Shema nizkofrekvenčnega ojačevalnika. Razvrstitev in delovanje lfb

Nizkofrekvenčni ojačevalnik (v nadaljnjem besedilu: LFMA) je elektronska naprava, namenjena ojačanju nizkofrekvenčnih nihanj na raven, ki jo zahteva potrošnik. Ti so lahko izdelani z različnimi elektronskimi elementi, kot so tranzistorji različnih vrst, elektronke ali operacijski ojačevalniki. Vsi VLF imajo več parametrov, ki določajo njihovo zmogljivost.

V tem članku je opisana uporaba takšne naprave, njeni parametri in kako jo je mogoče izdelati z uporabo različnih elektronskih komponent. Pregledali bomo tudi vezja nizkofrekvenčnih ojačevalnikov.

Uporaba VLF

Ojačevalniki VLF se najpogosteje uporabljajo v opremi za reprodukcijo zvoka, saj je na tem tehnološkem področju pogosto treba ojačati frekvenco signala na raven, ki jo lahko prenese človeško telo (od 20 Hz do 20 kHz).

Druge aplikacije za močnostne ojačevalnike:

• Tehnologija merjenja;
• defektoskopija;
• Analogni računalniški inženiring.

Na splošno so nizkoprepustni ojačevalniki sestavni deli različnih elektronskih vezij, kot so radijski sprejemniki, sistemi zvočnikov, televizorji ali radijski oddajniki.

Specifikacije

Najpomembnejši parameter ojačevalnika je njegovo ojačenje. Izračuna se kot razmerje med izhodnim in vhodnim signalom. Glede na zadevno vrednost razlikujemo med:

• faktor tokovnega ojačanja = izhodni tok / vhodni tok;
• napetostno ojačenje = izhodna napetost / vhodna napetost;
• Faktor ojačitve moči = izhodna moč / vhodna moč.

Pri nekaterih napravah, kot so operacijski ojačevalniki, je vrednost tega faktorja zelo visoka, vendar je pri računanju neprijetno delati s prevelikimi (in tudi premajhnimi) številkami, zato so faktorji ojačitve pogosto izraženi v logaritemskih enotah. V ta namen se uporabljajo naslednje formule:

• povečanje moči v logaritemskih enotah = 10 * decimalni logaritem želenega povečanja moči;
• Faktor tokovnega ojačanja v logaritemskih enotah = 20 * decimalni logaritem želenega faktorja tokovnega ojačanja;
• Povečanje napetosti v logaritemskih enotah = 20 * decimalni logaritem želenega povečanja napetosti.

Podobno izračunani koeficienti se merijo v decibelih. Okrajšava za dB.

Naslednji pomemben parameter ojačevalnika je faktor popačenja. Zavedati se je treba, da je ojačanje signala posledica preoblikovanja in spreminjanja signala. Ni gotovo, da bodo te pretvorbe vedno potekale pravilno. S tem v nekaterih primerih so v sprejemljivih mejah, v drugih pa so zunaj izhodnih meja Signal se lahko razlikuje od vhodnega, npr. v obliki.

Noben ojačevalnik ni popoln, zato je popačenje vedno prisotno. Vendar so v nekaterih primerih v sprejemljivih mejah, v drugih pa so zunaj njih. Če so harmonične vrednosti izhodnih signalov ojačevalnika enake harmoničnim vrednostim vhodnih signalov, je popačenje linearno in je omejeno le na spremembe amplitude in faze. Če pa se na izhodu pojavijo nove harmonske, je popačenje nelinearno, saj spremeni obliko signala.

Preprosto povedano, če je popačenje linearno in je bil vhod v ojačevalnik signal "a", bo izhodni signal "A", če pa je nelinearno, bo izhodni signal "B".

Zadnji pomemben parameter, ki označuje delovanje ojačevalnika, je izhodna moč. Različne izhodne moči:

1. Ocenjeno.
2. Ocena hrupa.
3. Največja kratkotrajna zmogljivost.
4. Najdaljše dolgoročno.

Vse štiri vrste urejajo različni standardi GOST in standardi.

Elektronski ojačevalniki

Zgodovinsko gledano so bili prvi ojačevalniki zgrajeni z elektronkami, ki spadajo v razred elektrovakuumskih naprav.

Glede na elektrode v zaprti žarnici svetilke se razlikujejo:

• diode;
• triode;
• tetrod;
• pentode.

