Nízkofrekvenční zesilovač (dále jen ULF) je elektronické zařízení určené k zesílení nízkofrekvenčních kmitů na hodnotu, kterou spotřebitel potřebuje. Mohou být prováděny na různých elektronických prvcích, jako jsou různé typy tranzistorů, elektronek nebo operačních zesilovačů. Všechny ULF mají řadu parametrů, které charakterizují efektivitu jejich práce.
Tento článek bude hovořit o použití takového zařízení, jeho parametrech, způsobech konstrukce pomocí různých elektronických součástek. Bude také zváženo zapojení nízkofrekvenčních zesilovačů.
Aplikace ULF
ULF se nejčastěji používá v zařízeních pro reprodukci zvuku, protože v této oblasti techniky je často nutné zesílit frekvenci signálu na frekvenci, kterou lidské tělo dokáže vnímat (od 20 Hz do 20 kHz).
Další aplikace ULF:
- technologie měření;
- defektoskopie;
- analogové výpočty.
Basové zesilovače se obecně vyskytují jako součásti různých elektronických obvodů, jako jsou rádia, akustická zařízení, televize nebo rádiové vysílače.
Parametry
Nejdůležitějším parametrem zesilovače je zisk. Vypočítá se jako poměr výstupu ke vstupu. V závislosti na uvažované hodnotě rozlišují:
- proudový zisk=výstupní proud / vstupní proud;
- napěťový zisk=výstupní napětí / vstupní napětí;
- příkon=výstupní výkon / vstupní výkon.
U některých zařízení, jako jsou operační zesilovače, je hodnota tohoto koeficientu velmi vysoká, ale je nepohodlné pracovat s příliš velkými (stejně jako příliš malými) čísly ve výpočtech, takže zisky jsou často vyjádřeny logaritmicky Jednotky. K tomu platí následující vzorce:
- přírůstek výkonu v logaritmických jednotkách=10logaritmus požadovaného přírůstku výkonu;
- proudové zesílení v logaritmických jednotkách=20dekadický logaritmus požadovaného proudového zesílení;
- napěťové zesílení v logaritmických jednotkách=20logaritmus požadovaného napěťového zesílení.
Koeficienty vypočtené tímto způsobem se měří v decibelech. Zkrácený název – dB.
Další důležitý parametrzesilovač - koeficient zkreslení signálu. Je důležité pochopit, že k zesílení signálu dochází v důsledku jeho transformací a změn. Ne fakt, že vždy tyto transformace proběhnou správně. Z tohoto důvodu se výstupní signál může lišit od vstupního signálu, například ve tvaru.
Ideální zesilovače neexistují, takže zkreslení je vždy přítomno. Pravda, v některých případech nepřekračují přípustné meze, zatímco v jiných ano. Pokud se harmonické signály na výstupu zesilovače shodují s harmonickými vstupními signály, pak je zkreslení lineární a redukuje se pouze na změnu amplitudy a fáze. Pokud se na výstupu objeví nové harmonické, pak je zkreslení nelineární, protože vede ke změně tvaru signálu.
Jinými slovy, pokud je zkreslení lineární a na vstupu zesilovače byl signál „a“, pak výstup bude signál „A“, a pokud je nelineární, pak výstup bude signál „B“.
Posledním důležitým parametrem, který charakterizuje činnost zesilovače, je výstupní výkon. Druhy síly:
- Hodnoceno.
- Hluk v pase.
- Maximálně krátkodobé.
- Maximálně dlouhodobé.
Všechny čtyři typy jsou standardizovány různými GOST a standardy.
Vamplifikátory
Historicky první zesilovače byly vytvořeny na elektronkách, které patří do třídy vakuových zařízení.
V závislosti na elektrodách umístěných uvnitř hermetické baňky se lampy rozlišují:
- diodes;
- triody;
- tetrodes;
- pentody.
Maximálněpočet elektrod je osm. Existují také taková elektrovakuová zařízení jako klystrony.
Triodový zesilovač
Především se vyplatí porozumět schématu přepínání. Popis obvodu nízkofrekvenčního triodového zesilovače je uveden níže.
