Схема на нискочестотен усилвател. Класификация и действие на vfd

Нискочестотният усилвател (наричан по-нататък "НЧУ") е електронно устройство, предназначено да усилва нискочестотните трептения до нивото, изисквано от потребителя. Те могат да бъдат изградени от различни електронни елементи, като например различни видове транзистори, лампи или операционни усилватели. Всички LFB имат редица параметри, които характеризират тяхната работа.

В тази статия ще опишем приложението на такова устройство, неговите параметри, методите за конструиране с помощта на различни електронни компоненти. Ще бъдат разгледани и схемите на нискочестотните усилватели.

Използване на VLF

LFB се използват най-често в оборудването за възпроизвеждане на звук, тъй като в тази област на техниката често се налага да се усилва честотата на сигнала до ниво, което може да се понесе от човешкото тяло (20 Hz до 20 kHz).

Други приложения за усилватели на мощност

• измервателни инструменти;
• откриване на дефекти;
• Аналогова компютърна технология.

Най-общо казано, нискочестотните усилватели се използват като компоненти на различни електронни схеми, като радиоприемници, високоговорители, телевизори или радиопредаватели.

Параметри

Най-важният параметър за един усилвател е неговото усилване. Това се изчислява като съотношение на изходния сигнал към входния сигнал. В зависимост от въпросната стойност се прави разграничение:

• Коефициент на усилване на тока = изходен ток/входен ток;
• усилване на напрежението = изходно напрежение / входно напрежение;
• Усилване на мощността = изходна мощност / входна мощност.

За някои устройства, като операционните усилватели, този коефициент е много голям, но е неудобно да се работи с твърде големи или твърде малки числа и затова усилването често се изразява в логаритмични единици. Прилагат се следните формули:

• Увеличение на мощността в логаритмични единици = 10 * десетичния логаритъм на търсеното увеличение на мощността;
• Коефициент на усилване на тока в логаритмични единици = 20 * десетичния логаритъм на желания коефициент на усилване на тока;
• Коефициент на усилване на напрежението в логаритмични единици = 20 * десетичен логаритъм на търсения коефициент на усилване на напрежението.

Изчислените по този начин коефициенти се измерват в децибели. Съкратено dB.

Следващият важен параметър на един усилвател е коефициентът на изкривяване на сигнала. Важно е да се разбере, че усилването на сигнала се случва в резултат на трансформации и промени в сигнала. Не е сигурно, че тези трансформации винаги ще протичат правилно. По този начин предизвиква изхода сигналът може да се различава от входния сигнал, напр. по форма.

Никой усилвател не е съвършен, така че изкривявания винаги има. Вярно е, че в някои случаи те са в допустимите граници, а в други - извън тях. Ако изходните хармоници на усилвателя са същите като входните хармоници, изкривяването е линейно и може да се ограничи до промени в амплитудата и фазата. От друга страна, ако на изхода се появят нови хармоници, изкривяването е нелинейно, тъй като променя формата на сигнала.

Казано по-просто, ако изкривяването е линейно и на входа на усилвателя има сигнал "а", на изхода ще има сигнал "А", а ако е нелинейно, на изхода ще има сигнал "В".

Последният важен параметър, който характеризира работата на усилвателя, е изходната мощност. Разновидности на захранването:

1. Номинална стойност.
2. Шум в паспорта.
3. Максималният краткосрочен.
4. Максималният дългосрочен.

И четирите вида се регулират от различни ГОСТ и стандарти.

Лампови усилватели

В исторически план първите усилватели са изградени на базата на електронни лампи, които принадлежат към класа на електровакуумните устройства.

В зависимост от електродите в запечатаната крушка на лампата се прави разграничение:

• диоди;
• Триоди;
• тетроди;
• pentodes.

Максимален брой електроди - осем. Съществуват и електровакуумни устройства, като например клистрони.

Триоден усилвател

За начало е добре да се запознаете с електрическата схема на. По-долу е представено описание на схемата на нискочестотния триоден усилвател.

Към нажежаемата жичка се подава напрежение, което нагрява катода. Напрежение се подава и към анода. Електроните се изтласкват от катода под въздействието на температурата и се устремяват към анода, към който е приложен положителен потенциал (електроните имат отрицателен потенциал).

Част от електроните се прихващат от трети електрод - решетката, която също се захранва с променлив ток. Той регулира анодния ток (тока във веригата като цяло). Ако към решетката се приложи голям отрицателен потенциал, всички електрони от катода ще се утаят върху решетката и през тръбата няма да протече ток, тъй като токът е насочен поток от електрони, а решетката блокира този поток.

Коефициентът на усилване на тръбата се регулира от резистора между захранването и анода. Той задава желаната позиция на работната точка в кривата волт-ампер, която след това определя усилването.

Защо позицията на работната точка е толкова важна? Това е така, защото тя определя колко ток и напрежение (и следователно мощност) се усилват във веригата на нискочестотния усилвател.

Изходният сигнал на триоден усилвател се взема от участъка между анода и резистора пред него.