Največje število elektrod - osem. Obstajajo tudi ojačevalniki z vakuumskimi elektronkami, kot so klystroni.

Triodni ojačevalnik

Za začetek si je treba ogledati vezje. Shematski prikaz nizkofrekvenčnega ojačevalnika na osnovi triod je prikazan spodaj.

Na žarilno nitko se priključi napetost, ki segreje katodo. Napetost se pripelje tudi na anodo. Elektroni se zaradi temperature iz katode izločijo in stečejo proti anodi, ki ima pozitivni potencial (elektroni imajo negativni potencial).

Del elektronov prestreže tretja elektroda, mreža, ki je prav tako priključena na spremenljivo napetost. Anodni tok (tok tokokroga) nadzoruje omrežje. Če na mrežo priključimo velik negativni potencial, se vsi elektroni s katode usedejo na mrežo in skozi elektronko ne teče tok, saj je tok usmerjeno gibanje elektronov, mreža pa to gibanje blokira.

Okrepitev elektronke se uravnava z uporom, ki je priključen med napajalnikom in anodo. Določa položaj delovne točke na krivulji volt-amper, od katere so odvisne značilnosti ojačitve.

Zakaj je položaj delovne točke tako pomemben? Ker določa, koliko toka in napetosti (in s tem moči) se ojača v vezju nizkofrekvenčnega ojačevalnika.

Izhodni signal v triodnem ojačevalniku je vzet iz odseka med anodo in uporom pred njo.

Klišronski ojačevalnik

Načelo nizkofrekvenčnega ojačevalnika klystron temelji na modulaciji signala najprej po hitrosti in nato po gostoti.

Klišronski sklopi delujejo takole: žarnica ima katodo, ki jo segreva žarilna nitka, in kolektor (analogno anodi). Vmes sta vhodni in izhodni resonator. Elektroni, ki se oddajajo iz katode, se pospešijo zaradi napetosti na katodi in se poženejo proti kolektorju.

Nekateri elektroni bodo šli hitreje, drugi počasneje, zato je modulacija hitrosti videti takole. Zaradi razlike v hitrosti se elektroni združijo, kar povzroči modulacijo gostote. Gostotno moduliran signal potuje do izhodnega resonatorja, kjer ustvari signal enake frekvence, vendar večje moči kot vhodni resonator.

Izkaže se, da se kinetična energija elektronov pretvori v mikrovalovno energijo elektromagnetnega polja izhodnega resonatorja. Tako poteka ojačanje signala v klistronju.

Značilnosti elektrovakuumskih ojačevalnikov

Če primerjate kakovost istega signala, ki ga ojača ojačevalnik z elektronko in ojačevalnik s tranzistorjem, je razlika takoj vidna s prostim očesom in ni v korist slednjega.

Vsak profesionalni glasbenik vam bo povedal, da so lamelni ojačevalniki veliko bolje svojih naprednih kolegov.

Izdelki z vakuumskimi elektronkami že dolgo niso več v množični uporabi, nadomestili so jih tranzistorji in čipi, vendar je to na področju reprodukcije zvoka nepomembno. Zaradi temperaturne stabilnosti in vakuuma v notranjosti cevi bolje povečajo signal.

Edina slabost cevnega VFD je visoka cena, kar je smiselno: drago je izdelovati elemente, po katerih ni množičnega povpraševanja.

Bipolarni tranzistorski ojačevalnik

Številne ojačevalne stopnje so zgrajene s tranzistorji. Preprost nizkofrekvenčni ojačevalnik lahko sestavite iz treh osnovnih elementov: kondenzatorja, upora in n-p-n tranzistorja.

Če želite sestaviti tak ojačevalnik, ozemljite emitor tranzistorja, zaporedno priključite kondenzator na njegovo bazo in vzporedno priključite upor. Breme je treba postaviti pred zbiralnik. V tem vezju je treba na kolektor priključiti omejevalni upor.

Dovoljena napajalna napetost za to vrsto ojačevalnega vezja je od 3 do 12 voltov. Velikost upora je treba izbrati eksperimentalno in se prepričati, da je vsaj 100-krat večji od upornosti bremena. Velikost kondenzatorja je lahko od 1 μF do 100 μF. Njegova kapacitivnost vpliva na višino frekvence, pri kateri lahko ojačevalnik deluje. Večja kot je kapacitivnost, nižjo frekvenco lahko tranzistor ojača.