Vlákno, které zahřívá katodu, je napájeno. Napětí je také přivedeno na anodu. Působením teploty jsou z katody vyraženy elektrony, které spěchají na anodu, na kterou je aplikován kladný potenciál (elektrony mají záporný potenciál).
Část elektronů je zachycena třetí elektrodou - mřížkou, na kterou je rovněž přivedeno napětí, pouze střídavé. Pomocí mřížky se reguluje anodový proud (proud v obvodu jako celku). Pokud je na mřížku aplikován velký záporný potenciál, všechny elektrony z katody se na ní usadí a lampou neprotéká žádný proud, protože proud je řízený pohyb elektronů a mřížka tento pohyb blokuje.
Zisk lampy nastavuje odpor, který je zapojen mezi napájecí zdroj a anodu. Nastavuje požadovanou polohu pracovního bodu na proudově-napěťové charakteristice, na které závisí parametry zesílení.
Proč je poloha pracovního bodu tak důležitá? Protože to závisí na tom, kolik proudu a napětí (a tedy výkonu) bude zesíleno v obvodu nízkofrekvenčního zesilovače.
Výstupní signál na triodovém zesilovači se odebírá z oblasti mezi anodou a rezistorem zapojeným před ní.
Zapnutý zesilovačklystron
Princip činnosti nízkofrekvenčního zesilovače klystronu je založen na modulaci signálu nejprve v rychlosti a poté v hustotě.
Klystron je uspořádán následovně: baňka má katodu vyhřívanou vláknem a kolektor (analogický jako anoda). Mezi nimi jsou vstupní a výstupní rezonátory. Elektrony emitované z katody jsou urychlovány napětím aplikovaným na katodu a spěchají do kolektoru.
Některé elektrony se budou pohybovat rychleji, jiné pomaleji – takto vypadá modulace rychlosti. Díky rozdílu v rychlosti pohybu se elektrony sdružují do paprsků – tak se projevuje modulace hustoty. Hustotě modulovaný signál vstupuje do výstupního rezonátoru, kde vytváří signál stejné frekvence, ale většího výkonu než vstupní rezonátor.
Ukazuje se, že kinetická energie elektronů se přeměňuje na energii mikrovlnných oscilací elektromagnetického pole výstupního rezonátoru. Takto je signál v klystronu zesílen.
Vlastnosti elektrovakuových zesilovačů
Pokud porovnáme kvalitu stejného signálu zesíleného elektronkovým zařízením a ULF na tranzistorech, rozdíl bude viditelný pouhým okem, nikoli ve prospěch druhého.
Každý profesionální hudebník vám řekne, že lampové zesilovače jsou mnohem lepší než jejich pokročilé protějšky.
Elektrovakuová zařízení dávno odešla z masové spotřeby, byla nahrazena tranzistory a mikroobvody, ale to je pro oblast reprodukce zvuku irelevantní. Díky teplotní stabilitě a vakuu uvnitř lampová zařízení zesilují signál lépe.
Jedinou nevýhodou trubice ULF je vysoká cena, což je logické: je drahé vyrábět prvky, po kterých není masová poptávka.
Bipolární tranzistorový zesilovač
Často jsou zesilovací stupně sestaveny pomocí tranzistorů. Jednoduchý nízkofrekvenční zesilovač lze sestavit pouze ze tří základních prvků: kondenzátoru, rezistoru a n-p-n tranzistoru.
K sestavení takového zesilovače budete muset uzemnit emitor tranzistoru, zapojit kondenzátor do série s jeho základnou a rezistor paralelně. Náklad by měl být umístěn před kolektorem. Ke kolektoru v tomto obvodu je vhodné připojit omezovací rezistor.
Povolené napájecí napětí takového obvodu nízkofrekvenčního zesilovače se pohybuje od 3 do 12 voltů. Hodnota odporu by měla být zvolena experimentálně s přihlédnutím k tomu, že jeho hodnota musí být alespoň 100násobkem zatěžovacího odporu. Hodnota kondenzátoru se může lišit od 1 do 100 mikrofaradů. Jeho kapacita ovlivňuje množství frekvence, na které může zesilovač pracovat. Čím větší je kapacita, tím nižší je jmenovitý kmitočet, který může tranzistor zesílit.
