Obvod zesilovače s nízkou frekvencí. Klasifikace a princip fungování unf

Basový zesilovač (dále jen CNF) je elektronické zařízení určené k zesílení kmitů s nízkou frekvencí na ten, který spotřebitel potřebuje. Mohou být prováděny na různých elektronických prvcích, jako jsou tranzistory různých typů, lampy nebo operační zesilovače. Všechny UNF mají řadu parametrů, které charakterizují účinnost jejich práce.

Tento článek bude hovořit o použití takového zařízení, jeho parametrech, způsobech konstrukce pomocí různých elektronických součástek. Rovněž bude zváženo obvodové inženýrství nízkofrekvenčních zesilovačů.

Aplikace Unch

Nejčastěji se CNF používá v zařízení pro reprodukci zvuku, protože v této oblasti techniky je často nutné zvýšit frekvenci signálu na frekvenci, kterou může lidské tělo vnímat (od 20 Hz do 20 kHz).

Další aplikace UNF:

• měřicí technika;
• defektoskopie;
• analogová výpočetní technika.

Obecně se basové zesilovače vyskytují jako součásti různých elektronických obvodů, jako jsou rádia, akustická zařízení, televizory nebo rádiové vysílače.

Parametry

Nejdůležitějším parametrem zesilovače je zisk. Vypočítá se jako poměr výstupního signálu ke vstupu. V závislosti na uvažované velikosti se rozlišují:

• proudový zisk = Výstupní proud / vstupní proud;
• zisk napětí = výstupní napětí / vstupní napětí;
• zisk výkonu = výstupní výkon / vstupní výkon.

U některých zařízení, jako jsou operační zesilovače, je hodnota tohoto faktoru velmi vysoká, ale práce s příliš velkými (stejně jako s příliš malými) čísly při výpočtu je nepohodlná, takže často jsou ziskové faktory vyjádřeny v logaritmických jednotkách. K tomu se používají následující vzorce:

• zisk výkonu v logaritmických jednotkáchu003d 10 * desetinný logaritmus požadovaného zesílení výkonu;
• proudový zisk v logaritmických jednotkách = 20 * desetinný logaritmus požadovaného proudového zisku;
• napěťový zisk v logaritmických jednotkách = 20 * desetinný logaritmus požadovaného napěťového zisku.

Takto vypočtené koeficienty se měří v decibelech. Zkrácený název-db.

Dalším důležitým parametrem zesilovače je poměr zkreslení signálu. Je důležité pochopit, že zesílení signálu je výsledkem jeho transformací a změn. Ne skutečnost, že tyto transformace budou vždy probíhat správně. Podle této důvod výstupu signál se může lišit od vstupu, například tvarem.

Neexistují žádné dokonalé zesilovače, takže ke zkreslení vždy dochází. Pravda, v některých případech nepřekračují přípustné hranice a v jiných – jdou ven. Pokud se harmonické signály na výstupu zesilovače shodují s harmonickými vstupních signálů, pak jsou zkreslení lineární a redukují se pouze na změnu amplitudy a fáze. Pokud se na výstupu objeví nové harmonické, pak jsou zkreslení nelineární, protože vedou ke změně tvaru signálu.

Jednoduše řečeno, pokud jsou zkreslení lineární a na vstupu zesilovače byl signál "a", pak na výstupu bude signál "A", a pokud jsou nelineární, pak na výstupu bude signál "B".

Posledním důležitým parametrem charakterizujícím výkon zesilovače je výstupní výkon. Odrůdy výkonu:

1. Jmenovitý.
2. Pasová hluková.
3. Maximální krátkodobá.
4. Maximální dlouhodobá.

Všechny čtyři typy jsou přidělovány různými GOST a standardy.

Zesilovače na lampách

Historicky byly první zesilovače vytvořeny na elektronkách, které patří do třídy elektrických vakuových zařízení.

V závislosti na elektrodách umístěných uvnitř uzavřené žárovky se rozlišují:

• dioda;
• triody;
• tetrody;
• pentoda.

Maximální počet elektrod je osm. Existují také elektrovakuová zařízení, jako jsou klystrony.

Zesilovač na triodě

Nejprve stojí za to vyřešit schéma zapojení. Popis obvodu zesilovače s nízkou frekvencí na triodě je uveden níže.

