Zemfrekvences pastiprinātājs (turpmāk tekstā – ULF) ir elektroniska ierīce, kas paredzēta zemfrekvences svārstību pastiprināšanai līdz patērētājam vajadzīgajai. Tos var veikt ar dažādiem elektroniskiem elementiem, piemēram, dažāda veida tranzistoriem, lampām vai darbības pastiprinātājiem. Visiem ULF ir vairāki parametri, kas raksturo to darba efektivitāti.
Šajā rakstā tiks runāts par šādas ierīces izmantošanu, tās parametriem, uzbūves metodēm, izmantojot dažādus elektroniskos komponentus. Tiks ņemta vērā arī zemfrekvences pastiprinātāju shēma.
ULF pieteikums
ULF visbiežāk izmanto skaņas reproducēšanas iekārtās, jo šajā tehnoloģiju jomā bieži vien ir nepieciešams pastiprināt signāla frekvenci līdz tādai, kādu cilvēka ķermenis spēj uztvert (no 20 Hz līdz 20 kHz).
Citas ULF lietojumprogrammas:
- mērīšanas tehnoloģija;
- defektoskopija;
- analogā skaitļošana.
Kopumā basa pastiprinātājus var atrast kā dažādu elektronisko shēmu, piemēram, radioaparātu, akustisko ierīču, televizoru vai radioraidītāju, sastāvdaļas.
Parametri
Svarīgākais pastiprinātāja parametrs ir pastiprinājums. To aprēķina kā izejas un ievades attiecību. Atkarībā no aplūkojamās vērtības tie izšķir:
- strāvas pastiprinājums=izejas strāva/ieejas strāva;
- sprieguma pastiprinājums=izejas spriegums/ieejas spriegums;
- jaudas pieaugums=izejas jauda/ieejas jauda.
Dažām ierīcēm, piemēram, darbības pastiprinātājiem, šī koeficienta vērtība ir ļoti liela, taču aprēķinos ir neērti strādāt ar pārāk lieliem (kā arī pārāk maziem) skaitļiem, tāpēc pastiprinājumi bieži tiek izteikti logaritmiskos. vienības. Uz to attiecas šādas formulas:
- jaudas pieaugums logaritmiskajās vienībās=10vēlamā jaudas pieauguma logaritms;
- strāvas pastiprinājums logaritmiskajās vienībās=20vēlamā strāvas pastiprinājuma decimāllogaritms;
- sprieguma pieaugums logaritmiskajās vienībās=20vēlamā sprieguma pastiprinājuma logaritms.
Šādi aprēķinātie koeficienti tiek mērīti decibelos. Saīsinātais nosaukums - dB.
Nākamais svarīgais parametrspastiprinātājs - signāla kropļojumu koeficients. Ir svarīgi saprast, ka signāla pastiprināšana notiek tā transformāciju un izmaiņu rezultātā. Ne tas, ka vienmēr šīs pārvērtības notiks pareizi. Šī iemesla dēļ izejas signāls var atšķirties no ievades signāla, piemēram, pēc formas.
Ideāli pastiprinātāji neeksistē, tāpēc kropļojumi vienmēr ir klāt. Tiesa, dažos gadījumos tie nepārsniedz pieļaujamās robežas, savukārt citos to dara. Ja signālu harmonikas pie pastiprinātāja izejas sakrīt ar ieejas signālu harmonikām, tad kropļojums ir lineārs un tiek samazināts tikai līdz amplitūdas un fāzes izmaiņām. Ja izejā parādās jaunas harmonikas, tad kropļojums ir nelineārs, jo tas noved pie signāla formas izmaiņām.
Citiem vārdiem sakot, ja kropļojums ir lineārs un pastiprinātāja ieejā bija “a” signāls, tad izeja būs “A” signāls, un, ja tas ir nelineārs, tad izvade būs “B” signāls.
Pēdējais svarīgais parametrs, kas raksturo pastiprinātāja darbību, ir izejas jauda. Jaudas šķirnes:
- Novērtēts.
- Pases troksnis.
- Maksimāli īstermiņa.
- Maksimāli ilgtermiņā.
Visi četri veidi ir standartizēti ar dažādiem GOST un standartiem.
Vamplifiers
Vēsturiski pirmie pastiprinātāji tika radīti uz vakuumlampām, kas pieder vakuumierīču klasei.
Atkarībā no elektrodiem, kas atrodas hermētiskās kolbas iekšpusē, lampas izšķir:
- diodes;
- triodes;
- tetrodes;
- pentodes.
Maksimumselektrodu skaits ir astoņi. Ir arī tādas elektrovakuuma ierīces kā klistrons.
Triode pastiprinātājs
Pirmkārt, ir vērts saprast pārslēgšanas shēmu. Zemfrekvences triodes pastiprinātāja shēmas apraksts ir sniegts zemāk.