Vstupní signál nízkofrekvenčního bipolárního tranzistorového zesilovače je přiveden na kondenzátor. Kladný pól napájení musí být připojen k připojovacímu bodu zátěže a rezistor zapojen paralelně se základnou a kondenzátorem.
Pro zlepšení kvality takového signálu můžete k emitoru připojit paralelně zapojený kondenzátor a rezistor, které hrají roli negativní zpětné vazby.
Zesilovač se dvěma bipolárními tranzistory
Pro zvýšení zisku můžete připojit dva samostatné tranzistory ULF do jednoho. Potom lze zisky těchto zařízení znásobit.
I když budete pokračovat ve zvyšování počtu zesilovacích stupňů, šance na samobuzení zesilovačů se zvýší.
Tranzistorový zesilovač s efektem pole
Nízkofrekvenční zesilovače se montují také na tranzistory s efektem pole (dále jen PT). Obvody těchto zařízení se příliš neliší od obvodů, které jsou sestaveny na bipolárních tranzistorech.
Za příklad bude považován n-kanálový izolovaný hradlový FET (typ ITF) zesilovač.
K podložce tohoto tranzistoru je sériově zapojen kondenzátor a paralelně je zapojen dělič napětí. Ke zdroji FETu je připojen rezistor (můžete také použít paralelní zapojení kondenzátoru a rezistoru, jak je popsáno výše). Omezovací odpor a napájení jsou připojeny k kolektoru a mezi odporem a kolektorem je vytvořena zátěžová svorka.
Vstupní signál do nízkofrekvenčních tranzistorových zesilovačů s efektem pole je přiveden na hradlo. To se také provádí přes kondenzátor.
Jak můžete vidět z vysvětlení, nejjednodušší obvod tranzistorového zesilovače s efektem pole se neliší od obvodu zesilovače nízkofrekvenčního bipolárního tranzistoru.
Při práci s PT je však třeba vzít v úvahu následující vlastnosti těchto prvků:
- FET vysoké Rinput=I / Ugate-source. Tranzistory s efektem pole jsou řízeny elektrickým polem,který je generován stresem. Proto jsou FETy řízeny napětím, nikoli proudem.
- FETy nespotřebovávají téměř žádný proud, což má za následek mírné zkreslení původního signálu.
- V tranzistorech s efektem pole není žádná injekce náboje, takže hladina šumu těchto prvků je velmi nízká.
- Jsou odolné vůči teplotám.
Hlavní nevýhodou FETů je jejich vysoká citlivost na statickou elektřinu.
Mnozí znají situaci, kdy zdánlivě nevodivé věci člověka šokují. To je projev statické elektřiny. Pokud je takový impuls přiveden na jeden z kontaktů tranzistoru s efektem pole, lze prvek deaktivovat.
Při práci s PT je tedy lepší nebrat kontakty rukama, aby nedošlo k náhodnému poškození prvku.
Zařízení OpAmp
Operační zesilovač (dále jen operační zesilovač) je zařízení s diferencovanými vstupy, které má velmi vysoký zisk.
Zesilování signálu není jedinou funkcí tohoto prvku. Může také fungovat jako generátor signálu. Nicméně jsou to jeho zesilovací vlastnosti, které jsou zajímavé pro práci s nízkými frekvencemi.
Abyste z operačního zesilovače vytvořili zesilovač signálu, musíte k němu správně připojit zpětnovazební obvod, což je běžný odpor. Jak pochopit, kam tento obvod připojit? Chcete-li to provést, musíte se obrátit na přenosovou charakteristiku operačního zesilovače. Má dvě horizontální a jednu lineární sekci. Pokud je provozní bodzařízení je umístěno na jedné z horizontálních sekcí, pak operační zesilovač pracuje v generátorovém režimu (pulzní režim), pokud je umístěn na lineární sekci, pak operační zesilovač zesiluje signál.
Chcete-li převést operační zesilovač do lineárního režimu, musíte připojit zpětnovazební rezistor jedním kontaktem k výstupu zařízení a druhým k invertujícímu vstupu. Toto zahrnutí se nazývá negativní zpětná vazba (NFB).
