Lavfrekvent forstærker (herefter benævnt ULF) er en elektronisk enhed designet til at forstærke lavfrekvente svingninger til den, som forbrugeren har brug for. De kan udføres på forskellige elektroniske elementer såsom forskellige typer transistorer, rør eller operationsforstærkere. Alle ULF'er har en række parametre, der karakteriserer effektiviteten af deres arbejde.
Denne artikel vil tale om brugen af en sådan enhed, dens parametre, konstruktionsmetoder ved hjælp af forskellige elektroniske komponenter. Kredsløbet for lavfrekvente forstærkere vil også blive overvejet.
ULF-ansøgning
ULF bruges oftest i lydgengivelsesudstyr, fordi det inden for dette teknologiområde ofte er nødvendigt at forstærke signalfrekvensen til den, som den menneskelige krop kan opfatte (fra 20 Hz til 20 kHz).
Andre ULF-applikationer:
- måleteknologi;
- defektoskopi;
- analog computing.
Generelt findes basforstærkere som komponenter i forskellige elektroniske kredsløb, såsom radioer, akustiske enheder, fjernsyn eller radiosendere.
Parameters
Den vigtigste parameter for en forstærker er forstærkningen. Det beregnes som forholdet mellem output og input. Afhængigt af den vurderede værdi skelner de mellem:
- current gain=udgangsstrøm/indgangsstrøm;
- spændingsforstærkning=udgangsspænding/indgangsspænding;
- power gain=udgangseffekt/indgangseffekt.
For nogle enheder, såsom op-amps, er værdien af denne koefficient meget stor, men det er ubelejligt at arbejde med for store (såvel som for små) tal i beregninger, så gevinster udtrykkes ofte i logaritmisk enheder. Følgende formler gælder for dette:
- effektforstærkning i logaritmiske enheder=10logaritme af den ønskede effektforstærkning;
- aktuel forstærkning i logaritmiske enheder=20decimallogaritme for ønsket strømforstærkning;
- spændingsforstærkning i logaritmiske enheder=20logaritme af den ønskede spændingsforstærkning.
Koefficienter beregnet på denne måde måles i decibel. Forkortet navn - dB.
Den næste vigtige parameterforstærker - signalforvrængningskoefficient. Det er vigtigt at forstå, at signalforstærkning opstår som et resultat af dets transformationer og ændringer. Ikke det faktum, at disse transformationer altid vil ske korrekt. Af denne grund kan udgangssignalet afvige fra indgangssignalet, for eksempel i form.
Ideelle forstærkere findes ikke, så forvrængning er altid til stede. Sandt nok går de i nogle tilfælde ikke ud over de tilladte grænser, mens de i andre gør det. Hvis overtonerne af signalerne ved udgangen af forstærkeren falder sammen med indgangssignalernes harmoniske, så er forvrængningen lineær og reduceres kun til en ændring i amplitude og fase. Hvis der opstår nye harmoniske ved udgangen, er forvrængningen ikke-lineær, fordi den fører til en ændring i signalformen.
Med andre ord, hvis forvrængningen er lineær, og der var et "a"-signal ved forstærkerens indgang, så vil outputtet være et "A"-signal, og hvis det er ikke-lineært, vil output vil være et "B"-signal.
Den sidste vigtige parameter, der kendetegner forstærkerens drift, er udgangseffekten. Power varianter:
- Rated.
- passtøj.
- Maksimal kortsigtet.
- Maksimal langsigtet.
Alle fire typer er standardiseret af forskellige GOST'er og standarder.
Vamplifiers
Historisk set blev de første forstærkere skabt på vakuumrør, som tilhører klassen af vakuumenheder.
Afhængigt af elektroderne, der er placeret inde i den hermetiske kolbe, skelnes lamperne:
- dioder;
- trioder;
- tetrodes;
- pentodes.
Maksimumantallet af elektroder er otte. Der er også sådanne elektrovakuumanordninger som klystroner.
Triodeforstærker
Først og fremmest er det værd at forstå skifteordningen. En beskrivelse af lavfrekvent triodeforstærkerkredsløbet er givet nedenfor.
