Schema amplificatorului de frecvență joasă. Clasificarea și funcționarea vlf

Un amplificator de joasă frecvență (denumit LFMA) este un dispozitiv electronic conceput pentru a amplifica vibrațiile de joasă frecvență până la nivelul cerut de consumator. Acestea pot fi construite cu o varietate de elemente electronice, cum ar fi diferite tipuri de tranzistori, tuburi sau amplificatoare operaționale. Toate amplificatoarele LFM au un număr de parametri care le caracterizează performanța.

Acest articol va descrie aplicarea unui astfel de dispozitiv, parametrii săi, metodele de construcție cu ajutorul diferitelor componente electronice. De asemenea, se va trece în revistă proiectarea circuitelor amplificatoarelor de joasă frecvență.

Aplicații ale VLF

VLF este cel mai des utilizat în echipamentele de reproducere a sunetului, deoarece în acest domeniu tehnologic este adesea necesar să se amplifice frecvența semnalului la un nivel pe care corpul uman îl poate percepe (de la 20 Hz la 20 kHz).

Alte aplicații VLF:

• Tehnologia de măsurare;
• defectoscopie;
• Informatică analogică.

În general, amplificatoarele de joasă frecvență se regăsesc ca elemente constitutive în diverse circuite electronice, cum ar fi receptoarele radio, difuzoarele, televizoarele sau emițătoarele radio.

Parametrii

Cel mai important parametru pentru un amplificator este câștigul. Aceasta se calculează prin împărțirea semnalului de ieșire la semnalul de intrare. În funcție de valoarea luată în considerare, se face o distincție:

• Factorul de amplificare a curentului = curent de ieșire / curent de intrare;
• Câștig de tensiune = tensiune de ieșire / tensiune de intrare;
• Câștig de putere = putere de ieșire / putere de intrare.

Pentru unele dispozitive, cum ar fi amplificatoarele operaționale, valoarea acestui factor este foarte mare, dar este incomod să se lucreze cu numere prea mari (precum și prea mici) la calcul, astfel încât factorii de amplificare sunt adesea exprimați în unități logaritmice. Se aplică următoarele formule:

• Câștigul de putere în unități logaritmice = 10 * logaritmul zecimal al câștigului de putere căutat;
• Factorul de amplificare a curentului în unități logaritmice = 20 * logaritmul zecimal al factorului de amplificare a curentului dorit;
• este câștigul de tensiune în unități logaritmice = 20 * logaritmul zecimal al câștigului de tensiune dorit.

Rapoartele calculate în acest mod se măsoară în decibeli. Prescurtat dB.

Următorul parametru important al amplificatorului este factorul de distorsiune. Este important să înțelegem că amplificarea unui semnal rezultă din conversiile și modificările acestuia. Nu este sigur că aceste conversii vor avea loc întotdeauna în mod corect. Pentru aceasta motivul ieșirii semnalul poate fi diferit de cel de intrare, de exemplu în ceea ce privește forma.

Niciun amplificator nu este perfect, așa că distorsiunea este întotdeauna prezentă. Este adevărat că, în unele cazuri, acestea se încadrează în limitele de toleranță, dar în alte cazuri sunt în afara limitelor. Dacă armonicele de ieșire ale amplificatorului sunt aceleași cu cele de intrare, distorsiunea este liniară și se limitează doar la modificări de amplitudine și fază. Dacă la ieșire apar noi armonici, distorsiunea este neliniară, deoarece modifică forma semnalului.

Pur și simplu, dacă distorsiunea este liniară și intrarea în amplificator a fost "a", ieșirea va fi "A", în timp ce dacă este neliniară, ieșirea va fi "B".

Un ultim parametru important care caracterizează performanța unui amplificator este puterea de ieșire. Variația puterii:

1. Nominal.
2. Zgomot de pașaport.
3. Puterea maximă de ieșire pe termen scurt.
4. Raza maximă de acțiune pe distanțe lungi.

Toate cele patru tipuri sunt reglementate de diferite GOST-uri și standarde.

Amplificatoare cu tuburi

Din punct de vedere istoric, primele amplificatoare au fost construite cu tuburi de electroni, care aparțin clasei dispozitivelor cu electrovacuum.

Se face o distincție între electrozii din interiorul becului etanș:

• diode;
• triodice;
• tetrode;
• pentode.

Numărul maxim de electrozi este de opt. Există și alte dispozitive de electrovacuum, cum ar fi klystronii.