Vhodni signal nizkofrekvenčnega ojačevalnika z bipolarnim tranzistorjem je speljan na kondenzator. Priključite pozitivni pol napajalnika na priključno točko bremena in upor, priključen vzporedno z bazo in kondenzatorjem.

Da bi izboljšali kakovost takega signala, lahko vzporedno z emitorjem priključimo kondenzator in upor, ki delujeta kot negativna povratna zveza.

Ojačevalnik z dvema bipolarnima tranzistorjema

Za povečanje ojačitve lahko dva ojačevalnika VLF na osnovi enega tranzistorja združimo v enega. Faktorje ojačitve teh naprav lahko nato pomnožimo z.

Če bomo še naprej povečevali število stopenj ojačevalnika, se bo povečala možnost samovzbujanja ojačevalnikov.

Enota ojačevalnika s tranzistorjem s poljskim učinkom

Nizkofrekvenčne ojačevalnike lahko izdelate tudi s tranzistorji s poljskim učinkom (FET). Sheme se ne razlikujejo veliko od tistih, ki temeljijo na bipolarnih tranzistorjih.

Kot primer bomo obravnavali n-kanalni ojačevalnik z izoliranimi vrati FET (tip TFT).

Na substrat tega tranzistorja je zaporedno priključen kondenzator, vzporedno pa je priključen napetostni delilnik. Upor je priključen na vir CT (kondenzator in upor sta lahko priključena tudi vzporedno, kot je opisano zgoraj). Na odvodnik sta priključena zaključni upor in napajanje, med uporom in odvodnikom pa je ustvarjen vod do bremena.

Vhodni signal nizkofrekvenčnih ojačevalnikov s tranzistorji s poljskim učinkom se priključi na vrata. To se izvaja tudi prek kondenzatorja.

Kot je razvidno iz te razlage, se vezje najpreprostejšega ojačevalnika s poljskim tranzistorjem ne razlikuje veliko od nizkofrekvenčnega ojačevalnika z bipolarnimi tranzistorji.

Vendar pa je treba pri obravnavi PT upoštevati naslednje značilnosti:

1. CT ima visok R_vnos = I / U_{napetost na vratu in viru}. Tranzistorje s poljskim učinkom poganja električno polje, ki ga ustvarja napetost. Zato se CT-ji krmilijo z napetostjo in ne s tokom.
2. Ker PT ne odvajajo skoraj nobenega toka, lahko rahlo popačijo izvirni signal.
3. V tranzistorjih s poljskim učinkom ni vnosa naboja, zato je raven šuma teh elementov zelo nizka.
4. Odporni so na temperaturne spremembe.

Glavna pomanjkljivost tranzistorjev s poljskim učinkom je njihova velika občutljivost na statično elektriko.

Veliko ljudi pozna situacijo, ko očitno neprevodne stvari človeka zadenejo z električnim udarom. To je manifestacija statične elektrike. če takšen impulz pošljete na enega od nožic tranzistorja s poljskim učinkom, lahko element uničite.

Zato se pri delu s PT raje z rokami ne dotikajte zatičev, da ne bi slučajno poškodovali elementa.

Naprava za operacijski ojačevalnik

Operacijski ojačevalnik (Op-Amp) je naprava z diferenciranimi vhodi, ki ima zelo visoko ojačenje.

Krepitev signala ni edina funkcija tega elementa. Deluje lahko tudi kot generator signalov. Kljub temu delati pri nizkih frekvencah so zanimive njegove ojačevalne lastnosti.

Če želite iz DT narediti ojačevalnik signala, morate pravilno povezati povratno vezje, ki je preprost upor. Kako razumeti, kam priključiti to vezje? Pri tem se moramo sklicevati na prenosno karakteristiko DT. Ima dva vodoravna in en linearni del. Če je delovna točka naprave na enem od vodoravnih odsekov, DT deluje v načinu oscilatorja (pulzni način), če je na linearnem odseku, DT ojača signal.

Za preklop operacijskega ojačevalnika v linearni način morate povratni upor povezati z enim nožičkom na izhod naprave in z drugim nožičkom na invertirajoči vhod. Ta povezava se imenuje negativna povratna informacija.