Kvēldiegs, kas silda katodu, tiek pakļauts strāvai. Spriegums tiek pielikts arī anodam. Temperatūras iedarbībā no katoda tiek izsisti elektroni, kas steidzas uz anodu, kuram tiek pielietots pozitīvs potenciāls (elektroniem ir negatīvs potenciāls).
Daļu elektronu pārtver trešais elektrods - režģis, kuram arī tiek pielikts spriegums, tikai pārmaiņus. Ar režģa palīdzību tiek regulēta anoda strāva (strāva ķēdē kopumā). Ja režģim tiek pielikts liels negatīvs potenciāls, visi elektroni no katoda nosēdīsies uz tā, un caur lampu netecēs strāva, jo strāva ir virzīta elektronu kustība, un režģis šo kustību bloķē.
Spuldžu pastiprinājums regulē rezistoru, kas ir savienots starp barošanas avotu un anodu. Tas iestata vēlamo darba punkta pozīciju strāvas-sprieguma raksturlīknē, no kuras ir atkarīgi pastiprinājuma parametri.
Kāpēc darbības punkta pozīcija ir tik svarīga? Jo tas ir atkarīgs no tā, cik daudz strāvas un sprieguma (un līdz ar to jaudas) tiks pastiprināti zemfrekvences pastiprinātāja ķēdē.
Izejas signāls triodes pastiprinātājā tiek ņemts no zonas starp anodu un tā priekšā pievienoto rezistoru.
Pastiprinātājs ieslēgtsklistron
Zemfrekvences klistrona pastiprinātāja darbības princips ir balstīts uz signāla modulāciju vispirms ātrumā un pēc tam blīvumā.
Klistrons ir izkārtots šādi: kolbā ir katods, ko silda kvēldiegs, un kolektors (analogs anodam). Starp tiem ir ieejas un izejas rezonatori. No katoda izstarotos elektronus paātrina katodam pievadīts spriegums, un tie nonāk kolektorā.
Daži elektroni kustēsies ātrāk, citi lēnāk - šādi izskatās ātruma modulācija. Kustības ātruma atšķirības dēļ elektroni tiek sagrupēti staros – tā izpaužas blīvuma modulācija. Blīvuma modulētais signāls nonāk izejas rezonatorā, kur tas rada tādas pašas frekvences signālu, bet lielāku jaudu nekā ieejas rezonators.
Izrādās, ka elektronu kinētiskā enerģija pārvēršas izejas rezonatora elektromagnētiskā lauka mikroviļņu svārstību enerģijā. Tādā veidā signāls tiek pastiprināts klistronā.
Elektrovakuuma pastiprinātāju īpašības
Ja salīdzinām viena un tā paša signāla kvalitāti, ko pastiprina cauruļu ierīce un ULF uz tranzistoriem, atšķirība būs redzama ar neapbruņotu aci, nevis par labu pēdējam.
Jebkurš profesionāls mūziķis jums pateiks, ka lampu pastiprinātāji ir daudz labāki nekā to uzlabotie kolēģi.
Elektrovakuuma ierīces jau sen ir izgājušas no masveida patēriņa, tās nomainīja tranzistori un mikroshēmas, taču skaņas reproducēšanas jomai tas nav būtiski. Temperatūras stabilitātes un iekšpuses vakuuma dēļ lampu ierīces labāk pastiprina signālu.
Vienīgais caurules ULF trūkums ir augstā cena, kas ir loģiski: ir dārgi ražot elementus, kas nav masveidā pieprasīti.
Bipolārais tranzistoru pastiprinātājs
Bieži pastiprināšanas pakāpes tiek montētas, izmantojot tranzistorus. Vienkāršu zemfrekvences pastiprinātāju var salikt tikai no trim pamatelementiem: kondensatora, rezistora un n-p-n tranzistora.
Lai saliktu šādu pastiprinātāju, būs jāiezemē tranzistora emitētājs, jāpievieno tā pamatnei virknē kondensators un paralēli jāpievieno rezistors. Krava jānovieto kolektora priekšā. Šīs ķēdes kolektoram ir ieteicams pievienot ierobežojošo rezistoru.
Pieļaujamais barošanas spriegums šādai zemfrekvences pastiprinātāja ķēdei svārstās no 3 līdz 12 voltiem. Rezistora vērtība jāizvēlas eksperimentāli, ņemot vērā to, ka tā vērtībai jābūt vismaz 100 reizes lielākai par slodzes pretestību. Kondensatora vērtība var svārstīties no 1 līdz 100 mikrofaradiem. Tā kapacitāte ietekmē frekvences apjomu, kādā pastiprinātājs var darboties. Jo lielāka kapacitāte, jo zemāka frekvences vērtība, ko tranzistors var pastiprināt.