Amplificator Triode

O diagramă de circuit este un bun punct de plecare. Următoarea este o descriere a circuitului amplificatorului triodal de joasă frecvență.

Se aplică o tensiune la filament, care încălzește catodul. Tensiunea este, de asemenea, aplicată la anod. Electronii sunt scoși din catod din cauza temperaturii și se îndreaptă spre anod, care are un potențial pozitiv (electronii au un potențial negativ).

O parte din electroni sunt interceptați de un al treilea electrod, grila, care este de asemenea alimentat cu tensiune alternativă. Curentul anodic (curentul din întregul circuit) este controlat de rețea. Dacă se aplică un potențial negativ mare la grilă, toți electronii de la catod se vor depune pe grilă și nu va trece niciun curent prin tub, deoarece curentul este un flux de electroni direcționat, iar grila blochează acest flux.

Câștigul tubului este controlat de un rezistor care este conectat între sursa de alimentare și anod. Aceasta stabilește poziția dorită a punctului de funcționare pe caracteristica volt-ampermetrică, care determină câștigul.

De ce este atât de importantă poziția punctului de operare? Deoarece determină cât de mult curent și tensiune (și, prin urmare, puterea) este amplificată într-un circuit amplificator LF.

Semnalul de ieșire pe un amplificator triodic este preluat din secțiunea dintre anod și rezistența inclusă în fața acestuia.

Amplificator Klystron

Principiul de funcționare al unui amplificator de joasă frecvență klystron se bazează pe modularea semnalului mai întâi în viteză și apoi în densitate.

Un klystron este construit astfel: becul are un catod, care este încălzit de filament, și un colector (analog cu anodul). Între ele se află rezonatoarele de intrare și de ieșire. Electronii emiși de la catod sunt accelerați de tensiunea aplicată catodului și se îndreaptă spre colector.

Unii electroni vor merge mai repede, iar alții mai încet, deci se pare că este vorba de o modulare a vitezei. Modulația densității apare ca urmare a diferenței de viteză a electronilor. Semnalul modulat în densitate se deplasează către rezonatorul de ieșire, unde creează un semnal de aceeași frecvență, dar cu o putere mai mare decât rezonatorul de intrare.

Se pare că energia cinetică a electronilor este transformată în energia de microunde a câmpului electromagnetic al rezonatorului de ieșire. Acesta este modul în care amplificarea semnalului într-un klystron.

Caracteristici ale amplificatoarelor cu tuburi de vid

Dacă comparăm calitatea aceluiași semnal amplificat de un dispozitiv pe bază de tuburi și un VLF pe bază de tranzistori, diferența se poate vedea cu ochiul liber, nu în favoarea celui din urmă.

Orice muzician profesionist vă va spune că amplificatoarele cu tuburi mult mai bine de omologii săi avansați.

Dispozitivele electro-vacuum au dispărut de mult din consumul de masă, fiind înlocuite de tranzistori și microcipuri, dar acest lucru nu este relevant pentru domeniul reproducerii sunetului. Amplificatoarele cu tuburi au o amplificare mai bună a semnalului datorită stabilității temperaturii și a vidului din interior.

Singurul dezavantaj al VFD pe bază de tuburi este prețul ridicat, ceea ce are sens: este costisitor să se facă elemente care nu sunt în cerere în masă.

Amplificator cu tranzistor bipolar

Multe etaje de amplificare sunt construite cu tranzistori. Un amplificator de bas simplu poate fi construit cu doar trei elemente de bază: un condensator, un rezistor și un tranzistor n-p-n.

Pentru a asambla un astfel de amplificator, împământați emițătorul tranzistorului, conectați un condensator în serie la baza sa și conectați un rezistor în paralel. Sarcina trebuie să fie plasată în fața colectorului. Este rezonabil să conectați o rezistență de limitare la colector în acest circuit.

Tensiunea de alimentare acceptabilă pentru un astfel de circuit amplificator de frecvență joasă variază între 3 și 12 volți. Rezistorul trebuie să fie dimensionat experimental, asigurându-vă că este de cel puțin 100 de ori mai mare decât rezistența sarcinii. Valoarea nominală a condensatorului poate varia de la 1 la 100 μF. Capacitatea sa afectează cantitatea de frecvență pe care amplificatorul o poate gestiona. Cu cât capacitatea este mai mare, cu atât mai mică este frecvența nominală pe care o poate produce tranzistorul.

Semnalul de intrare al unui amplificator de joasă frecvență cu tranzistor bipolar este alimentat la condensatorul. Conectați polul pozitiv al sursei de alimentare la punctul în care sarcina și rezistența sunt conectate în paralel cu baza și condensatorul.