Vlákno, které ohřívá katodu, je napájeno napětím. Napětí je také aplikováno na anodu. Z katody se pod vlivem teploty srazí elektrony, které spěchají k anodě, na kterou je kladný potenciál aplikován (u elektronů je potenciál záporný).

Část elektronů je zachycena třetí elektrodou-mřížkou, ke které je také přivedeno napětí, pouze proměnnou. Pomocí mřížky je regulován anodový proud (Proud v obvodu jako celku). Pokud je na mřížku aplikován velký záporný potenciál, usadí se na ní všechny elektrony z katody a proud nebude protékat lampou, protože proud je směrovaný pohyb elektronů a mřížka tento pohyb překrývá.

Zisk lampy reguluje odpor, který je připojen mezi napájecím zdrojem a anodou. Nastavuje požadovanou polohu pracovního bodu na charakteristice napětí a napětí, na které závisí parametry zisku.

Proč je pozice pracovního bodu tak důležitá? Protože to závisí na tom, kolik proudu a napětí (tedy i výkonu) bude zesíleno v obvodu zesilovače s nízkou frekvencí.

Výstup na triodovém zesilovači je odstraněn z části mezi anodou a odporem zapnutým před ním.

Posilovač na klystronu

Princip činnosti nízkofrekvenčního zesilovače na klystronu je založen na modulaci signálu nejprve rychlostí a poté hustotou.

Klystron je uspořádán takto: v baňce je katoda zahřívaná vláknem a kolektor (Analog anody). Mezi nimi jsou umístěny vstupní a výstupní rezonátory. Elektrony emitované z katody jsou zrychleny napětím vedeným ke katodě a spěchají ke kolektoru.

Některé elektrony se budou pohybovat rychleji, jiné pomaleji - takto vypadá modulace rychlostí. Kvůli rozdílu v rychlosti pohybu jsou elektrony seskupeny do svazků-tak se projevuje modulace hustoty. Signál modulovaný hustotou vstupuje do výstupního rezonátoru, kde vytváří signál stejné frekvence, ale většího výkonu než vstupní dutina.

Ukazuje se, že kinetická energie elektronů je přeměněna na mikrovlnnou vibrační energii elektromagnetického pole výstupního rezonátoru. Takto dochází k zesílení signálu v klystronu.

Vlastnosti elektrických vakuových zesilovačů

Pokud porovnáte kvalitu stejného signálu zesíleného trubicovým zařízením a RF na tranzistorech, bude rozdíl viditelný pouhým okem, nikoli ve prospěch druhého.

Každý profesionální hudebník řekne, že trubkové zesilovače mnohem lepší svých pokročilých protějšků.

Elektrovakuová zařízení již dávno vyšla z masové spotřeby, byly nahrazeny tranzistory a mikroobvody, ale to je irelevantní pro oblast reprodukce zvuku. Díky teplotní stabilitě a vakuu uvnitř trubková zařízení lépe zesilují signál.

Jedinou nevýhodou CNF trubice je vysoká cena, což je logické: je drahé vyrábět prvky, které nejsou masově žádané.

Zesilovač na bipolárním tranzistoru

Zesilovací stupně jsou často sestavovány pomocí tranzistorů. Jednoduchý nízkofrekvenční zesilovač lze sestavit pouze ze tří hlavních prvků: kondenzátoru, rezistoru a tranzistoru n-p-n.

Chcete-li sestavit takový zesilovač, budete muset uzemnit emitor tranzistoru, připojit kondenzátor k jeho základně v sérii a paralelně-rezistor. Zatížení by mělo být umístěno před kolektorem. Je vhodné připojit omezující odpor k kolektoru v tomto obvodu.

Přípustné napájecí napětí takového nízkofrekvenčního zesilovače se pohybuje od 3 do 12 voltů. Hodnota rezistoru by měla být zvolena experimentálně, protože jeho hodnota by měla být nejméně 100krát větší než odpor zátěže. Hodnota kondenzátoru se může pohybovat od 1 do 100 µF. Jeho kapacita ovlivňuje množství frekvence, se kterou může zesilovač pracovat. Čím větší je kapacita, tím nižší je hodnota frekvence, kterou může tranzistor zesílit.