Glødetråden, der opvarmer katoden, får strøm. Spænding påføres også anoden. Under påvirkning af temperaturen slås elektroner ud fra katoden, som skynder sig til anoden, hvortil der påføres et positivt potentiale (elektroner har et negativt potentiale).
En del af elektronerne opfanges af den tredje elektrode - gitteret, hvortil der også påføres spænding, kun vekslende. Ved hjælp af nettet reguleres anodestrømmen (strømmen i kredsløbet som helhed). Hvis et stort negativt potentiale påføres gitteret, vil alle elektronerne fra katoden sætte sig på det, og der vil ikke strømme strøm gennem lampen, fordi strømmen er en rettet bevægelse af elektroner, og gitteret blokerer denne bevægelse.
Lampeforstærkningen justerer modstanden, der er forbundet mellem strømforsyningen og anoden. Den indstiller den ønskede position for driftspunktet på strøm-spændingskarakteristikken, som forstærkningsparametrene afhænger af.
Hvorfor er positionen af operationspunktet så vigtig? For det afhænger af, hvor meget strøm og spænding (og dermed effekt) der vil blive forstærket i lavfrekvente forstærkerkredsløb.
Udgangssignalet på triodeforstærkeren tages fra området mellem anoden og modstanden tilsluttet foran den.
Forstærker tændtklystron
Funktionsprincippet for en lavfrekvent klystron-forstærker er baseret på signalmodulation først i hastighed og derefter i tæthed.
Klystronen er arrangeret som følger: kolben har en katode opvarmet af en filament og en kollektor (analog med anoden). Mellem dem er input- og output-resonatorerne. Elektroner, der udsendes fra katoden, accelereres af en spænding, der påføres katoden og skynder sig til solfangeren.
Nogle elektroner vil bevæge sig hurtigere, andre langsommere - sådan ser hastighedsmodulation ud. På grund af forskellen i bevægelseshastigheden grupperes elektroner i stråler - det er sådan tæthedsmodulation manifesterer sig. Det tæthedsmodulerede signal kommer ind i udgangsresonatoren, hvor det skaber et signal med samme frekvens, men større effekt end indgangsresonatoren.
Det viser sig, at elektronernes kinetiske energi omdannes til energien fra mikrobølgeoscillationer i udgangsresonatorens elektromagnetiske felt. Sådan forstærkes signalet i klystronen.
Funktioner ved elektrovakuumforstærkere
Hvis vi sammenligner kvaliteten af det samme signal forstærket af en rørenhed og ULF på transistorer, vil forskellen være synlig for det blotte øje og ikke til fordel for sidstnævnte.
Enhver professionel musiker vil fortælle dig, at rørforstærkere er meget bedre end deres avancerede modstykker.
Elektrovakuum-enheder er for længst gået ud af masseforbrug, de blev erstattet af transistorer og mikrokredsløb, men dette er irrelevant for lydgengivelsesområdet. På grund af temperaturstabiliteten og vakuumet indeni forstærker lampenheder signalet bedre.
Den eneste ulempe ved røret ULF er den høje pris, hvilket er logisk: det er dyrt at producere elementer, der ikke er i masseefterspørgsel.
Bipolær transistorforstærker
Ofte samles forstærkningstrin ved hjælp af transistorer. En simpel lavfrekvent forstærker kan sammensættes af kun tre grundlæggende elementer: en kondensator, en modstand og en n-p-n transistor.
For at samle en sådan forstærker skal du jorde transistorens emitter, forbinde en kondensator i serie til dens base og en modstand parallelt. Byrden skal placeres foran opsamleren. Det er tilrådeligt at tilslutte en begrænsningsmodstand til kollektoren i dette kredsløb.
Den tilladte forsyningsspænding for et sådant lavfrekvent forstærkerkredsløb varierer fra 3 til 12 volt. Værdien af modstanden skal vælges eksperimentelt under hensyntagen til, at dens værdi skal være mindst 100 gange belastningsmodstanden. Værdien af kondensatoren kan variere fra 1 til 100 mikrofarads. Dens kapacitans påvirker mængden af frekvens, som forstærkeren kan fungere ved. Jo større kapacitansen er, jo lavere er frekvensen, som transistoren kan forstærke.
