Niskofrekventno pojačalo (u daljnjem tekstu ULF) je elektronički uređaj dizajniran za pojačanje niskofrekventnih oscilacija na onaj koji je potreban potrošaču. Mogu se izvoditi na raznim elektroničkim elementima kao što su različiti tipovi tranzistora, cijevi ili operacijska pojačala. Svi ULF-ovi imaju niz parametara koji karakteriziraju učinkovitost njihovog rada.
Ovaj članak će govoriti o korištenju takvog uređaja, njegovim parametrima, načinima izrade pomoću različitih elektroničkih komponenti. Također će se uzeti u obzir sklop niskofrekventnih pojačala.
ULF aplikacija
ULF se najčešće koristi u opremi za reprodukciju zvuka, jer je u ovom području tehnologije često potrebno pojačati frekvenciju signala na onu koju ljudsko tijelo može percipirati (od 20 Hz do 20 kHz).
Ostale ULF aplikacije:
- tehnologija mjerenja;
- defektoskopija;
- analogno računalstvo.
Općenito, bas pojačala se nalaze kao komponente različitih elektroničkih sklopova, kao što su radija, akustični uređaji, televizori ili radio odašiljači.
Parametri
Najvažniji parametar za pojačalo je pojačanje. Izračunava se kao omjer izlaza i ulaza. Ovisno o vrijednosti koja se razmatra, razlikuju se:
- strujni dobitak=izlazna struja / ulazna struja;
- pojačanje napona=izlazni napon / ulazni napon;
- pojačanje snage=izlazna snaga/ulazna snaga.
Za neke uređaje, poput op-pojačala, vrijednost ovog koeficijenta je vrlo velika, ali je nezgodno raditi s prevelikim (kao i premalim) brojevima u izračunima, pa se dobici često izražavaju logaritamskim jedinice. Za to se primjenjuju sljedeće formule:
- pojačanje snage u logaritamskim jedinicama=10logaritam željenog dobitka snage;
- trenutni dobitak u logaritamskim jedinicama=20decimalni logaritam željenog trenutnog dobitka;
- pojačanje napona u logaritamskim jedinicama=20logaritam željenog pojačanja napona.
Koeficijenti izračunati na ovaj način mjere se u decibelima. Skraćeni naziv - dB.
Sljedeći važan parametarpojačalo - koeficijent izobličenja signala. Važno je razumjeti da se pojačanje signala događa kao rezultat njegovih transformacija i promjena. Nije činjenica da će se te transformacije uvijek dogoditi ispravno. Iz tog razloga, izlazni signal može se razlikovati od ulaznog signala, na primjer, oblikom.
Idealna pojačala ne postoje, pa je izobličenje uvijek prisutno. Istina, u nekim slučajevima ne prelaze dopuštene granice, dok u drugima idu. Ako se harmonici signala na izlazu pojačala podudaraju s harmonicima ulaznih signala, tada je izobličenje linearno i svodi se samo na promjenu amplitude i faze. Ako se na izlazu pojave novi harmonici, onda je izobličenje nelinearno, jer dovodi do promjene oblika signala.
Drugim riječima, ako je izobličenje linearno i na ulazu pojačala je bio signal "a", tada će izlaz biti "A" signal, a ako je nelinearan, tada će izlaz će biti "B" signal.
Posljednji važan parametar koji karakterizira rad pojačala je izlazna snaga. Vrste snage:
- Ocijenjeno.
- šum putovnice.
- Maksimalno kratkoročno.
- Maksimalno dugoročno.
Sve četiri vrste standardizirane su različitim GOST-ovima i standardima.
Vamplifiers
U povijesti su prva pojačala nastala na vakuumskim cijevima, koje pripadaju klasi vakuumskih uređaja.
Ovisno o elektrodama smještenim unutar hermetičke tikvice, svjetiljke se razlikuju:
- diode;
- triode;
- tetrodes;
- pentode.
Maksimumbroj elektroda je osam. Postoje i takvi elektrovakuumski uređaji kao što su klistroni.
Triodno pojačalo
Prije svega, vrijedi razumjeti shemu prebacivanja. Opis sklopa niskofrekventnog triodnog pojačala dat je u nastavku.
