Matalataajuinen vahvistin (jäljempänä ULF) on elektroninen laite, joka on suunniteltu vahvistamaan matalataajuiset värähtelyt kuluttajan tarpeisiin. Ne voidaan suorittaa erilaisilla elektronisilla elementeillä, kuten erityyppisillä transistoreilla, putkilla tai operaatiovahvistimilla. Kaikilla ULF:illä on useita parametreja, jotka kuvaavat niiden työn tehokkuutta.
Tässä artikkelissa puhutaan tällaisen laitteen käytöstä, sen parametreista, rakennusmenetelmistä käyttämällä erilaisia elektronisia komponentteja. Myös matalataajuisten vahvistimien piirit otetaan huomioon.
ULF-hakemus
ULF:ää käytetään useimmiten äänentoistolaitteissa, koska tällä tekniikan alalla on usein tarpeen vahvistaa signaalitaajuutta ihmiskehon havaitsemalle tasolle (20 Hz:stä 20 kHz:iin).
Muut ULF-sovellukset:
- mittaustekniikka;
- defektoskopia;
- analoginen laskenta.
Yleensä bassovahvistimet ovat useiden elektronisten piirien, kuten radioiden, akustisten laitteiden, televisioiden tai radiolähettimien, komponentteja.
Parametrit
Vahvistimen tärkein parametri on vahvistus. Se lasketaan lähdön ja tulon suhteena. Harkittavan arvon mukaan ne erottavat:
- virtavahvistus=lähtövirta / tulovirta;
- jännitevahvistus=lähtöjännite / tulojännite;
- tehonvahvistus=lähtöteho / syöttöteho.
Joissakin laitteissa, kuten operaatiovahvistimissa, tämän kertoimen arvo on erittäin suuri, mutta on hankalaa työskennellä liian suurilla (sekä liian pienillä) luvuilla laskelmissa, joten vahvistukset ilmaistaan usein logaritmisina yksiköitä. Seuraavat kaavat pätevät tähän:
- tehonvahvistus logaritmisina yksiköinä=10logaritmi halutusta tehovahvistuksesta;
- virtavahvistus logaritmisina yksiköinä=20halutun virranvahvistuksen desimaalilogaritmi;
- jännitevahvistus logaritmisina yksiköinä=20halutun jännitevahvistuksen logaritmi.
Tällä tavalla lasketut kertoimet mitataan desibeleinä. Lyhennetty nimi - dB.
Seuraava tärkeä parametrivahvistin - signaalin vääristymäkerroin. On tärkeää ymmärtää, että signaalin vahvistuminen tapahtuu sen muunnosten ja muutosten seurauksena. Ei se tosiasia, että nämä muutokset tapahtuvat aina oikein. Tästä syystä lähtösignaali voi poiketa tulosignaalista esimerkiksi muodoltaan.
Ihanteellisia vahvistimia ei ole olemassa, joten säröä on aina läsnä. Totta, joissain tapauksissa ne eivät ylitä sallittuja rajoja, kun taas toisissa ylittävät. Jos signaalien harmoniset vahvistimen lähdössä ovat yhtenevät tulosignaalien harmonisten kanssa, särö on lineaarinen ja pelkistyy vain amplitudin ja vaiheen muutokseen. Jos lähdössä ilmaantuu uusia ylia altoja, niin särö on epälineaarinen, koska se johtaa signaalin muodon muutokseen.
Toisin sanoen, jos särö on lineaarinen ja vahvistimen sisääntulossa oli "a"-signaali, ulostulo on "A"-signaali, ja jos se on epälineaarinen, lähtö on "B"-signaali.
Viimeinen tärkeä vahvistimen toimintaa kuvaava parametri on lähtöteho. Teholajikkeet:
- Arvioitu.
- Passin ääni.
- Enimmäislyhytaikainen.
- Maksimipitkän aikavälin.
Kaikki neljä tyyppiä ovat eri GOST-standardien ja standardien mukaisia.
Vahvistimet
Historiallisesti ensimmäiset vahvistimet luotiin tyhjiöputkille, jotka kuuluvat tyhjiölaitteiden luokkaan.
Riippuen hermeettisen pullon sisällä olevista elektrodeista, lamput erotetaan toisistaan:
- diodit;
- triodit;
- tetrodes;
- pentodes.
Maksimielektrodien lukumäärä on kahdeksan. On myös sellaisia sähkötyhjiölaitteita kuten klystrons.
Triodivahvistin
Ensinnäkin on syytä ymmärtää kytkentäkaavio. Matalataajuisen triodivahvistinpiirin kuvaus on annettu alla.
