Nizkofrekvenčni ojačevalnik (v nadaljevanju ULF) je elektronska naprava, zasnovana za ojačenje nizkofrekvenčnih nihanj na tisto, ki jo potrošnik potrebuje. Izvajajo se lahko na različnih elektronskih elementih, kot so različni tipi tranzistorjev, elektronke ali operacijski ojačevalniki. Vsi ULF imajo številne parametre, ki označujejo učinkovitost njihovega dela.
Ta članek bo govoril o uporabi takšne naprave, njenih parametrih, načinih gradnje z uporabo različnih elektronskih komponent. Upoštevano bo tudi vezje nizkofrekvenčnih ojačevalnikov.
ULF aplikacija
ULF se najpogosteje uporablja v opremi za reprodukcijo zvoka, saj je na tem področju tehnologije pogosto potrebno povečati frekvenco signala na tisto, ki jo človeško telo lahko zazna (od 20 Hz do 20 kHz).
Druge aplikacije ULF:
- merilna tehnologija;
- defektoskopija;
- analogno računalništvo.
Na splošno so bas ojačevalniki sestavni deli različnih elektronskih vezij, kot so radijski sprejemniki, akustične naprave, televizije ali radijski oddajniki.
Parametri
Najpomembnejši parameter za ojačevalnik je ojačenje. Izračuna se kot razmerje med izhodom in vhodom. Glede na obravnavano vrednost razlikujejo:
- tokovni dobiček=izhodni tok / vhodni tok;
- napetostni dobiček=izhodna napetost / vhodna napetost;
- dobitek moči=izhodna moč/vhodna moč.
Za nekatere naprave, kot so operacijski ojačevalci, je vrednost tega koeficienta zelo velika, vendar je pri izračunih neprijetno delati s prevelikimi (pa tudi premajhnimi) številkami, zato so dobički pogosto izraženi v logaritem enote. Za to veljajo naslednje formule:
- dobiček moči v logaritemskih enotah=10logaritem želenega povečanja moči;
- trenutni dobiček v logaritemskih enotah=20decimalni logaritem želenega tokovnega dobička;
- napetostni dobiček v logaritemskih enotah=20logaritem želene napetosti.
Tako izračunani koeficienti se merijo v decibelih. Skrajšano ime - dB.
Naslednji pomemben parameterojačevalnik - koeficient popačenja signala. Pomembno je razumeti, da se ojačanje signala pojavi kot posledica njegovih transformacij in sprememb. Ni dejstvo, da se bodo te preobrazbe vedno zgodile pravilno. Zaradi tega se lahko izhodni signal razlikuje od vhodnega, na primer po obliki.
Idealni ojačevalniki ne obstajajo, zato je popačenje vedno prisotno. Res je, v nekaterih primerih ne presegajo dovoljenih meja, v drugih pa. Če harmonike signalov na izhodu ojačevalnika sovpadajo s harmonikami vhodnih signalov, je popačenje linearno in se zmanjša le na spremembo amplitude in faze. Če se na izhodu pojavijo nove harmonike, potem je popačenje nelinearno, ker vodi do spremembe oblike signala.
Z drugimi besedami, če je popačenje linearno in je bil na vhodu ojačevalnika signal "a", bo izhod signal "A", in če je nelinearen, potem izhod bo signal "B".
Zadnji pomemben parameter, ki označuje delovanje ojačevalnika, je izhodna moč. Različice moči:
- ocenjeno.
- hrup potnega lista.
- Maksimalno kratkoročno.
- Največja dolgoročna.
Vse štiri vrste so standardizirane z različnimi GOST-ji in standardi.
Vamplifiers
V preteklosti so bili prvi ojačevalniki ustvarjeni na vakuumskih ceveh, ki spadajo v razred vakuumskih naprav.
Odvisno od elektrod, ki se nahajajo v hermetični bučki, se svetilke razlikujejo:
- diode;
- triode;
- tetrodes;
- pentode.
največštevilo elektrod je osem. Obstajajo tudi takšne elektrovakuumske naprave, kot so klystroni.
triodni ojačevalnik
Najprej je vredno razumeti shemo preklopa. Spodaj je podan opis nizkofrekvenčnega triodnega ojačevalnika.