Filament koji zagrijava katodu je pod naponom. Napon se također primjenjuje na anodu. Pod djelovanjem temperature s katode se izbijaju elektroni koji jure prema anodi, na koju se primjenjuje pozitivan potencijal (elektroni imaju negativan potencijal).
Dio elektrona presreće treća elektroda - mreža, na koju se također primjenjuje napon, samo naizmjenično. Uz pomoć mreže regulira se anodna struja (struja u krugu u cjelini). Ako se na mrežu primijeni veliki negativni potencijal, svi elektroni s katode će se smjestiti na nju, a struja neće teći kroz lampu, jer je struja usmjereno kretanje elektrona, a mreža blokira to kretanje.
Pojačanje žarulje podešava otpornik koji je spojen između napajanja i anode. Postavlja željenu poziciju radne točke na strujno-naponskoj karakteristici, o kojoj ovise parametri pojačanja.
Zašto je položaj radne točke tako važan? Jer ovisi o tome koliko će struja i napon (a time i snaga) biti pojačani u krugu niskofrekventnog pojačala.
Izlazni signal na triodnom pojačalu uzima se iz područja između anode i otpornika spojenog ispred njega.
Pojačalo uključenoklystron
Princip rada niskofrekventnog klistronskog pojačala temelji se na modulaciji signala prvo u brzini, a zatim u gustoći.
Klistron je raspoređen na sljedeći način: tikvica ima katodu grijanu filamentom i kolektor (analogan anodi). Između njih su ulazni i izlazni rezonatori. Elektroni emitirani s katode ubrzavaju se naponom primijenjenim na katodu i jure prema kolektoru.
Neki elektroni će se kretati brže, drugi sporije - ovako izgleda modulacija brzine. Zbog razlike u brzini kretanja, elektroni se grupiraju u snopove – tako se očituje modulacija gustoće. Modulirani signal gustoće ulazi u izlazni rezonator, gdje stvara signal iste frekvencije, ali veće snage od ulaznog rezonatora.
Ispada da se kinetička energija elektrona pretvara u energiju mikrovalnih oscilacija elektromagnetskog polja izlaznog rezonatora. Ovako se pojačava signal u klistronu.
Značajke elektrovakuumskih pojačala
Uporedimo li kvalitetu istog signala pojačanog cijevnim uređajem i ULF-a na tranzistorima, razlika će biti vidljiva golim okom ne u korist potonjeg.
Svaki profesionalni glazbenik će vam reći da su cijevna pojačala mnogo bolja od svojih naprednih kolega.
Elektrovakumski uređaji odavno su izašli iz masovne potrošnje, zamijenili su ih tranzistori i mikrosklopovi, ali to je nebitno za područje reprodukcije zvuka. Zbog stabilnosti temperature i unutarnjeg vakuuma, uređaji za lampe bolje pojačavaju signal.
Jedina mana cijevi ULF je visoka cijena, što je i logično: skupo je proizvoditi elemente koji nisu masovno traženi.
Bipolarno tranzistorsko pojačalo
Često se stupnjevi za pojačanje sastavljaju pomoću tranzistora. Jednostavno niskofrekventno pojačalo može se sastaviti od samo tri osnovna elementa: kondenzatora, otpornika i n-p-n tranzistora.
Da biste sastavili takvo pojačalo, morat ćete uzemljiti emiter tranzistora, spojiti kondenzator u seriju na njegovu bazu, a otpornik paralelno. Teret treba postaviti ispred kolektora. Preporučljivo je spojiti ograničavajući otpornik na kolektor u ovom krugu.
Dopušteni napon napajanja takvog sklopa niskofrekventnog pojačala varira od 3 do 12 volti. Vrijednost otpornika treba odabrati eksperimentalno, uzimajući u obzir činjenicu da njegova vrijednost mora biti najmanje 100 puta veća od otpora opterećenja. Vrijednost kondenzatora može varirati od 1 do 100 mikrofarada. Njegov kapacitet utječe na količinu frekvencije na kojoj pojačalo može raditi. Što je veći kapacitet, to je niža frekvencijska ocjena koju tranzistor može pojačati.