Katodia lämmittävä filamentti saa virtaa. Jännite syötetään myös anodille. Lämpötilan vaikutuksesta katodista irtoaa elektroneja, jotka ryntäävät anodille, johon kohdistetaan positiivinen potentiaali (elektroneilla on negatiivinen potentiaali).
Osan elektroneista sieppaa kolmas elektrodi - verkko, johon myös syötetään jännite, vain vuorotellen. Hilan avulla säädellään anodivirtaa (virtaa koko piirissä). Jos verkkoon kohdistetaan suuri negatiivinen potentiaali, kaikki katodista tulevat elektronit asettuvat siihen, eikä lampun läpi kulje virtaa, koska virta on elektronien suunnattua liikettä ja verkko estää tämän liikkeen.
Lampun vahvistus säätää vastusta, joka on kytketty virtalähteen ja anodin väliin. Se asettaa toimintapisteen halutun paikan virta-jännite-ominaiskäyrälle, josta vahvistusparametrit riippuvat.
Miksi toimintapisteen sijainti on niin tärkeä? Koska se riippuu siitä, kuinka paljon virtaa ja jännitettä (ja siten tehoa) vahvistetaan matalataajuisessa vahvistinpiirissä.
Triodivahvistimen lähtösignaali otetaan anodin ja sen eteen kytketyn vastuksen väliseltä alueelta.
Vahvistin päälläklystron
Matalataajuisen klystron-vahvistimen toimintaperiaate perustuu signaalin modulaatioon ensin nopeudessa ja sitten tiheydessä.
Klystron on järjestetty seuraavasti: kolvissa on hehkulangalla lämmitetty katodi ja kollektori (analogisesti anodin kanssa). Niiden välissä ovat tulo- ja lähtöresonaattorit. Katodista lähtevät elektronit kiihtyvät katodille kohdistetun jännitteen vaikutuksesta ja ryntäävät kollektoriin.
Jotkut elektronit liikkuvat nopeammin, toiset hitaammin - tältä nopeusmodulaatio näyttää. Liikenopeuden eron vuoksi elektronit ryhmitellään säteiksi - näin tiheysmodulaatio ilmenee. Tiheysmoduloitu signaali tulee lähtöresonaattoriin, jossa se luo signaalin, jolla on sama taajuus, mutta suurempi teho kuin tuloresonaattori.
On käynyt ilmi, että elektronien kineettinen energia muuttuu lähtöresonaattorin sähkömagneettisen kentän mikroa altovärähtelyjen energiaksi. Näin signaali vahvistetaan klystronissa.
Sähkövakuumivahvistimien ominaisuudet
Jos vertaamme saman putkilaitteen ja transistoreiden ULF-vahvistetun signaalin laatua, ero näkyy paljaalla silmällä, ei jälkimmäisen hyväksi.
Jokainen ammattimuusikko kertoo, että putkivahvistimet ovat paljon parempia kuin edistyneet vastineensa.
Sähkövakuumilaitteet ovat jo pitkään poistuneet massakulutuksesta, ne korvattiin transistoreilla ja mikropiireillä, mutta tällä ei ole merkitystä äänentoiston kann alta. Lämpötilan vakauden ja sisällä olevan tyhjiön ansiosta lamppulaitteet vahvistavat signaalia paremmin.
Ainoa ULF-putken haittapuoli on korkea hinta, mikä on loogista: on kallista valmistaa elementtejä, joilla ei ole massakysyntää.
Bipolaarinen transistorivahvistin
Vahvistusasteet kootaan usein käyttämällä transistoreja. Yksinkertainen matalataajuinen vahvistin voidaan koota kolmesta peruselementistä: kondensaattorista, vastuksesta ja n-p-n-transistorista.
Tällaisen vahvistimen kokoamiseksi sinun on maadoitettava transistorin emitteri, kytkettävä sarjaan kondensaattori sen kantaan ja vastus rinnan. Kuorma tulee asettaa keräimen eteen. On suositeltavaa kytkeä rajoitusvastus tämän piirin kollektoriin.
Tällaisen matalataajuisen vahvistinpiirin sallittu syöttöjännite vaihtelee 3–12 voltin välillä. Vastuksen arvo tulee valita kokeellisesti ottaen huomioon, että sen arvon tulee olla vähintään 100 kertaa kuormitusvastus. Kondensaattorin arvo voi vaihdella 1 - 100 mikrofaradia. Sen kapasitanssi vaikuttaa taajuuteen, jolla vahvistin voi toimia. Mitä suurempi kapasitanssi on, sitä pienempi on taajuus, jonka transistori voi vahvistaa.
Matalataajuisen bipolaaritransistorivahvistimen tulosignaali syötetään kondensaattoriin. Positiivinen tehonapa on kytkettävä kuorman ja vastuksen liitäntäpisteeseen rinnan kannan ja kondensaattorin kanssa.