Zemfrekvences bipolārā tranzistora pastiprinātāja ieejas signāls tiek pievadīts kondensatoram. Pozitīvais barošanas stabs ir jāpievieno slodzes savienojuma punktam, un rezistors jāpievieno paralēli pamatnei un kondensatoram.
Lai uzlabotu šāda signāla kvalitāti, emitētājam var pieslēgt paralēli savienotu kondensatoru un rezistoru, kas spēlē negatīvas atgriezeniskās saites lomu.
Pastiprinātājs ar diviem bipolāriem tranzistoriem
Lai palielinātu pastiprinājumu, varat savienot divus atsevišķus ULF tranzistorus vienā. Tad šo ierīču ieguvumus var reizināt.
Lai gan, ja turpināsit palielināt pastiprināšanas pakāpju skaitu, palielināsies iespēja, ka pastiprinātāji paši ierosināsies.
Lauka tranzistoru pastiprinātājs
Zemfrekvences pastiprinātāji tiek montēti arī uz lauka efekta tranzistoriem (turpmāk tekstā - PT). Šādu ierīču shēmas daudz neatšķiras no tām, kas ir samontētas uz bipolāriem tranzistoriem.
Par piemēru tiks uzskatīts n-kanālu izolēts FET (ITF tipa) pastiprinātājs.
Kondensators ir virknē savienots ar šī tranzistora substrātu, un paralēli ir pievienots sprieguma dalītājs. FET avotam ir pievienots rezistors (var izmantot arī kondensatora un rezistora paralēlu savienojumu, kā aprakstīts iepriekš). Drenāžai ir pievienots ierobežojošais rezistors un jauda, un starp rezistoru un noteci tiek izveidots slodzes spaile.
Ieejas signāls zemfrekvences lauka efekta tranzistoru pastiprinātājiem tiek pievadīts vārtiem. Tas tiek darīts arī, izmantojot kondensatoru.
Kā redzams no paskaidrojuma, vienkāršākā lauka efekta tranzistora pastiprinātāja ķēde neatšķiras no zemfrekvences bipolārā tranzistora pastiprinātāja ķēdes.
Tomēr, strādājot ar PT, jāņem vērā šādas šo elementu īpašības:
- FET augsts Rinput=I / Ugate-source. Lauka efekta tranzistorus kontrolē elektriskais lauks,ko rada stress. Tāpēc FET kontrolē spriegums, nevis strāva.
- FET gandrīz nepatērē strāvu, kas rada nelielu sākotnējā signāla kropļojumu.
- Lautranzistoros nav lādiņa iesmidzināšanas, tāpēc šo elementu trokšņu līmenis ir ļoti zems.
- Tie ir izturīgi pret temperatūru.
Galvenais FET trūkums ir to augstā jutība pret statisko elektrību.
Daudziem ir zināma situācija, kad šķietami nevadošas lietas šokē cilvēku. Tā ir statiskās elektrības izpausme. Ja šāds impulss tiek pielietots vienam no lauka tranzistora kontaktiem, elementu var atspējot.
Tāpēc, strādājot ar PT, kontaktus labāk neņemt ar rokām, lai nejauši nesabojātu elementu.
OpAmp ierīce
Operacionālais pastiprinātājs (turpmāk tekstā – op-amp) ir ierīce ar diferencētām ieejām, kam ir ļoti augsts pastiprinājums.
Signāla pastiprināšana nav vienīgā šī elementa funkcija. Tas var darboties arī kā signālu ģenerators. Tomēr, strādājot ar zemām frekvencēm, tās pastiprinošās īpašības ir svarīgas.
Lai izveidotu signāla pastiprinātāju no operētājsistēmas pastiprinātāja, tam pareizi jāpievieno atgriezeniskās saites ķēde, kas ir parasts rezistors. Kā saprast, kur savienot šo ķēdi? Lai to izdarītu, jums ir jāatsaucas uz operētājsistēmas pastiprinātāja pārsūtīšanas raksturlielumiem. Tam ir divas horizontālas un viena lineāra sadaļa. Ja darbības punktsierīce atrodas vienā no horizontālajām sekcijām, tad op-amp darbojas ģeneratora režīmā (impulsu režīmā), ja tas atrodas uz lineārās sadaļas, tad op-amp pastiprina signālu.
Lai op-amp pārsūtītu uz lineāro režīmu, atgriezeniskās saites rezistors ar vienu kontaktu ir jāpievieno ierīces izejai, bet otrs - ar apgriežamo ieeju. Šo iekļaušanu sauc par negatīvām atsauksmēm (NFB).
Ja ir nepieciešams, lai zemfrekvences signāls būtu jāpastiprina un nemainās fāzē, tad invertējošā ieeja ar OOS ir jāiezemē, un pastiprinātais signāls jāpieliek neinvertējošajai ieejai. Ja nepieciešams pastiprināt signālu un mainīt tā fāzi par 180 grādiem, tad neinvertējošajai ieejai jābūt iezemētai, bet ieejas signālam jāpievieno invertējošajam.