Ulazni signal niskofrekventnog bipolarnog tranzistorskog pojačala se primjenjuje na kondenzator. Pozitivni pol napajanja mora biti spojen na spojnu točku opterećenja, a otpornik spojen paralelno s bazom i kondenzatorom.
Da biste poboljšali kvalitetu takvog signala, možete spojiti paralelno spojeni kondenzator i otpornik na emiter, koji imaju ulogu negativne povratne sprege.
Pojačalo s dva bipolarna tranzistora
Da biste povećali pojačanje, možete spojiti dva pojedinačna ULF tranzistora u jedan. Tada se dobici ovih uređaja mogu pomnožiti.
Iako ako nastavite povećavati broj stupnjeva pojačala, šansa za samouzbuđenje pojačala će se povećati.
Tranzistorsko pojačalo s efektom polja
Niskofrekventna pojačala se također sklapaju na tranzistorima s efektom polja (u daljnjem tekstu PT). Sklopovi takvih uređaja ne razlikuju se mnogo od onih koji su sastavljeni na bipolarnim tranzistorima.
N-kanalno izolirano FET FET (tip ITF) pojačalo će se smatrati primjerom.
Kondenzator je spojen serijski na supstrat ovog tranzistora, a djelitelj napona spojen je paralelno. Otpornik je spojen na izvor FET-a (možete koristiti i paralelnu vezu kondenzatora i otpornika, kao što je gore opisano). Ograničavajući otpornik i snaga su spojeni na odvod, a između otpornika i drena se stvara terminal za opterećenje.
Ulazni signal za niskofrekventna poljska tranzistorska pojačala se primjenjuje na kapiju. To se također radi preko kondenzatora.
Kao što možete vidjeti iz objašnjenja, najjednostavniji krug pojačala tranzistora s efektom polja ne razlikuje se od niskofrekventnog bipolarnog tranzistorskog pojačala.
Međutim, pri radu s PT-om treba uzeti u obzir sljedeće značajke ovih elemenata:
- FET high Rulaz=I / Uvrata-izvor. Tranzistori s efektom polja kontroliraju se električnim poljem,koji nastaje stresom. Stoga se FET-ovi kontroliraju naponom, a ne strujom.
- FET-ovi gotovo ne troše struju, što za sobom povlači blago izobličenje izvornog signala.
- Nema injekcije naboja u tranzistorima s efektom polja, tako da je razina buke ovih elemenata vrlo niska.
- Oni su otporni na temperaturu.
Glavni nedostatak FET-ova je njihova visoka osjetljivost na statički elektricitet.
Mnogi su upoznati sa situacijom kada naizgled nevodljive stvari šokiraju osobu. Ovo je manifestacija statičkog elektriciteta. Ako se takav impuls primijeni na jedan od kontakata tranzistora s efektom polja, element se može onemogućiti.
Dakle, kada radite s PT-om, bolje je ne uzimati kontakte rukama kako ne biste slučajno oštetili element.
OpAmp uređaj
Operativno pojačalo (u daljnjem tekstu op-amp) je uređaj s diferenciranim ulazima, koji ima vrlo visoko pojačanje.
Pojačavanje signala nije jedina funkcija ovog elementa. Može raditi i kao generator signala. Ipak, upravo su njegova svojstva pojačanja od interesa za rad s niskim frekvencijama.
Da biste napravili pojačalo signala od op-pojačala, morate na njega ispravno spojiti povratni krug, koji je običan otpornik. Kako razumjeti gdje spojiti ovaj krug? Da biste to učinili, morate se obratiti na prijenosnu karakteristiku op-pojačala. Ima dva horizontalna i jedan linearni dio. Ako je radna točkauređaj se nalazi na jednoj od horizontalnih sekcija, tada op-pojačalo radi u generatorskom modu (impulsni način), ako se nalazi na linearnoj sekciji, tada op-pojačalo pojačava signal.
Da biste op-pojačalo prebacili u linearni način rada, trebate spojiti povratni otpornik s jednim kontaktom na izlaz uređaja, a drugi - na invertirajući ulaz. Ovo uključivanje naziva se negativna povratna informacija (NFB).