Vstup nízkofrekvenčního zesilovače na bipolárním tranzistoru je přiváděn do kondenzátoru. Kladný napájecí pól musí být připojen k spojovacímu bodu zátěže a rezistoru paralelně připojenému k základně a kondenzátoru.

Pro zlepšení kvality takového signálu lze k emitoru připojit paralelně připojený kondenzátor a odpor, který hraje roli negativní zpětné vazby.

Zesilovač na dvou bipolárních tranzistorech

Pro zvýšení zisku je možné spojit dva jednotlivé UNF na tranzistorech do jednoho. Poté lze zisk těchto zařízení znásobit.

I když budete i nadále zvyšovat počet zesilovacích stupňů, zvýší se šance na samoopalování zesilovačů.

Zesilovač na tranzistoru s efektem pole

Nízkofrekvenční zesilovače jsou shromažďovány na tranzistorech s efektem pole (dále jen PT). Obvody takových zařízení se příliš neliší od obvodů sestavených na bipolárních tranzistorech.

Příkladem by byl zesilovač s izolovaným hradlovým polem S N-kanálem (Typ MDP).

Kondenzátor je sériově připojen k substrátu tohoto tranzistoru, paralelně-dělič napětí. Rezistor je připojen ke zdroji PT (můžete také použít paralelní připojení kondenzátoru a rezistoru, jak je popsáno výše). K odtoku je připojen omezující odpor a napájení a mezi odporem a odtokem je vytvořen kolík zátěže.

Vstupní signál do nízkofrekvenčních zesilovačů na tranzistorech s efektem pole je přiváděn do brány. Provádí se také prostřednictvím kondenzátoru.

Jak je vidět z vysvětlení, obvod nejjednoduššího zesilovače na tranzistoru s efektem pole se neliší od obvodu zesilovače s nízkou frekvencí na bipolárním tranzistoru.

Je pravda, že při práci s PT stojí za zvážení následující vlastnosti těchto prvků:

1. PT má vysokou R_vstupní = I / U_{závěrka-zdroj}. Tranzistory s efektem pole jsou řízeny elektrickým polem, které je tvořeno napětím. Proto jsou PT řízeny napětím, nikoli proudem.
2. PT sotva spotřebovávají proud, což znamená slabé zkreslení původního signálu.
3. Tranzistory s efektem pole nemají vstřikování náboje, takže úroveň šumu těchto prvků je velmi nízká.
4. Jsou odolné vůči změnám teploty.

Hlavní nevýhodou tranzistorů s efektem pole je vysoká citlivost na statickou elektřinu.

Mnoho lidí zná situaci, kdy zdánlivě nepřesné věci udeří člověka elektrickým proudem. To je projev statické elektřiny. Pokud je takový impuls aplikován na jeden z pinů tranzistoru s efektem pole, můžete prvek deaktivovat.

Při práci s PT je tedy lepší nepoškodit kontakty rukama, aby nedošlo k náhodnému poškození prvku.

Zařízení na operačním zesilovači

Operační zesilovač (dále jen ou) - zařízení s diferencovanými vstupy, které má velmi vysoký zisk.

Zesílení signálu není jedinou funkcí daného prvku. Může fungovat také jako generátor signálu. Přesto pro provoz s nízkými frekvencemi jsou zajímavé právě jeho zesilovací vlastnosti.

Chcete-li vytvořit zesilovač signálu z ou, musíte k němu správně připojit obvod zpětné vazby, což je běžný odpor. Jak porozumět, kam připojit tento obvod? K tomu je třeba se obrátit na převodovou charakteristiku ou. Má dva horizontální a jeden lineární plot. Pokud je pracovní bod zařízení umístěn na jedné z vodorovných částí, pak ou pracuje v režimu generátoru (pulzní režim), pokud je na lineární části, Pak Ou zesiluje signál.

Chcete-li uvést ou do lineárního režimu, musíte připojit zpětnovazební odpor jedním pinem k výstupu zařízení a druhým k invertujícímu vstupu. Toto zahrnutí se nazývá negativní zpětná vazba (OOS).