Pentru a îmbunătăți calitatea semnalului, un condensator și o rezistență în paralel pot fi conectate la emitor pentru a acționa ca o reacție negativă.

Unitate de amplificare cu tranzistor bipolar dublu

Pentru a crește câștigul, două amplificatoare VLF bazate pe un singur tranzistor pot fi combinate într-unul singur. Factorii de amplificare ai acestor dispozitive pot fi apoi înmulțiți.

Deși, dacă veți continua să creșteți numărul de etaje de amplificare, va crește șansa de auto-excitație a amplificatoarelor.

Amplificatoare cu tranzistor cu efect de câmp

Amplificatoarele de joasă frecvență sunt, de asemenea, asamblate cu tranzistori cu efect de câmp (FET). Circuitele acestor dispozitive nu sunt foarte diferite de cele ale tranzistoarelor bipolare.

Vom lua ca exemplu amplificatorul de tip FET (FET) cu poartă izolată cu canal n.

Un condensator este conectat în serie la substratul acestui tranzistor, iar un divizor de tensiune este conectat în paralel. Un rezistor este conectat la sursa PT (un condensator și un rezistor pot fi, de asemenea, conectate în paralel, așa cum este descris mai sus). O rezistență de limitare și o sursă de alimentare este conectată la drenaj, iar între rezistență și drenaj se creează un fir către sarcină.

Semnalul de intrare la amplificatoarele de frecvență joasă bazate pe tranzistoare de trecere joasă este direcționat către poarta. Acest lucru se face, de asemenea, prin intermediul unui condensator.

După cum se poate observa din explicație, circuitul celui mai simplu amplificator pe tranzistorul cu efect de câmp nu este foarte diferit de circuitul amplificatorului de frecvență joasă pe tranzistor bipolar.

Cu toate acestea, atunci când este vorba de PT, trebuie luate în considerare următoarele caracteristici

1. PT-urile au un R_intrare = I / U_{Tensiunea poartă-sursă}. Tranzistoarele cu efect de câmp sunt acționate de câmpul electric generat de tensiunea. Deci, SoTs sunt conduse de tensiune, nu de curent.
2. PT-urile nu consumă aproape deloc curent, astfel încât semnalul de ieșire este foarte puțin distorsionat.
3. Nu există nicio injecție de sarcină în tranzistorul cu efect de câmp, astfel încât nivelul de zgomot este foarte scăzut.
4. Sunt rezistente la schimbările de temperatură.

Principalul dezavantaj al tranzistoarelor cu efect de câmp este sensibilitatea lor ridicată la electricitatea statică.

Mulți oameni sunt familiarizați cu situația în care lucrurile aparent neconductoare electrocutează o persoană. Aceasta este manifestarea electricității statice. Dacă un astfel de impuls ar fi aplicat la unul dintre pinii unui tranzistor cu efect de câmp, ar putea distruge elementul.

Prin urmare, atunci când lucrați cu PT-uri, este mai bine să evitați să atingeți pinii cu degetele pentru a nu deteriora accidental componenta.

Dispozitive amplificatoare operaționale

Op-Amp este un dispozitiv cu intrări diferențiate, având un câștig foarte mare.

Amplificarea unui semnal nu este singura funcție a acestei componente. Acesta poate funcționa și ca generator de semnal. Cu toate acestea, să lucreze cu frecvențe joase, proprietățile sale de amplificare sunt de interes.

Pentru a transforma un DT într-un amplificator de semnal, trebuie să conectați corect circuitul de reacție, care este un simplu rezistor. Cum să înțelegeți, În cazul în care pentru a conecta acest circuit? Pentru a face acest lucru trebuie să vă referiți la caracteristica de transfer a Op-Amp. Aceasta are două secțiuni orizontale și una liniară. Dacă punctul de operare al dispozitivului este situat într-una din secțiunile orizontale, Opu funcționează în modul oscilator (modul impuls), dacă este situat în secțiunea liniară, Opu amplifică semnalul.

Pentru a pune amplificatorul operațional în modul liniar, conectați un rezistor de reacție cu un pin la ieșirea unității și celălalt la intrarea inversoare. Această conexiune se numește feedback negativ.

