zosilňovač je možné zostaviť iba z troch hlavných prvkov: kondenzátora, odporu a tranzistora n-p-n.

Na zostavenie takéhoto zosilňovača budete musieť uzemniť vysielač tranzistora, zapojiť kondenzátor do Série k jeho základni a paralelne rezistor. Zaťaženie by malo byť umiestnené pred kolektorom. V tejto schéme je vhodné pripojiť k kolektoru obmedzujúci odpor.

Prípustné napájacie napätie takého nízkofrekvenčného zosilňovacieho obvodu sa pohybuje od 3 do 12 voltov. Menovitá hodnota odporu by sa mala zvoliť experimentálne, berúc do úvahy, že jeho hodnota by mala byť najmenej 100-krát väčšia ako odpor zaťaženia. Menovitá hodnota kondenzátora sa môže pohybovať od 1 do 100 UF. Jeho kapacita ovplyvňuje množstvo frekvencie, s ktorou môže zosilňovač pracovať. Čím väčšia je kapacita, tým nižšia je nominálna frekvencia, ktorú môže tranzistor zosilniť.

Vstupný signál nízkofrekvenčného zosilňovača na bipolárnom tranzistore sa privádza do kondenzátora. Kladný pól napájacieho zdroja musí byť pripojený k bodu pripojenia záťaže a odpor pripojený paralelne k základni a kondenzátoru.

Na zlepšenie kvality takéhoto signálu môžete pripojiť kondenzátor a rezistor paralelne pripojený k žiariču, ktorý hrá úlohu negatívnej spätnej väzby.

Zosilňovač s dvoma bipolárnymi tranzistormi

Ak chcete zvýšiť zisk, môžete pripojiť dva jednoduché UHF tranzistory do jedného. Potom je možné vynásobiť koeficienty zisku týchto zariadení.

Aj keď budeme pokračovať v zvyšovaní počtu stupňov zosilňovača, šanca na samobudenie zosilňovačov sa zvýši.

Tranzistorový zosilňovač s efektom poľa

Nízkofrekvenčné zosilňovače sú tiež zostavené na tranzistoroch s efektom poľa (ďalej len PT). Obvody takýchto zariadení sa príliš nelíšia od obvodov, ktoré sú zostavené na bipolárnych tranzistoroch.

Ako príklad uvažujeme zosilňovač na tranzistore s efektom poľa s izolovanou bránou s n-kanálom (Typ TIR).

K substrátu tohto tranzistora je sériovo zapojený kondenzátor a paralelne je zapojený delič napätia. K zdroju PT je pripojený odpor (môžete tiež použiť paralelné pripojenie kondenzátora a odporu, ako je opísané vyššie). K odtoku je pripojený obmedzujúci odpor a napájací zdroj a medzi odporom a odtokom je vytvorený záťažový výstup.

Vstupný signál do nízkofrekvenčných zosilňovačov na tranzistoroch s efektom poľa sa privádza do brány. To sa deje aj prostredníctvom kondenzátora.

Ako je zrejmé z vysvetlenia, obvod najjednoduchšieho zosilňovača na tranzistore s efektom poľa sa nelíši od obvodu nízkofrekvenčného zosilňovača na bipolárnom tranzistore.

Pri práci s PT však stojí za zváženie nasledujúce vlastnosti týchto prvkov:

1. PT má vysokú R_{podľa vstupu} = I / U_gate-source. Tranzistory s efektom poľa sú riadené elektrickým poľom, ktoré sa vytvára v dôsledku napätia. Preto je PT riadený napätím, nie prúdom.
2. PT takmer nespotrebováva prúd, čo má za následok slabé skreslenie pôvodného signálu.
3. V tranzistoroch s efektom poľa nie je vstrekovanie náboja, takže hladina hluku týchto prvkov je veľmi nízka.
4. Sú odolné voči teplotným zmenám.

Hlavnou nevýhodou tranzistorov s efektom poľa je ich vysoká citlivosť na statickú elektrinu.

Mnoho ľudí pozná situáciu, keď zdanlivo nevodivé veci šokujú človeka. Toto je prejav statickej elektriny. Ak sa takýto impulz aplikuje na jeden z kontaktov tranzistora s efektom poľa, je možné prvok deaktivovať.

Pri práci s PT je teda lepšie nezaberať kontakty rukami, aby nedošlo k náhodnému poškodeniu prvku.

Zariadenie na operačnom zosilňovači

Operačný zosilňovač( ďalej len OP AMP) je zariadenie s diferencovanými vstupmi s veľmi vysokým ziskom.

Zosilnenie signálu nie je jedinou funkciou tohto prvku. Môže tiež fungovať ako generátor signálu. Avšak , práve jeho zosilňovacie vlastnosti sú zaujímavé pre prácu s nízkymi frekvenciami.

Na vytvorenie zosilňovača signálu z operačného zosilňovača je potrebné k nemu správne pripojiť spätnoväzbový obvod, ktorým je konvenčný odpor. Ako nakupovať, kde pripojiť tento obvod? Ak to chcete urobiť, musíte sa obrátiť na prenosovú charakteristiku op. Má dve horizontálne a jednu lineárnu časť. Ak je prevádzkový bod zariadenia umiestnený na jednej z vodorovných častí, potom operačný zosilňovač pracuje v režime generátora (pulzný režim), ak je umiestnený na lineárnom úseku, potom operačný zosilňovač zosilňuje signál.