Pokud je požadováno, aby byl nízkofrekvenční signál zesílen a nezměněn ve fázi, měl by být invertující vstup z OOS uzemněn a zesílený signál by měl být aplikován na neinvertující vstup. Pokud potřebujete zesílit signál a změnit jeho fázi o 180 stupňů, musí být neinvertující vstup uzemněn a vstup musí být aplikován na invertující signál.

V tomto případě nesmíme zapomenout, že operační zesilovač musí být napájen opačnými polaritami. K tomu má speciální kontaktní kolíky.

Je důležité poznamenat, že práce s takovými zařízeními může být někdy obtížné vybrat prvky pro obvod zesilovače s nízkou frekvencí. Vyžaduje se jejich pečlivé sladění nejen podle jmenovitých hodnot, ale také podle materiálů, ze kterých jsou vyrobeny, aby se dosáhlo požadovaných parametrů zesílení.

Zesilovač na čipu

UNF lze sestavit na elektrovakuových prvcích, tranzistorech a operačních zesilovačích, pouze elektronky jsou minulým stoletím a zbývající obvody nejsou bez nedostatků, jejichž oprava nevyhnutelně vede ke složitosti konstrukce zesilovače. Je to nepříjemné.

Inženýři již dlouho našli pohodlnější možnost vytvoření RF: průmysl vyrábí hotové čipy, které plní roli zesilovačů.

Každý z těchto obvodů je sada ou, tranzistorů a dalších prvků spojených určitým způsobem.

Příklady některých sérií UNF ve formě integrovaných obvodů:

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

Všechny výše uvedené řady se používají ve zvukovém zařízení. Každý z modelů má různé vlastnosti: napájecí napětí, výstupní výkon, zisk.

Jsou vyráběny ve formě malých prvků s mnoha kolíky, které lze pohodlně umístit na desku a namontovat.

Pro práci s nízkofrekvenčním zesilovačem na čipu je užitečné znát základy algebry logiky i princip práce logických prvků a-ne, nebo-ne.

Na logických prvcích lze sestavit téměř všechna elektronická zařízení, ale v tomto případě bude mnoho obvodů těžkopádných a nepohodlných pro instalaci.

Proto se zdá, že nejpohodlnější praktickou možností je použití hotových integrovaných obvodů provádějících funkci CNF.

Zlepšení schémat

Výše byl uveden příklad toho, jak lze zesílený signál zlepšit při práci s bipolárními a Fet (připojení paralelního připojení kondenzátoru a rezistoru).

Podobné konstrukční modernizace lze provádět téměř s jakýmikoli schématy. Zavedení nových prvků samozřejmě zvyšuje pokles napětí (ztráty), ale díky tomu lze zlepšit vlastnosti různých obvodů. Například kondenzátory jsou vynikající frekvenční filtry.

Na odporových, kapacitních nebo indukčních prvcích se doporučuje sestavit nejjednodušší filtry, které vylučují frekvence, které by neměly spadat do obvodu. Kombinací odporových a kapacitních prvků s operačními zesilovači je možné sestavit účinnější filtry (integrátory, diferenciátory podle schématu Sullen-Key, řezací a pásmové filtry).

Závěrem

Nejdůležitější parametry frekvenčních zesilovačů jsou:

• zesílení;
• poměr zkreslení signálu;
• výstupní výkon.

Basové zesilovače se nejčastěji používají ve zvukovém zařízení. Data zařízení můžete shromažďovat téměř na následujících prvcích:

• na elektrických vakuových lampách;
• na tranzistorech;
• na operačních zesilovačích;
• na hotových čipech.

Vlastnosti nízkofrekvenčních zesilovačů lze zlepšit zavedením odporových, kapacitních nebo indukčních prvků.

Každý z výše uvedených schémat má svůj vlastní výhody a nevýhody: některé zesilovače jsou drahé na sestavení, některé mohou jít do nasycení, pro některé je obtížné sladit použité prvky. Vždy existují rysy, se kterými musí člověk zabývající se konstrukcí zesilovačů počítat.

Se všemi doporučeními uvedenými v tomto článku je možné sestavit vlastní zesilovač pro domácí použití namísto nákupu tohoto zařízení, které může stát spoustu peněz, pokud jde o vysoce kvalitní spotřebiče.