Ako je potrebno da se signal niske frekvencije pojača i da se ne mijenja u fazi, tada invertirajući ulaz s OOS-om treba biti uzemljen, a pojačani signal treba primijeniti na neinvertirajući ulaz. Ako je potrebno pojačati signal i promijeniti njegovu fazu za 180 stupnjeva, tada se neinvertirajući ulaz mora uzemljiti, a ulazni signal spojiti na invertirajući.
U ovom slučaju ne smijemo zaboraviti da se operaciono pojačalo mora napajati snagom suprotnih polariteta. Za to ima posebne kontakte.
Važno je napomenuti da je u radu s takvim uređajima ponekad teško odabrati elemente za sklop niskofrekventnog pojačala. Njihova pažljiva koordinacija potrebna je ne samo u smislu nazivnih vrijednosti, već iu pogledu materijala od kojih su izrađeni, kako bi se postigli željeni parametri pojačanja.
Pojačalo na čipu
ULF se može sastaviti i na elektrovakuumskim elementima, i na tranzistorima, i na operativnim pojačalima, samo su vakuumske cijevi prošlo stoljeće, a ostali sklopovi nisu bez nedostataka, čije ispravljanje neizbježno povlači kompliciranje dizajna pojačala. Ovo je nezgodno.
Inženjeri su odavno pronašli prikladniju opciju za stvaranje ULF-a: industrija proizvodi gotove mikrosklopove koji djeluju kao pojačala.
Svaki od ovih sklopova je skup op-pojačala, tranzistora i drugih elemenata povezanih na određeni način.
Primjeri nekih ULF serija u obliku integriranih krugova:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Sve gore navedene serije koriste se u audio opremi. Svaki model ima različite karakteristike: napon napajanja, izlaznu snagu, pojačanje.
Izrađeni su u obliku malih elemenata s mnogo pinova, koje je prikladno postaviti na ploču i montirati.
Za rad s niskofrekventnim pojačalom na mikrokrugu, korisno je poznavati osnove logičke algebre, kao i principe rada logičkih elemenata I-NE, ILI-NE..
Gotovo svaki elektronički uređaj može se sastaviti na logičke elemente, ali u ovom slučaju, mnogi sklopovi će ispasti glomazni i nezgodni za instalaciju.
Stoga, upotreba gotovih integriranih krugova koji obavljaju ULF funkciju čini se najprikladnijom praktičnom opcijom.
Poboljšanje sheme
Gore je bio primjer kako možete poboljšati pojačani signal kada radite s bipolarnim tranzistorima i tranzistorima s efektom polja (paralelnim spajanjem kondenzatora i otpornika).
Takve strukturne nadogradnje mogu se napraviti s gotovo bilo kojom shemom. Naravno, povećava se uvođenje novih elemenatapad napona (gubici), ali se zahvaljujući tome mogu poboljšati svojstva raznih strujnih krugova. Na primjer, kondenzatori su izvrsni filtri za frekvenciju.
Na otpornim, kapacitivnim ili induktivnim elementima preporuča se sakupljanje najjednostavnijih filtara koji filtriraju frekvencije koje ne bi smjele pasti u krug. Kombinacijom otpornih i kapacitivnih elemenata s operativnim pojačalima, mogu se sastaviti učinkovitiji filtri (integratori, Sallen-Key diferencijatori, notch i bandpass filteri).
Zaključak
Najvažniji parametri frekvencijskih pojačala su:
- dobitak;
- faktor izobličenja signala;
- izlazna snaga.
Niskofrekventna pojačala najčešće se koriste u audio opremi. Podatke o uređaju možete prikupljati praktički na sljedećim elementima:
- na vakuumskim cijevima;
- na tranzistorima;
- na operativnim pojačalima;
- na gotovim žetonima.
Karakteristike niskofrekventnih pojačala mogu se poboljšati uvođenjem otpornih, kapacitivnih ili induktivnih elemenata.
Svaka od gornjih shema ima svoje prednosti i nedostatke: neka pojačala su skupa za sastavljanje, neka mogu ići u zasićenje, za neke je teško uskladiti korištene elemente. Uvijek postoje značajke s kojima se dizajner pojačala mora nositi.
Koristeći sve preporuke dane u ovom članku, možete napraviti vlastito pojačalo za kućnu upotrebuumjesto kupnje ovog uređaja, koji može koštati puno novca kada su u pitanju uređaji visoke kvalitete.