Ak chcete prepnúť operačný zosilňovač do lineárneho režimu, musíte pripojiť spätnoväzbový odpor s jedným kontaktom k výstupu zariadenia a druhý k invertujúcemu vstupu. Takéto začlenenie sa nazýva negatívna spätná väzba (OOS).

Ak sa vyžaduje, aby bol nízkofrekvenčný signál zosilnený a nezmenil sa vo fáze, potom by mal byť invertujúci vstup z OOS uzemnený a na neinvertujúci vstup by mal byť privádzaný zosilnený signál. Ak je potrebné zosilniť signál a zmeniť jeho fázu o 180 stupňov, potom musí byť neinvertujúci vstup uzemnený a na invertujúci musí byť privádzaný vstupný signál.

Zároveň nesmieme zabúdať, že operačný zosilňovač musí byť dodávaný s výkonom opačných polarít. Na tento účel má špeciálne kontaktné vedenie.

Je dôležité poznamenať, že pri práci s takýmito zariadeniami je niekedy ťažké vybrať prvky pre obvod nízkofrekvenčného zosilňovača. Ich starostlivá koordinácia je potrebná nielen pre nominálne hodnoty, ale aj pre materiály, z ktorých sú vyrobené, aby sa dosiahli požadované parametre zisku.

Zosilňovač na čipe

UNF môže byť zostavený na elektro-vákuových prvkoch, tranzistoroch a operačných zosilňovačoch, iba elektronické žiarovky sú minulé storočie a ostatné obvody nie sú bez nevýhod, ktorých korekcia nevyhnutne znamená komplikáciu konštrukcie zosilňovača. Je to nepohodlné.

Inžinieri už dlho našli pohodlnejší spôsob, ako vytvoriť ULF: priemysel vyrába hotové čipy, ktoré fungujú ako zosilňovače.

Každý z týchto obvodov je súbor operačných zosilňovačov, tranzistorov a ďalších prvkov spojených určitým spôsobom.

Príklady niektorých sérií UNF vo forme integrovaných obvodov:

• TDA7057Q.
• K174UN7.
• TDA1518BQ.
• TDA2050.

Všetky vyššie uvedené série sa používajú v audio zariadeniach. Každý z modelov má odlišné vlastnosti: napájacie napätie, Výstupný výkon, koeficienty zisku.

Vyrábajú sa vo forme malých prvkov s mnohými terminálmi, ktoré je vhodné umiestniť na dosku a namontovať.

Pre prácu s nízkofrekvenčným zosilňovačom na čipe je užitočné poznať aj základy logickej algebry ako princípy fungovania logickými prvkami a-nie, alebo-nie.

Takmer všetky elektronické zariadenia môžu byť zostavené na logických prvkoch, ale v tomto prípade sa mnohé obvody ukážu ako ťažkopádne a nepohodlné na inštaláciu.

Preto sa použitie hotových integrovaných obvodov, ktoré vykonávajú funkciu ULF, javí ako najpohodlnejšia praktická možnosť.

Zlepšenie schém

Vyššie bol uvedený príklad toho, ako je možné zosilnený signál vylepšiť pri práci s bipolárnymi tranzistormi a tranzistormi s efektom poľa (pripojením paralelného pripojenia kondenzátora a odporu).

Takéto štrukturálne vylepšenia je možné vykonať s takmer akýmikoľvek schémami. Zavedenie nových prvkov samozrejme zvyšuje pokles napätia (stratu), ale vďaka tomu je možné zlepšiť vlastnosti rôznych obvodov. Napríklad kondenzátory sú vynikajúce frekvenčné filtre.

Na odporových, kapacitných alebo indukčných prvkoch sa odporúča zostaviť 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, diferenciátory podľa Sallenovej schémy, zárezy a pásmové filtre).

Na záver

Najdôležitejšie parametre frekvenčných zosilňovačov sú:

• získať;
• faktor skreslenia signálu;
• výstupný výkon.

Nízkofrekvenčné zosilňovače sa najčastejšie používajú v zvukových zariadeniach. Údaje o zariadení je možné zhromažďovať prakticky na nasledujúcich prvkoch:

• na vákuových trubiciach;
• na tranzistoroch;
• na operačných zosilňovačoch;
• na hotových čipoch.

Charakteristiky nízkofrekvenčných zosilňovačov je možné zlepšiť zavedením odporových, kapacitných alebo indukčných prvkov.

Každá z vyššie uvedených schém má svoje vlastné výhody a nevýhody: niektoré zosilňovače sú drahé na montáž, niektoré môžu ísť do sýtosti, pre niektoré je ťažké koordinovať použité prvky. Vždy existujú funkcie, s ktorými musí osoba zapojená do návrhu zosilňovačov počítať.

Pomocou všetkých odporúčaní uvedených v tomto článku si môžete namiesto nákupu tohto zariadenia zostaviť vlastný zosilňovač pre domáce použitie, ktorý môže stáť veľa peňazí, ak hovoríme o vysokokvalitných zariadeniach.