Tällaisen signaalin laadun parantamiseksi voit liittää emitteriin rinnankytketyn kondensaattorin ja vastuksen, jotka toimivat negatiivisena takaisinkytkentänä.
Vahvistin kahdella bipolaarisella transistorilla
Vahvistuksen lisäämiseksi voit liittää kaksi yksittäistä ULF-transistoria yhdeksi. Sitten näiden laitteiden voitot voidaan moninkertaistaa.
Vaikka jos jatkat vahvistusasteiden määrän lisäämistä, vahvistimien itseherätyksen mahdollisuus kasvaa.
Kentätehostetransistorivahvistin
Matalataajuisia vahvistimia kootaan myös kenttätransistoreille (jäljempänä PT). Tällaisten laitteiden piirit eivät juuri eroa niistä, jotka on koottu bipolaarisiin transistoreihin.
N-kanavainen eristetty hila-FET (ITF-tyyppinen) -vahvistin otetaan huomioon esimerkkinä.
Kondensaattori on kytketty sarjaan tämän transistorin substraattiin, ja jännitteenjakaja on kytketty rinnan. FETin lähteeseen on kytketty vastus (voit myös käyttää kondensaattorin ja vastuksen rinnakkaisliitäntää, kuten edellä on kuvattu). Rajoittava vastus ja teho on kytketty nieluun, ja vastuksen ja nielun väliin luodaan kuormitusliitin.
Matalataajuisten kenttätransistorivahvistimien tulosignaali syötetään hilaan. Tämä tehdään myös kondensaattorin kautta.
Kuten selityksestä näkyy, yksinkertaisin kenttätransistorivahvistinpiiri ei eroa matalataajuisesta bipolaarisesta transistorivahvistimesta.
Työskennellessäsi PT:n kanssa tulee kuitenkin ottaa huomioon seuraavat näiden elementtien ominaisuudet:
- FET korkea Rtulo=I / Uporttilähde. Kenttätransistoreja ohjataan sähkökentällä,joka syntyy stressistä. Siksi FETejä ohjataan jännitteellä, ei virralla.
- FETit eivät kuluta juuri lainkaan virtaa, mikä aiheuttaa alkuperäisen signaalin lievän vääristymisen.
- Kenttätransistoreissa ei ole varausinjektiota, joten näiden elementtien melutaso on erittäin alhainen.
- Ne kestävät lämpötilaa.
FET-laitteiden suurin haitta on niiden korkea herkkyys staattiselle sähkölle.
Monet tuntevat tilanteen, kun näennäisesti johtamattomat asiat järkyttävät ihmistä. Tämä on staattisen sähkön ilmentymä. Jos tällainen impulssi kohdistetaan johonkin kenttätransistorin koskettimesta, elementti voidaan kytkeä pois päältä.
Näin ollen, kun työskentelet PT:n kanssa, on parempi olla ottamatta koskettimia käsilläsi, jotta elementti ei vahingossa vaurioidu.
OpAmp-laite
Operaatiovahvistin (jäljempänä operaatiovahvistin) on laite, jossa on eriytetyt tulot ja jolla on erittäin korkea vahvistus.
Signaalin vahvistus ei ole tämän elementin ainoa toiminto. Se voi toimia myös signaaligeneraattorina. Siitä huolimatta sen vahvistavat ominaisuudet kiinnostavat työskennellessäsi matalilla taajuuksilla.
Jotta haluat tehdä signaalivahvistimen operaatiovahvistimesta, sinun on liitettävä siihen oikein takaisinkytkentäpiiri, joka on tavallinen vastus. Kuinka ymmärtää, mihin tämä piiri kytketään? Tätä varten sinun on viitattava operaatiovahvistimen siirtoominaisuuksiin. Siinä on kaksi vaakasuuntaista ja yksi lineaarinen osa. Jos toimintapistelaite sijaitsee yhdellä vaakasuorista osista, silloin operaatiovahvistin toimii generaattoritilassa (pulssitilassa), jos se sijaitsee lineaariosassa, niin operaatiovahvistin vahvistaa signaalia.
Jos haluat siirtää op-vahvistimen lineaariseen tilaan, sinun on kytkettävä takaisinkytkentävastus yhdellä koskettimella laitteen lähtöön ja toisella - invertoivaan tuloon. Tätä sisällyttämistä kutsutaan negatiiviseksi palautteeksi (NFB).
Jos vaaditaan, että matalataajuista signaalia vahvistetaan eikä se muutu vaiheessa, niin invertoiva tulo OOS:lla tulee maadoittaa ja vahvistettu signaali syöttää ei-invertoivaan tuloon. Jos signaalia on tarpeen vahvistaa ja sen vaihetta muuttaa 180 astetta, ei-invertoiva tulo on maadoitettava ja tulosignaali on kytkettävä invertoivaan.