Клистронов усилвател

Принципът на работа на нискочестотния усилвател "Клистрон" се основава на модулиране на сигнала първо по скорост, а след това по плътност.

Клистроновата крушка има катод, който се нагрява от нажежаема жичка, и колектор (аналогичен на анода). Между тях се намират входният и изходният резонатор. Електроните, излъчени от катода, се ускоряват от напрежението, приложено към него, и се устремяват към колектора.

Някои електрони ще се движат по-бързо, а други по-бавно - така изглежда модулацията на скоростта. Поради разликата в скоростта електроните се събират в група и създават модулация на плътността. Модулираният по плътност сигнал се придвижва към изходния резонатор, където създава сигнал със същата честота, но с по-висока мощност от тази на входния резонатор.

Оказва се, че кинетичната енергия на електроните се превръща в енергия на микровълновите трептения на електромагнитното поле на изходния резонатор. Това е усилването на сигнала в клистрона.

Характеристики на електро-вакуумните усилватели

Ако сравните качеството на един и същ сигнал, усилен от лампов усилвател и транзисторен усилвател, разликата е видима с невъоръжено око не в полза на последния.

Всеки професионален музикант ще ви каже, че ламповите усилватели много по-добре техните напреднали колеги.

Вакуумните лампови усилватели отдавна са излезли от мода, заменени от транзистори и чипове, но това е без значение в областта на аудиовъзпроизвеждането. Благодарение на температурната стабилност и вакуума вътре, ламповите усилватели усилват сигнала по-добре.

Единственият недостатък на тръбните LFP е високата цена, което е логично: скъпо е да се произвеждат продукти, които не са масово търсени.

Биполярни транзисторни усилватели

Усилвателните стъпала често се сглобяват с помощта на транзистори. Един прост нискочестотен усилвател може да се сглоби само с три основни елемента: кондензатор, резистор и n-p-n транзистор.

За да сглобите такъв усилвател, заземете емитера на транзистора, свържете последователно кондензатора към базата му и свържете паралелно резистора. Товарът трябва да се постави пред колектора. Към колектора в тази схема е разумно да се свърже ограничителен резистор.

Допустимото захранващо напрежение за такава усилвателна верига варира от 3 до 12 волта. Резисторът трябва да се оразмери експериментално, като се уверите, че е поне 100 пъти по-голям от съпротивлението на товара. Номиналната стойност на кондензатора може да варира от 1 до 100 μF. Капацитетът му влияе върху честотата, при която може да работи усилвателят. Колкото по-голям е капацитетът, толкова по-ниска е номиналната честота, която транзисторът може да усилва.

Входният сигнал на нискочестотния усилвател с биполярен транзистор се подава към кондензатора. Свържете положителния полюс на захранването към точката на свързване на товара и резистора, свързан паралелно с базата и кондензатора.

За да се подобри качеството на сигнала, към емитера могат да се свържат паралелен кондензатор и резистор, които да действат като отрицателна обратна връзка.

Усилвател с два биполярни транзистора

За да увеличите коефициента на усилване, можете да комбинирате два еднотранзисторни VFD в един. След това коефициентът на усилване на тези устройства може да се умножи по.

Въпреки че ако продължите да увеличавате броя на усилвателните стъпала, вероятността от самовъзбуждане на усилвателите ще се увеличи.

Усилвателният блок FET

Нискочестотните усилватели могат да бъдат изградени и с полеви транзистори (FET). Основната схема не се различава много от тази, сглобена с биполярни транзистори.

Като пример ще разгледаме усилвател с n-канален изолиран гейт FET (тип TIR).

Кондензатор е свързан последователно към субстрата на този транзистор, а паралелно е свързан делител на напрежение. Към източника на PT се свързва резистор (или кондензатор и резистор могат да се свържат паралелно, както е описано по-горе). Към дрейна се свързва терминиращ резистор и захранване, а между резистора и дрейна се създава извод към товара.

Входният сигнал към нискочестотните транзистори с FET се подава на портата. Това се прави и чрез кондензатор.

Както може да се види от обяснението, схемата на най-простия усилвател с полеви транзистор не се различава от тази на нискочестотен усилвател с биполярни транзистори.

При работа с ПТ обаче трябва да се вземат предвид следните характеристики

1. ПТ имат високо R_вход = I / U_{напрежение гейт-сорс}. Полевите транзистори се задвижват от електрическото поле, генерирано от. Следователно ТТ се контролират по напрежение, а не по ток.
2. Токоизправителите не консумират почти никакъв ток, което води до слабо изкривяване на оригиналния сигнал.
3. В полевите транзистори няма инжектиране на заряд, така че нивото на шума на тези елементи е много ниско.
4. Те са устойчиви на температурни промени.

Основният недостатък на полевите транзистори е високата им чувствителност към статично електричество.

Много хора са запознати със ситуацията, когато на пръв поглед непроводими неща предизвикват шок. Това е проява на статично електричество. Ако такъв импулс се подаде към един от изводите на полеви транзистор, той ще разруши елемента.