Inputsignalet fra den lavfrekvente bipolære transistorforstærker tilføres kondensatoren. Den positive strømpol skal forbindes til belastningens tilslutningspunkt, og modstanden skal forbindes parallelt med basen og kondensatoren.
For at forbedre kvaliteten af et sådant signal kan du tilslutte en parallelforbundet kondensator og modstand til emitteren, som spiller rollen som negativ feedback.
Forstærker med to bipolære transistorer
For at øge forstærkningen kan du forbinde to enkelt ULF-transistorer til én. Så kan disse enheders gevinster multipliceres.
Selv om du fortsætter med at øge antallet af forstærkertrin, vil chancen for selv-excitering af forstærkere stige.
Felteffekttransistorforstærker
Lavfrekvente forstærkere er også samlet på felteffekttransistorer (herefter benævnt PT). Kredsløbene i sådanne enheder er ikke meget forskellige fra dem, der er samlet på bipolære transistorer.
En n-kanal isoleret gate FET (ITF type) forstærker vil blive betragtet som et eksempel.
En kondensator er forbundet i serie til substratet af denne transistor, og en spændingsdeler er forbundet parallelt. En modstand er forbundet til kilden til FET (du kan også bruge en parallelforbindelse af en kondensator og en modstand, som beskrevet ovenfor). En begrænsningsmodstand og strøm er forbundet til afløbet, og der oprettes en belastningsterminal mellem modstanden og afløbet.
Inputsignalet til lavfrekvente felteffekttransistorforstærkere tilføres porten. Dette gøres også gennem en kondensator.
Som du kan se af forklaringen, er det enkleste felteffekttransistorforstærkerkredsløb ikke anderledes end det lavfrekvente bipolære transistorforstærkerkredsløb.
Men når du arbejder med PT, skal følgende funktioner i disse elementer tages i betragtning:
- FET høj Rinput=I / Ugate-source. Felteffekttransistorer styres af et elektrisk felt,som opstår af stress. Derfor styres FET'er af spænding, ikke strøm.
- FET'er bruger næsten ingen strøm, hvilket medfører en lille forvrængning af det originale signal.
- Der er ingen ladningsinjektion i felteffekttransistorer, så støjniveauet for disse elementer er meget lavt.
- De er temperaturbestandige.
Den største ulempe ved FET'er er deres høje følsomhed over for statisk elektricitet.
Mange er bekendt med situationen, hvor tilsyneladende ikke-ledende ting chokerer en person. Dette er manifestationen af statisk elektricitet. Hvis en sådan impuls påføres en af kontakterne på felteffekttransistoren, kan elementet deaktiveres.
Når du arbejder med PT'en, er det derfor bedre ikke at tage kontakterne med hænderne for ikke at beskadige elementet ved et uheld.
OpAmp-enhed
Operationsforstærker (herefter benævnt op-amp) er en enhed med differentierede indgange, som har en meget høj forstærkning.
Signalforstærkning er ikke den eneste funktion af dette element. Den kan også fungere som signalgenerator. Ikke desto mindre er det dens forstærkende egenskaber, der er af interesse for arbejde med lave frekvenser.
For at lave en signalforstærker ud af en operationsforstærker skal du korrekt tilslutte et feedbackkredsløb til den, som er en almindelig modstand. Hvordan forstår man, hvor man forbinder dette kredsløb? For at gøre dette skal du henvise til op-forstærkerens overførselskarakteristik. Den har to vandrette og en lineær sektion. Hvis driftspunktetenheden er placeret på en af de vandrette sektioner, så fungerer op-ampen i generatortilstand (pulstilstand), hvis den er placeret på en lineær sektion, så forstærker op-amp signalet.
For at overføre op-ampen til lineær tilstand skal du forbinde feedbackmodstanden med en kontakt til enhedens udgang og den anden - til den inverterende input. Denne inklusion kaldes negativ feedback (NFB).