Nika, ki segreva katodo, je pod napetostjo. Napetost se nanaša tudi na anodo. Pod vplivom temperature se iz katode izločijo elektroni, ki hitijo na anodo, na katero se nanese pozitiven potencial (elektroni imajo negativni potencial).
Del elektronov prestreže tretja elektroda - mreža, na katero se pritegne tudi napetost, le izmenično. S pomočjo mreže se regulira anodni tok (tok v vezju kot celoti). Če se na mrežo nanese velik negativni potencial, se bodo vsi elektroni s katode naselili na njej in skozi žarnico ne bo tekel tok, ker je tok usmerjeno gibanje elektronov, mreža pa to gibanje blokira.
Ojačanje žarnice prilagodi upor, ki je povezan med napajanjem in anodo. Nastavi želeni položaj delovne točke na tokovno-napetostni karakteristiki, od katere so odvisni parametri ojačenja.
Zakaj je položaj delovne točke tako pomemben? Ker je odvisno od tega, koliko toka in napetosti (in s tem moči) bosta ojačana v nizkofrekvenčnem ojačevalnem vezju.
Izhodni signal na triodnem ojačevalniku je vzet iz območja med anodo in uporom, priključenim pred njo.
Ojačevalnik vklopljenklystron
Načelo delovanja nizkofrekvenčnega klistronskega ojačevalnika temelji na modulaciji signala najprej po hitrosti in nato po gostoti.
Klistron je razporejen na naslednji način: bučka ima katodo, ki jo ogreva filament, in kolektor (analogen anodi). Med njimi sta vhodni in izhodni resonatorji. Elektroni, ki se oddajajo iz katode, se pospešijo z napetostjo, ki se nanese na katodo, in hitijo do kolektorja.
Nekateri elektroni se bodo premikali hitreje, drugi počasneje - tako je videti modulacija hitrosti. Zaradi razlike v hitrosti gibanja so elektroni združeni v žarke – tako se kaže modulacija gostote. Signal z modulacijo gostote vstopi v izhodni resonator, kjer ustvari signal enake frekvence, vendar večje moči kot vhodni resonator.
Izkazalo se je, da se kinetična energija elektronov pretvori v energijo mikrovalovnih nihanj elektromagnetnega polja izhodnega resonatorja. Tako se signal ojača v klystronu.
Lastnosti elektrovakuumskih ojačevalnikov
Če primerjamo kakovost istega signala, ojačanega s cevno napravo, in ULF na tranzistorjih, bo razlika vidna s prostim očesom in ne v prid slednjem.
Vsak profesionalni glasbenik vam bo povedal, da so cevni ojačevalci veliko boljši od svojih naprednih.
Elektrovakumske naprave so že zdavnaj izginile iz množične porabe, zamenjali so jih tranzistorji in mikrovezja, a to je za področje reprodukcije zvoka nepomembno. Zaradi temperaturne stabilnosti in vakuuma v notranjosti sijalke bolje ojačajo signal.
Edina pomanjkljivost cevi ULF je visoka cena, kar je logično: drago je izdelati elemente, ki niso v množičnem povpraševanju.
Bipolarni tranzistorski ojačevalnik
Pogosto ojačevalne stopnje sestavljajo s pomočjo tranzistorjev. Preprost nizkofrekvenčni ojačevalnik je mogoče sestaviti iz samo treh osnovnih elementov: kondenzatorja, upora in n-p-n tranzistorja.
Za sestavljanje takšnega ojačevalnika boste morali ozemljiti emiter tranzistorja, serijsko priključiti kondenzator na njegovo bazo in upor vzporedno. Tovor je treba postaviti pred kolektor. Priporočljivo je, da na kolektor v tem vezju priključite omejevalni upor.
Dovoljena napajalna napetost takšnega nizkofrekvenčnega ojačevalnika se giblje od 3 do 12 voltov. Vrednost upora je treba izbrati eksperimentalno, ob upoštevanju dejstva, da mora biti njegova vrednost vsaj 100-krat večja od upora obremenitve. Vrednost kondenzatorja se lahko razlikuje od 1 do 100 mikrofarad. Njegova kapacitivnost vpliva na količino frekvence, pri kateri lahko ojačevalnik deluje. Večja kot je kapacitivnost, nižja je frekvenčna ocena, ki jo lahko tranzistor ojača.
