L'amplificatore a bassa frequenza (di seguito denominato ULF) è un dispositivo elettronico progettato per amplificare le oscillazioni a bassa frequenza a quelle di cui il consumatore ha bisogno. Possono essere eseguiti su vari elementi elettronici come diversi tipi di transistor, valvole o amplificatori operazionali. Tutti gli ULF hanno una serie di parametri che caratterizzano l'efficacia del loro lavoro.
Questo articolo parlerà dell'uso di un tale dispositivo, dei suoi parametri, dei metodi di costruzione che utilizzano vari componenti elettronici. Verrà preso in considerazione anche il circuito degli amplificatori a bassa frequenza.
Applicazione ULF
ULF è più spesso utilizzato nelle apparecchiature di riproduzione del suono, perché in questo campo della tecnologia è spesso necessario amplificare la frequenza del segnale a quella percepibile dal corpo umano (da 20 Hz a 20 kHz).
Altre applicazioni ULF:
- tecnologia di misurazione;
- difettoscopia;
- informatica analogica.
In generale, gli amplificatori per basso si trovano come componenti di vari circuiti elettronici, come radio, dispositivi acustici, televisori o trasmettitori radio.
Parametri
Il parametro più importante per un amplificatore è il guadagno. Viene calcolato come il rapporto tra l'uscita e l'ingresso. A seconda del valore in esame, si distinguono:
- guadagno di corrente=corrente di uscita / corrente di ingresso;
- guadagno di tensione=tensione di uscita / tensione di ingresso;
- guadagno di potenza=potenza di uscita / potenza di ingresso.
Per alcuni dispositivi, come gli amplificatori operazionali, il valore di questo coefficiente è molto grande, ma è scomodo lavorare con numeri troppo grandi (oltre che troppo piccoli) nei calcoli, quindi i guadagni sono spesso espressi in logaritmi unità. Si applicano le seguenti formule:
- guadagno di potenza in unità logaritmiche=10logaritmo del guadagno di potenza desiderato;
- guadagno di corrente in unità logaritmiche=20logaritmo decimale del guadagno di corrente desiderato;
- guadagno di tensione in unità logaritmiche=20logaritmo del guadagno di tensione desiderato.
I coefficienti così calcolati sono misurati in decibel. Nome abbreviato - dB.
Il prossimo parametro importanteamplificatore - coefficiente di distorsione del segnale. È importante capire che l'amplificazione del segnale si verifica come risultato delle sue trasformazioni e cambiamenti. Non il fatto che sempre queste trasformazioni avverranno correttamente. Per questo motivo, il segnale di uscita può differire dal segnale di ingresso, ad esempio nella forma.
Non esistono amplificatori ideali, quindi la distorsione è sempre presente. È vero, in alcuni casi non vanno oltre i limiti consentiti, mentre in altri lo fanno. Se le armoniche dei segnali all'uscita dell'amplificatore coincidono con le armoniche dei segnali di ingresso, la distorsione è lineare e si riduce solo a una variazione di ampiezza e fase. Se all'uscita compaiono nuove armoniche, la distorsione non è lineare, perché porta a un cambiamento nella forma del segnale.
In altre parole, se la distorsione è lineare e c'era un segnale "a" all'ingresso dell'amplificatore, l'uscita sarà un segnale "A", e se non è lineare, allora il segnale l'uscita sarà un segnale "B".
L'ultimo importante parametro che caratterizza il funzionamento dell'amplificatore è la potenza di uscita. Varietà di potenza:
- Rated.
- Rumore del passaporto.
- Massimo a breve termine.
- Massimo a lungo termine.
Tutti e quattro i tipi sono standardizzati da vari GOST e standard.
Vamplificatori
Storicamente, i primi amplificatori sono stati creati su valvole a vuoto, che appartengono alla classe dei dispositivi a vuoto.
A seconda degli elettrodi posti all'interno del pallone ermetico, le lampade si distinguono:
- diodi;
- triodi;
- tetrodi;
- pentodi.
Massimoil numero di elettrodi è otto. Esistono anche dispositivi per l'elettrovuoto come i klystron.
Amplificatore a triodo
Prima di tutto, vale la pena capire lo schema di commutazione. Di seguito viene fornita una descrizione del circuito dell'amplificatore a triodo a bassa frequenza.