Pokud je požadováno, aby nízkofrekvenční signál byl zesílen a neměnil se ve fázi, pak by měl být invertující vstup s OOS uzemněn a zesílený signál by měl být přiveden na neinvertující vstup. Pokud je nutné signál zesílit a změnit jeho fázi o 180 stupňů, pak musí být neinvertující vstup uzemněn a vstupní signál musí být připojen k invertujícímu.
V tomto případě nesmíme zapomenout, že operační zesilovač musí být napájen opačnými polaritami. K tomu má speciální kontaktní kontakty.
Je důležité si uvědomit, že při práci s takovými zařízeními je někdy obtížné vybrat prvky pro obvod nízkofrekvenčního zesilovače. Jejich pečlivá koordinace je nutná nejen z hlediska nominálních hodnot, ale také z hlediska materiálů, ze kterých jsou vyrobeny, aby bylo dosaženo požadovaných parametrů zesílení.
Zesilovač na čipu
ULF lze sestavit na elektrovakuových prvcích a na tranzistorech a na operačních zesilovačích, pouze elektronky jsou z minulého století a zbytek obvodů není bez chyb, jejichž oprava nevyhnutelně znamená komplikaci konstrukce zesilovače. To je nepohodlné.
Inženýři již dlouho našli pohodlnější možnost pro vytvoření ULF: průmysl vyrábí hotové mikroobvody, které fungují jako zesilovače.
Každý z těchto obvodů je souborem operačních zesilovačů, tranzistorů a dalších prvků spojených určitým způsobem.
Příklady některých řad ULF ve formě integrovaných obvodů:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Všechny výše uvedené řady se používají v audio zařízeních. Každý model má jiné vlastnosti: napájecí napětí, výstupní výkon, zisk.
Vyrábějí se ve formě malých prvků s mnoha kolíky, které lze pohodlně umístit na desku a připevnit.
Pro práci s nízkofrekvenčním zesilovačem na mikroobvodu je užitečné znát základy logické algebry a také principy fungování logických prvků AND-NOT, OR-NOT.
Na logické prvky lze sestavit téměř jakékoli elektronické zařízení, ale v tomto případě se mnoho obvodů ukáže jako objemných a nepohodlných pro instalaci.
Použití hotových integrovaných obvodů, které plní funkci ULF, se proto zdá být nejpohodlnější praktickou možností.
Vylepšení schématu
Výše uvedené bylo příkladem toho, jak můžete zlepšit zesílený signál při práci s bipolárními tranzistory a tranzistory s efektem pole (paralelním připojením kondenzátoru a rezistoru).
Takové strukturální vylepšení lze provést téměř jakýmkoliv schématem. Samozřejmě přibývá zavádění nových prvkůpokles napětí (ztráty), ale díky tomu lze zlepšit vlastnosti různých obvodů. Například kondenzátory jsou vynikající frekvenční filtry.
Na odporových, kapacitních nebo indukčních prvcích se doporučuje shromáždit nejjednodušší filtry, které odfiltrují frekvence, které by neměly spadat do obvodu. Kombinací odporových a kapacitních prvků s operačními zesilovači lze sestavit účinnější filtry (integrátory, diferenciátory Sallen-Key, zářezové a pásmové filtry).
Na závěr
Nejdůležitější parametry frekvenčních zesilovačů jsou:
- zisk;
- faktor zkreslení signálu;
- výkon.
Nízkofrekvenční zesilovače se nejčastěji používají v audio zařízeních. Data zařízení můžete sbírat prakticky na následujících prvcích:
- na elektronkách;
- na tranzistorech;
- na operačních zesilovačích;
- na hotové žetony.
Charakteristiky nízkofrekvenčních zesilovačů lze zlepšit zavedením odporových, kapacitních nebo indukčních prvků.
Každé z výše uvedených schémat má své výhody a nevýhody: některé zesilovače jsou drahé na montáž, některé se mohou přesytit, pro některé je obtížné koordinovat použité prvky. Vždy existují funkce, se kterými se musí konstruktér zesilovače vypořádat.
Pomocí všech doporučení uvedených v tomto článku si můžete sestavit svůj vlastní zesilovač pro domácí použitímísto nákupu tohoto zařízení, které může stát hodně peněz, pokud jde o vysoce kvalitní zařízení.