Vhodni signal nizkofrekvenčnega bipolarnega tranzistorskega ojačevalnika se nanaša na kondenzator. Pozitivni napajalni pol mora biti priključen na priključno točko bremena in upor povezan vzporedno z bazo in kondenzatorjem.
Za izboljšanje kakovosti takega signala lahko na oddajnik priključite vzporedno povezan kondenzator in upor, ki imata vlogo negativne povratne informacije.
Ojačevalnik z dvema bipolarnima tranzistorjema
Za povečanje dobička lahko povežete dva posamezna ULF tranzistorja v enega. Potem se lahko dobički teh naprav pomnožijo.
Če boste še naprej povečevali število ojačevalnih stopenj, se bo možnost samovzbujanja ojačevalnikov povečala.
Tranzistorski ojačevalnik s poljskim učinkom
Nizkofrekvenčni ojačevalniki so sestavljeni tudi na tranzistorjih z učinkom polja (v nadaljevanju PT). Vezja takšnih naprav se ne razlikujejo veliko od tistih, ki so sestavljena na bipolarnih tranzistorjih.
N-kanalni izolirani FET ojačevalnik (tip ITF) bo obravnavan kot primer.
Kondenzator je zaporedno priključen na substrat tega tranzistorja, napetostni delilnik pa je povezan vzporedno. Na vir FET je priključen upor (lahko uporabite tudi vzporedno povezavo kondenzatorja in upora, kot je opisano zgoraj). Omejevalni upor in napajanje sta priključena na odtok, med uporom in odtokom pa se ustvari obremenilni terminal.
Vhodni signal za nizkofrekvenčne poljske tranzistorske ojačevalnike se nanaša na vrata. To se naredi tudi preko kondenzatorja.
Kot lahko vidite iz razlage, se najpreprostejše ojačevalno vezje tranzistorskega tranzistorja z učinkom polja ne razlikuje od nizkofrekvenčnega bipolarnega tranzistorskega ojačevalnika.
Vendar pa je treba pri delu s PT upoštevati naslednje značilnosti teh elementov:
- FET high Rinput=I / Ugate-source. Tranzistorje z učinkom polja nadzira električno polje,ki nastane zaradi stresa. Zato FET nadzoruje napetost, ne tok.
- FET-ji skoraj ne porabijo toka, kar povzroči rahlo popačenje izvirnega signala.
- V tranzistorjih z učinkom polja ni vbrizgavanja naboja, zato je raven hrupa teh elementov zelo nizka.
- Odporni so na temperaturo.
Glavna pomanjkljivost FET-jev je njihova visoka občutljivost na statično elektriko.
Mnogi poznajo situacijo, ko človeka šokirajo navidezno neprevodne stvari. To je manifestacija statične elektrike. Če se tak impulz uporabi na enem od kontaktov tranzistorja na polju, se element lahko onemogoči.
Tako je pri delu s PT bolje, da kontaktov ne jemljete z rokami, da ne bi po nesreči poškodovali elementa.
OpAmp naprava
Operacijski ojačevalnik (v nadaljevanju op-amp) je naprava z diferenciranimi vhodi, ki ima zelo visoko ojačenje.
Ojačenje signala ni edina funkcija tega elementa. Deluje lahko tudi kot generator signala. Kljub temu so njegove ojačevalne lastnosti tiste, ki so zanimive za delo z nizkimi frekvencami.
Če želite narediti ojačevalnik signala iz operacijskega ojačevalnika, morate nanj pravilno povezati povratno vezje, ki je navaden upor. Kako razumeti, kje povezati to vezje? Če želite to narediti, se morate obrniti na prenosno karakteristiko op-amp. Ima dva vodoravna in en linearni odsek. Če je delovna točkanaprava se nahaja na enem od vodoravnih odsekov, potem op-amp deluje v generatorskem načinu (impulzni način), če se nahaja na linearnem delu, potem op-amp ojača signal.
Za prenos operacijskega ojačevalnika v linearni način morate povratni upor z enim kontaktom povezati na izhod naprave, drugi pa na invertni vhod. Ta vključitev se imenuje negativna povratna informacija (NFB).
Če je potrebno, da se nizkofrekvenčni signal ojača in se ne spreminja v fazi, je treba invertni vhod z OOS ozemljiti, ojačan signal pa uporabiti na neinvertirajočem vhodu. Če je potrebno ojačati signal in spremeniti njegovo fazo za 180 stopinj, je treba neinvertirni vhod ozemljiti, vhodni signal pa povezati z invertirajočim.