Če želite, da se nizkofrekvenčni signal ojača in ne fazno premakne, potem je treba invertirajoči vhod op-ojačevalnika ozemljiti, ojačani signal pa pripeljati na neinvertirajoči vhod. Če pa želite signal ojačati in spremeniti njegovo fazo za 180 stopinj, ozemljite neinvertirajoči vhod in vhodni signal priključite na invertirajoči vhod.

Ne pozabite, da morate operacijskemu ojačevalniku dovajati energijo nasprotnih polaritet. V ta namen ima posebne priključne sponke.

Pomembno je opozoriti, da je pri delu s temi napravami včasih težko najti prave elemente za vezje nizkofrekvenčnega ojačevalnika. Za doseganje ustreznih parametrov ojačitve je potrebno skrbno usklajevanje, ne le glede njihovih vrednosti, temveč tudi glede materialov, iz katerih so izdelani.

Ojačevalnik na čipu

VFD lahko sestavite z vakuumskimi komponentami, tranzistorji in operacijskimi ojačevalniki, vendar so elektronke staromodne, druga vezja pa imajo pomanjkljivosti, ki, če jih odpravite, povečajo zapletenost zasnove ojačevalnika. To je neprijetno.

Inženirji so že zdavnaj našli boljši način za zasnovo ojačevalnika VLF z uporabo mikro vezij, ki so takoj na voljo v industriji in delujejo kot ojačevalniki.

Vsako od teh vezij je zbirka DT, tranzistorjev in drugih elementov, povezanih na določen način.

Primeri nekaterih serij LFP v obliki integriranih vezij:

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

Vse zgornje serije se uporabljajo v zvočnih napravah. Vsak model ima različne značilnosti: napajalno napetost, izhodno moč, ojačitev.

Izdelane so kot majhne enote s številnimi izhodnimi nožicami, ki jih je enostavno namestiti na plošče in vgraditi.

Za delovanje nizkofrekvenčnega ojačevalnika na mikrovezju je koristno poznati osnove logične algebre in načela delovanja Logični elementi I-NE, OR-NE.

Praktično vse elektronske naprave je mogoče sestaviti na logičnih elementih, vendar bodo v tem primeru številna vezja obsežna in jih bo težko sestaviti.

Zato se zdi uporaba integriranih vezij, ki so na voljo na policah in opravljajo funkcijo VLF, najbolj praktična možnost.

Izboljšanje vezij

Zgoraj je primer, kako izboljšati ojačani signal z bipolarnimi tranzistorji in tranzistorji s poljskim učinkom (z vzporedno povezavo kondenzatorja in upora).

Podobne izboljšave zasnove je mogoče narediti za skoraj vsako vezje. Seveda uvedba novih elementov poveča padec napetosti (izgube), vendar je zaradi tega mogoče izboljšati lastnosti različnih vezij. Kondenzatorji so na primer odlični filtri za frekvence.

Priporočljivo je zgraditi preproste filtre na uporovnih, kapacitivnih ali induktivnih elementih, ki izločijo frekvence, ki ne smejo vstopiti v vezje. Z združevanjem uporovnih in kapacitivnih elementov z operacijskimi ojačevalniki je mogoče izdelati učinkovitejše filtre (integratorje, Sallen-Keejeve diferenciatorje, filtre z zarezo in pasovne prepuste).

Za zaključek

Najpomembnejši parametri za frekvenčne ojačevalnike so:

• Faktor ojačitve;
• faktor popačenja signala;
• izhodna moč.

Basovski ojačevalniki se najpogosteje uporabljajo v zvočni opremi. Te naprave je mogoče sestaviti iz praktično naslednjih elementov:

• na elektrovakuumskih ceveh;
• O tranzistorjih;
• o operacijskih ojačevalnikih;
• na čipih, ki so na voljo na prodajnih policah.

Delovanje nizkofrekvenčnih ojačevalnikov je mogoče izboljšati z uvedbo uporovnih, kapacitivnih ali induktivnih elementov.

Vsako od zgornjih vezij ima svoje posebne značilnosti prednosti in slabosti: izgradnja nekaterih ojačevalnikov je draga, nekateri lahko preidejo v nasičenje, pri nekaterih je težko uskladiti uporabljene elemente. Vedno obstajajo posebnosti, s katerimi se mora oseba, ki načrtuje ojačevalnike, soočiti.

Z vsemi nasveti v tem članku lahko zgradite svoj ojačevalnik za domačo uporabo, namesto da bi kupili ojačevalnik, ki lahko stane veliko denarja, če je ojačevalnik visoke kakovosti.