Hvis det er påkrævet, at det lavfrekvente signal skal forstærkes og ikke ændres i fase, skal den inverterende indgang med OOS jordes, og det forstærkede signal skal tilføres den ikke-inverterende indgang. Hvis det er nødvendigt at forstærke signalet og ændre dets fase med 180 grader, skal den ikke-inverterende indgang jordes, og indgangssignalet skal forbindes med den inverterende.
I dette tilfælde må vi ikke glemme, at operationsforstærkeren skal forsynes med strøm med modsatte polariteter. Til dette har han særlige kontaktpersoner.
Det er vigtigt at bemærke, at det nogle gange er svært at arbejde med sådanne enheder at vælge elementer til lavfrekvente forstærkerkredsløb. Deres omhyggelige koordinering er påkrævet ikke kun med hensyn til nominelle værdier, men også med hensyn til de materialer, de er lavet af, for at opnå de ønskede forstærkningsparametre.
Forstærker på en chip
ULF kan samles på elektrovakuumelementer og på transistorer og på operationsforstærkere, kun vakuumrør er det sidste århundrede, og resten af kredsløbene er ikke uden fejl, hvis korrektion uundgåeligt medfører komplicering af designet af forstærkeren. Dette er ubelejligt.
Ingeniører har længe fundet en mere bekvem mulighed for at skabe ULF: industrien producerer færdige mikrokredsløb, der fungerer som forstærkere.
Hvert af disse kredsløb er et sæt op-forstærkere, transistorer og andre elementer forbundet på en bestemt måde.
Eksempler på nogle ULF-serier i form af integrerede kredsløb:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Alle ovenstående serier bruges i lydudstyr. Hver model har forskellige egenskaber: forsyningsspænding, udgangseffekt, forstærkning.
De er lavet i form af små elementer med mange stifter, som er praktiske at placere på brættet og montere.
For at arbejde med en lavfrekvent forstærker på et mikrokredsløb er det nyttigt at kende det grundlæggende i logisk algebra samt principperne for drift af logiske elementer OG-NOT, OR-NOT.
Næsten enhver elektronisk enhed kan samles på logiske elementer, men i dette tilfælde vil mange kredsløb vise sig at være omfangsrige og ubelejlige at installere.
Derfor synes brugen af færdige integrerede kredsløb, der udfører ULF-funktionen, at være den mest praktiske mulighed.
Forbedring af ordningen
Ovenstående var et eksempel på, hvordan du kan forbedre det forstærkede signal, når du arbejder med bipolære transistorer og felteffekttransistorer (ved at forbinde en kondensator og modstand parallelt).
Sådanne strukturelle opgraderinger kan laves med næsten enhver ordning. Selvfølgelig øges introduktionen af nye elementerspændingsfald (tab), men takket være dette kan egenskaberne af forskellige kredsløb forbedres. For eksempel er kondensatorer fremragende frekvensfiltre.
På resistive, kapacitive eller induktive elementer anbefales det at indsamle de enkleste filtre, der frafiltrerer frekvenser, der ikke bør falde ind i kredsløbet. Ved at kombinere resistive og kapacitive elementer med operationsforstærkere kan mere effektive filtre (integratorer, Sallen-Key differentiatorer, notch- og båndpasfiltre) samles.
Afslutningsvis
De vigtigste parametre for frekvensforstærkere er:
- gain;
- signalforvrængningsfaktor;
- effektudgang.
Lavfrekvente forstærkere bruges oftest i lydudstyr. Du kan praktisk t alt indsamle enhedsdata på følgende elementer:
- på vakuumrør;
- på transistorer;
- på operationsforstærkere;
- på færdige chips.
Lavfrekvente forstærkeres egenskaber kan forbedres ved at introducere resistive, kapacitive eller induktive elementer.
Hver af skemaerne ovenfor har sine egne fordele og ulemper: nogle forstærkere er dyre at samle, nogle kan gå i mætning, for nogle er det svært at koordinere de anvendte elementer. Der er altid funktioner, som forstærkerdesigneren skal forholde sig til.
Ved at bruge alle anbefalingerne i denne artikel kan du bygge din egen forstærker til hjemmebrugi stedet for at købe denne enhed, som kan koste mange penge, når det kommer til enheder af høj kvalitet.