Dacă doriți să amplificați un semnal de frecvență joasă fără a-i schimba faza, puneți la masă reacția negativă la intrarea inversoare și conectați semnalul amplificat la intrarea neinversoare. Dacă, pe de altă parte, este necesară amplificarea semnalului și defazarea acestuia cu 180 de grade, atunci intrarea neinversoare trebuie să fie împământată, iar semnalul de intrare care urmează să fie amplificat trebuie conectat la intrarea inversoare.

Amintiți-vă, totuși, că un amplificator operațional trebuie să fie alimentat în polarități opuse. În acest scop, are terminale de conectare speciale.

Este important de remarcat faptul că lucrul cu aceste dispozitive poate face uneori dificilă selectarea componentelor pentru un circuit amplificator de joasă frecvență. Este necesară o coordonare atentă, nu numai în ceea ce privește clasificarea lor, ci și în ceea ce privește materialele din care sunt fabricate, pentru a obține parametrii corecți de amplificare.

Un amplificator pe un cip

VLF poate fi construit fie pe elemente electro-vacuum, fie pe tranzistori sau pe amplificatoare operaționale, dar tuburile electronice sunt de domeniul trecutului, iar celelalte circuite au dezavantaje care, dacă sunt corectate, duc inevitabil la creșterea complexității în proiectarea amplificatorului. Acest lucru este incomod.

Inginerii au găsit de mult timp o modalitate mai convenabilă de a construi un convertor de frecvență VLF prin producerea industrială a unor cipuri care funcționează ca amplificatoare.

Fiecare dintre aceste circuite este o colecție de DUT-uri, tranzistori și alte elemente conectate într-un anumit mod.

Exemple ale unor serii de LFP sub formă de circuite integrate:

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

Toate seriile de mai sus sunt utilizate în echipamentele audio. Fiecare model are caracteristici diferite: tensiune de alimentare, putere de ieșire și câștig.

Acestea sunt realizate sub forma unor elemente mici cu mulți pini, care sunt ușor de plasat pe placă și de montat.

Pentru a lucra cu un amplificator de frecvență joasă pe un cip, este util să cunoașteți elementele de bază ale algebrei logice, precum și principii de funcționare Elemente logice I-NE, OR-NE.

Aproape orice tip de dispozitiv electronic poate fi construit pe elemente logice, dar multe circuite vor fi greu de manevrat și dificil de cablat.

Din acest motiv, utilizarea circuitelor integrate din comerț, care îndeplinesc funcția VLF, pare a fi cea mai practică variantă.

Îmbunătățirea circuitului

Mai sus este un exemplu de îmbunătățire a unui semnal amplificat cu ajutorul tranzistoarelor bipolare și cu efect de câmp (prin conectarea în paralel a unui condensator și a unui rezistor).

Îmbunătățiri structurale similare pot fi făcute la aproape orice circuit. Desigur, introducerea de noi elemente crește căderea de tensiune (pierderi), dar datorită acestui lucru puteți îmbunătăți proprietățile diferitelor circuite. De exemplu, condensatorii sunt filtre de frecvență mare.

Se recomandă asamblarea unor filtre simple pe elemente rezistive, capacitive sau inductive, care filtrează frecvențele care nu trebuie să intre în circuit. Combinând elemente rezistive și capacitive cu amplificatoare operaționale, puteți construi filtre mai eficiente (integratoare, diferențiatoare Sallen-Kee, filtre trece-bandă și trece-banda).

În concluzie

Cei mai importanți parametri ai amplificatoarelor de joasă frecvență sunt:

• factor de amplificare;
• factorul de distorsiune a semnalului;
• puterea de ieșire.

Amplificatoarele de joasă frecvență sunt cel mai frecvent utilizate în echipamentele audio. Este posibil să asamblați aceste dispozitive practic pe următoarele elemente

• pe tuburi de electrovacuum;
• pe tranzistori;
• Amplificatoare operaționale;
• cipuri din comerț.

Performanțele amplificatoarelor de joasă frecvență pot fi îmbunătățite prin încorporarea de elemente rezistive, capacitive sau inductive.

Fiecare dintre circuitele de mai sus are propriile sale avantaje și dezavantaje: unele amplificatoare sunt costisitoare la asamblare, unele pot intra în saturație, pentru unele este dificil să se potrivească elementele folosite. Există întotdeauna particularități pe care o persoană care proiectează amplificatoare trebuie să le ia în considerare.

Folosind toate recomandările oferite în acest articol, este posibil să vă asamblați propriul amplificator pentru uz casnic în loc să cumpărați acest dispozitiv, care poate costa o mulțime de bani atunci când vine vorba de dispozitive de înaltă calitate.