V tem primeru ne smemo pozabiti, da mora biti operacijski ojačevalnik napajan z močjo nasprotnih polarnosti. Za to ima posebne kontakte.
Pomembno je omeniti, da je pri delu s takšnimi napravami včasih težko izbrati elemente za nizkofrekvenčno ojačevalno vezje. Njihovo skrbno usklajevanje je potrebno ne le v smislu nazivnih vrednosti, temveč tudi glede materialov, iz katerih so izdelani, da bi dosegli želene parametre ojačenja.
ojačevalnik na čipu
ULF je mogoče sestaviti na elektrovakuumskih elementih, na tranzistorjih in na operacijskih ojačevalnikih, le vakuumske cevi so zadnje stoletje, preostala vezja pa niso brez napak, katerih popravek neizogibno pomeni zapletenost zasnove ojačevalnika. To je neprijetno.
Inženirji so že dolgo našli bolj priročno možnost za ustvarjanje ULF: industrija proizvaja že pripravljena mikrovezja, ki delujejo kot ojačevalniki.
Vsako od teh vezij je niz operacijskih ojačevalcev, tranzistorjev in drugih elementov, povezanih na določen način.
Primeri nekaterih serij ULF v obliki integriranih vezij:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Vse zgornje serije se uporabljajo v avdio opremi. Vsak model ima različne značilnosti: napajalna napetost, izhodna moč, dobiček.
Izdelane so v obliki majhnih elementov s številnimi zatiči, ki jih je priročno namestiti na desko in pritrditi.
Za delo z nizkofrekvenčnim ojačevalnikom na mikrovezju je koristno poznati osnove logične algebre, pa tudi načela delovanja logičnih elementov IN-NE, ALI-NE.
Na logičnih elementih je mogoče sestaviti skoraj vsako elektronsko napravo, vendar se v tem primeru številna vezja izkažejo za obsežna in neprijetna za namestitev.
Zato se zdi uporaba že pripravljenih integriranih vezij, ki izvajajo funkcijo ULF, najbolj priročna praktična možnost.
Izboljšanje sheme
Zgoraj je bil primer, kako lahko izboljšate ojačan signal pri delu z bipolarnimi tranzistorji in tranzistorji na polju (z vzporedno povezavo kondenzatorja in upora).
Takšne strukturne nadgradnje je mogoče izvesti s skoraj vsako shemo. Seveda se uvajanje novih elementov povečujepadec napetosti (izgube), vendar se zaradi tega lahko izboljšajo lastnosti različnih vezij. Na primer, kondenzatorji so odlični frekvenčni filtri.
Na uporovnih, kapacitivnih ali induktivnih elementih je priporočljivo zbrati najpreprostejše filtre, ki filtrirajo frekvence, ki ne bi smele pasti v vezje. S kombinacijo uporovnih in kapacitivnih elementov z operacijskimi ojačevalniki je mogoče sestaviti učinkovitejše filtre (integratorje, diferenciatorje Sallen-Key, zarezne in pasovne filtre).
Za zaključek
Najpomembnejši parametri frekvenčnih ojačevalcev so:
- dobiček;
- faktor popačenja signala;
- izhodna moč.
Nizkofrekvenčni ojačevalniki se najpogosteje uporabljajo v avdio opremi. Podatke o napravi lahko zbirate praktično na naslednjih elementih:
- na vakuumskih ceveh;
- na tranzistorjih;
- na operacijskih ojačevalnikih;
- na gotovih žetonih.
Lastnosti nizkofrekvenčnih ojačevalnikov je mogoče izboljšati z uvedbo uporovnih, kapacitivnih ali induktivnih elementov.
Vsaka od zgornjih shem ima svoje prednosti in slabosti: nekateri ojačevalniki so dragi za sestavljanje, nekateri lahko preidejo v nasičenost, pri nekaterih je težko uskladiti uporabljene elemente. Vedno obstajajo funkcije, s katerimi se mora oblikovalec ojačevalnika ukvarjati.
Z uporabo vseh priporočil v tem članku lahko sestavite svoj ojačevalnik za domačo uporabonamesto nakupa te naprave, ki lahko stane veliko denarja, ko gre za visokokakovostne naprave.