Šajā gadījumā nedrīkst aizmirst, ka operacionālais pastiprinātājs ir jāpiegādā ar pretējas polaritātes jaudu. Šim nolūkam viņam ir īpašas kontaktpersonas.
Ir svarīgi atzīmēt, ka, strādājot ar šādām ierīcēm, dažreiz ir grūti izvēlēties elementus zemfrekvences pastiprinātāja ķēdei. To rūpīga saskaņošana ir nepieciešama ne tikai attiecībā uz nominālvērtībām, bet arī attiecībā uz materiāliem, no kuriem tie izgatavoti, lai sasniegtu vēlamos pastiprinājuma parametrus.
Pastiprinātājs mikroshēmā
ULF var montēt uz elektrovakuuma elementiem un tranzistoriem, un uz darbības pastiprinātājiem, tikai vakuuma lampas ir pagājušajā gadsimtā, un pārējās shēmas nav bez trūkumiem, kuru labošana neizbēgami ir saistīta ar dizaina sarežģītību no pastiprinātāja. Tas ir neērti.
Inženieri jau sen ir atraduši ērtāku iespēju ULF izveidei: nozare ražo gatavas mikroshēmas, kas darbojas kā pastiprinātāji.
Katra no šīm shēmām ir darbības pastiprinātāju, tranzistoru un citu elementu komplekts, kas savienoti noteiktā veidā.
Dažu ULF sēriju piemēri integrālo shēmu veidā:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Visas iepriekš minētās sērijas tiek izmantotas audio iekārtās. Katram modelim ir atšķirīgi raksturlielumi: barošanas spriegums, izejas jauda, pastiprinājums.
Tie ir izgatavoti mazu elementu veidā ar daudzām tapām, kuras ir ērti novietot uz dēļa un montēt.
Lai strādātu ar zemfrekvences pastiprinātāju mikroshēmā, ir lietderīgi zināt loģiskās algebras pamatus, kā arī loģisko elementu darbības principus UN-NOT, VAI-NOT.
Gandrīz jebkuru elektronisku ierīci var salikt uz loģiskiem elementiem, taču šajā gadījumā daudzas shēmas izrādīsies apjomīgas un uzstādīšanai neērtas.
Tādēļ gatavu integrālo shēmu izmantošana, kas veic ULF funkciju, šķiet ērtākā praktiskā iespēja.
Shēmas uzlabojumi
Iepriekš minētais bija piemērs tam, kā uzlabot pastiprināto signālu, strādājot ar bipolāriem un lauka efekta tranzistoriem (paralēli savienojot kondensatoru un rezistoru).
Šādus strukturālus uzlabojumus var veikt ar gandrīz jebkuru shēmu. Protams, pieaug jaunu elementu ieviešanasprieguma kritums (zaudējumi), bet, pateicoties tam, var uzlabot dažādu ķēžu īpašības. Piemēram, kondensatori ir lieliski frekvenču filtri.
Uz pretestības, kapacitatīviem vai induktīviem elementiem ieteicams savākt vienkāršākos filtrus, kas filtrē frekvences, kurām nevajadzētu nonākt ķēdē. Apvienojot rezistīvos un kapacitatīvos elementus ar darbības pastiprinātājiem, var salikt efektīvākus filtrus (integratorus, Sallen-Key diferenciatorus, iegriezuma un joslas caurlaides filtrus).
Nobeigumā
Svarīgākie frekvenču pastiprinātāju parametri ir:
- ieguvums;
- signāla izkropļojumu faktors;
- jauda.
Zemfrekvences pastiprinātājus visbiežāk izmanto audioiekārtās. Ierīces datus varat apkopot praktiski par šādiem elementiem:
- uz vakuuma caurulēm;
- uz tranzistoriem;
- operācijas pastiprinātājos;
- uz gatavām mikroshēmām.
Zemfrekvences pastiprinātāju raksturlielumus var uzlabot, ieviešot rezistīvus, kapacitatīvus vai induktīvus elementus.
Katrai no iepriekš minētajām shēmām ir savas priekšrocības un trūkumi: dažus pastiprinātājus ir dārgi montēt, dažus var pārsātināt, dažiem ir grūti saskaņot izmantotos elementus. Vienmēr ir funkcijas, ar kurām pastiprinātāja izstrādātājam ir jātiek galā.
Izmantojot visus šajā rakstā sniegtos ieteikumus, varat izveidot savu pastiprinātāju lietošanai mājāstā vietā, lai iegādātos šo ierīci, kas var maksāt daudz naudas, ja runa ir par augstas kvalitātes ierīcēm.