Затова е по-добре да не докосвате щифтовете с ръце, когато работите с PT, за да не повредите случайно елемента.

Устройство, базирано на операционен усилвател

Операционният усилвател (Op-Amp) е устройство с диференцирани входове и има много висок коефициент на усилване.

Усилването на сигнала не е единствената функция на този елемент. Той може да работи и като генератор на сигнали. Въпреки това да работи Именно неговите усилващи свойства представляват интерес при ниските честоти.

За да превърнете DT в усилвател на сигнала, трябва да свържете правилно веригата за обратна връзка, която е просто резистор. Как да разберем, Къде да свържете тази верига? За целта трябва да се обърнете към предавателната характеристика на операционния усилвател. Той има две хоризонтални и една линейна секция. Ако работната точка на устройството се намира в една от хоризонталните секции, тогава DT работи в режим на генератор (импулсен режим), ако е в линейната секция, тогава DT усилва сигнала.

За да превключите DT в линеен режим, трябва да свържете резистор за обратна връзка с един от изводите му към изхода на устройството, а с другия - към инвертиращия вход. Тази връзка се нарича отрицателна обратна връзка.

Ако искате да усилите нискочестотен сигнал, без да променяте фазата му, заземете инвертиращия вход с RMS и свържете усиления сигнал към неинвертиращия вход с. Ако е необходимо да се усили сигналът и да се промени фазата му на 180 градуса, тогава неинвертиращият вход трябва да се заземи, а входният сигнал да се свърже към инвертиращия вход.

Не забравяйте обаче, че операционният усилвател трябва да се захранва с противоположни полярности. За тази цел той има специални щифтове за свързване.

Важно е да се отбележи, че когато се работи с такива устройства, понякога е трудно да се изберат елементи за веригата на нискочестотния усилвател. За постигане на подходящи параметри на усилване е необходимо внимателно съгласуване не само на техните показатели, но и на материалите, от които са изработени.

Усилвател в чипа

VLF може да бъде изграден на базата на електро-вакуумни или транзисторни елементи, или на операционни усилватели, но електронните лампи са минало, а другите схеми имат някои недостатъци, които, ако бъдат отстранени, неизбежно водят до увеличаване на сложността на конструкцията на усилвателя. Не е удобно.

Инженерите отдавна са открили по-удобен начин за създаване на ВЛЧ: промишлено достъпни готови чипове, които действат като усилватели.

Всяка от тези вериги представлява набор от ОК, транзистори и други елементи, свързани по определен начин.

Примери за някои серии LNA под формата на интегрални схеми:

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

Всички горепосочени серии се използват в аудиооборудването. Всеки от моделите има различни характеристики: захранващо напрежение, изходна мощност, усилване.

Те са изработени като малки елементи с много изводи, които лесно се поставят върху платката и се монтират.

Полезно е да знаете основите на логическата алгебра, за да работите с нискочестотен усилвател, базиран на микросхема, както и да принципи на работа I-NE, OR-NE.

Почти всяко електронно устройство може да бъде сглобено от логически елементи, но в този случай много от схемите ще бъдат обемисти и трудни за монтиране.

Ето защо използването на готови интегрални схеми за функцията LFO изглежда най-удобната практическа възможност.

Подобряване на веригата

По-горе беше даден пример за подобряване на усиления сигнал с биполярни транзистори и транзистори с полеви ефект (чрез паралелно свързване на кондензатор и резистор).

Подобни подобрения на дизайна могат да се направят с почти всяка схема. Разбира се, въвеждането на нови елементи увеличава падането на напрежението (загубите), но благодарение на това можете да подобрите свойствата на различни вериги. Кондензаторите, например, са отлични честотни филтри.

Препоръчваме изграждането на прости филтри от резистивни, капацитивни или индуктивни елементи, които филтрират честотите, които не трябва да се подават във веригата. Комбинирането на съпротивителни и капацитивни елементи с операционни усилватели ви позволява да изграждате по-ефективни филтри (интегратори, диференциатори на Салън-Кий, филтри с нарязване и лентови филтри).

В обобщение

Най-важните параметри на честотните усилватели са:

• Коефициент на усилване;
• коефициент на изкривяване на сигнала;
• изходна мощност.

Усилвателите за бас се използват най-често в звуковото оборудване. Можете да създадете данни за устройството си от почти всеки от следните елементи:

• върху електровакуумни тръби;
• на транзисторите;
• за операционните усилватели;
• на готови вериги.

Работата на нискочестотните усилватели може да се подобри чрез включване на резистивни, капацитивни или индуктивни елементи.

Всяка от горепосочените вериги има свой собствен предимства и недостатъци: конструирането на някои усилватели е скъпо, някои от тях могат да се наситят, а за някои е трудно да се съчетаят използваните елементи. Винаги има особености, с които човек, занимаващ се с проектиране на усилватели, трябва да се съобразява.

С помощта на всички съвети, дадени в тази статия, е възможно да изградите свой собствен усилвател за домашна употреба, вместо да купувате такова устройство, което може да струва много пари, когато става въпрос за високо качество.