Tässä tapauksessa emme saa unohtaa, että operaatiovahvistimeen on syötettävä vastakkaisten polariteettien teho. Hänellä on tätä varten erityiset yhteystiedot.
On tärkeää huomata, että tällaisten laitteiden kanssa työskentely on joskus vaikeaa valita elementtejä matalataajuiseen vahvistinpiiriin. Niiden huolellista koordinointia ei vaadita vain nimellisarvojen, vaan myös materiaalien, joista ne on valmistettu, suhteen haluttujen vahvistusparametrien saavuttamiseksi.
Vahvistin sirulla
ULF voidaan koota sähkötyhjiöelementteihin ja transistoreihin ja operaatiovahvistimiin, vain tyhjiöputket ovat viime vuosisadalla, ja muut piirit eivät ole vikoja, joiden korjaaminen väistämättä vaikeuttaa suunnittelua vahvistimesta. Tämä on epämukavaa.
Insinöörit ovat jo pitkään löytäneet kätevämmän vaihtoehdon ULF:n luomiseen: teollisuus tuottaa valmiita mikropiirejä, jotka toimivat vahvistimina.
Jokainen näistä piireistä on sarja operaatiovahvistimia, transistoreja ja muita tietyllä tavalla kytkettyjä elementtejä.
Esimerkkejä joistakin ULF-sarjoista integroitujen piirien muodossa:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Kaikki edellä mainitut sarjat ovat käytössä audiolaitteissa. Jokaisella mallilla on erilaiset ominaisuudet: syöttöjännite, lähtöteho, vahvistus.
Ne on tehty pienistä elementeistä, joissa on monia tappeja, jotka on kätevä asettaa taululle ja kiinnittää.
Mikropiirin matalataajuisen vahvistimen kanssa työskentelyssä on hyödyllistä tuntea logiikkaalgebran perusteet sekä loogisten elementtien AND-NOT, OR-NOT toimintaperiaatteet.
Melkein mikä tahansa elektroninen laite voidaan koota loogisten elementtien päälle, mutta tässä tapauksessa monet piirit osoittautuvat tilaa vieviksi ja hankalaksi asentaa.
Siksi ULF-toimintoa suorittavien valmiiden integroitujen piirien käyttö näyttää kätevimältä käytännön vaihtoehdolta.
Järjestelmän parannus
Yllä oleva oli esimerkki siitä, kuinka voit parantaa vahvistettua signaalia, kun työskentelet bipolaaristen ja kenttätransistoreiden kanssa (kytkemällä kondensaattorin ja vastuksen rinnakkain).
Tällaisia rakenteellisia päivityksiä voidaan tehdä melkein millä tahansa suunnitelmalla. Tietenkin uusien elementtien käyttöönotto lisääntyyjännitehäviö (häviöt), mutta tämän ansiosta eri piirien ominaisuuksia voidaan parantaa. Esimerkiksi kondensaattorit ovat erinomaisia taajuussuodattimia.
Resistiivisissä, kapasitiivisissa tai induktiivisissa elementeissä on suositeltavaa kerätä yksinkertaisimmat suodattimet, jotka suodattavat pois taajuudet, jotka eivät saa pudota piiriin. Yhdistämällä resistiiviset ja kapasitiiviset elementit operaatiovahvistimiin voidaan koota tehokkaampia suodattimia (integraattoreita, Sallen-Key-differentiaattoreita, lovi- ja kaistanpäästösuodattimia).
Lopuksi
Taajuusvahvistimien tärkeimmät parametrit ovat:
- voitto;
- signaalin vääristymätekijä;
- teho.
Matalataajuisia vahvistimia käytetään useimmiten audiolaitteissa. Voit kerätä laitetietoja käytännössä seuraavista elementeistä:
- tyhjiöputkissa;
- transistoreilla;
- operaatiovahvistimissa;
- valmiilla siruilla.
Matalataajuisten vahvistimien ominaisuuksia voidaan parantaa ottamalla käyttöön resistiivisiä, kapasitiivisia tai induktiivisia elementtejä.
Jokaisella yllä olevilla järjestelmillä on omat etunsa ja haittansa: jotkin vahvistimet ovat kalliita koota, osa voi kyllästyä, joidenkin elementtien yhteensovittaminen on vaikeaa. Aina on ominaisuuksia, joita vahvistimen suunnittelijan on käsiteltävä.
Käyttämällä kaikkia tässä artikkelissa annettuja suosituksia voit rakentaa oman vahvistimen kotikäyttöönsen sijaan, että ostaisit tämän laitteen, joka voi maksaa paljon rahaa korkealaatuisten laitteiden suhteen.