Il filamento che riscalda il catodo viene eccitato. La tensione viene applicata anche all'anodo. Sotto l'azione della temperatura, gli elettroni vengono eliminati dal catodo, che si precipita all'anodo, a cui viene applicato un potenziale positivo (gli elettroni hanno un potenziale negativo).
Parte degli elettroni viene intercettata dal terzo elettrodo: la griglia, a cui viene applicata anche la tensione, solo alternata. Con l'aiuto della griglia, viene regolata la corrente anodica (la corrente nel circuito nel suo insieme). Se viene applicato un grande potenziale negativo alla griglia, tutti gli elettroni del catodo si stabiliranno su di essa e nessuna corrente fluirà attraverso la lampada, perché la corrente è un movimento diretto di elettroni e la griglia blocca questo movimento.
Il guadagno della lampada regola il resistore collegato tra l'alimentatore e l'anodo. Imposta la posizione desiderata del punto di lavoro sulla caratteristica corrente-tensione, da cui dipendono i parametri di guadagno.
Perché la posizione del punto operativo è così importante? Perché dipende da quanta corrente e tensione (e quindi potenza) verranno amplificate nel circuito dell'amplificatore a bassa frequenza.
Il segnale di uscita sull'amplificatore a triodo viene prelevato dall'area tra l'anodo e il resistore collegato di fronte ad esso.
Amplificatore accesoklystron
Il principio di funzionamento di un amplificatore klystron a bassa frequenza si basa sulla modulazione del segnale prima in velocità e poi in densità.
Il klystron è disposto come segue: il pallone ha un catodo riscaldato da un filamento e un collettore (analogo all'anodo). Tra di loro ci sono i risonatori di ingresso e di uscita. Gli elettroni emessi dal catodo sono accelerati da una tensione applicata al catodo e si precipitano al collettore.
Alcuni elettroni si muoveranno più velocemente, altri più lentamente: ecco come appare la modulazione della velocità. A causa della differenza nella velocità di movimento, gli elettroni sono raggruppati in fasci: è così che si manifesta la modulazione della densità. Il segnale modulato in densità entra nel risonatore di uscita, dove crea un segnale della stessa frequenza, ma di potenza maggiore rispetto al risonatore di ingresso.
Si scopre che l'energia cinetica degli elettroni viene convertita nell'energia delle oscillazioni a microonde del campo elettromagnetico del risonatore di uscita. Ecco come viene amplificato il segnale nel klystron.
Caratteristiche degli amplificatori per elettrovuoto
Se confrontiamo la qualità dello stesso segnale amplificato da un dispositivo a valvole e l'ULF sui transistor, la differenza sarà visibile ad occhio nudo non a favore di quest'ultimo.
Qualsiasi musicista professionista ti dirà che gli amplificatori a valvole sono molto migliori delle loro controparti avanzate.
I dispositivi elettrovacuum sono da tempo fuori consumo di massa, sono stati sostituiti da transistor e microcircuiti, ma questo è irrilevante per il campo della riproduzione del suono. A causa della stabilità della temperatura e del vuoto all'interno, i dispositivi della lampada amplificano meglio il segnale.
L'unico inconveniente del tubo ULF è il prezzo elevato, il che è logico: è costoso produrre elementi che non sono richiesti in massa.
Amplificatore a transistor bipolare
Spesso gli stadi di amplificazione vengono assemblati utilizzando transistor. Un semplice amplificatore a bassa frequenza può essere assemblato da soli tre elementi di base: un condensatore, un resistore e un transistor n-p-n.
Per assemblare un tale amplificatore, dovrai collegare a terra l'emettitore del transistor, collegare un condensatore in serie alla sua base e un resistore in parallelo. Il carico deve essere posizionato davanti al collettore. Si consiglia di collegare una resistenza di limitazione al collettore in questo circuito.
La tensione di alimentazione consentita di un tale circuito amplificatore a bassa frequenza varia da 3 a 12 volt. Il valore del resistore deve essere scelto sperimentalmente, tenendo conto del fatto che il suo valore deve essere almeno 100 volte la resistenza di carico. Il valore del condensatore può variare da 1 a 100 microfarad. La sua capacità influisce sulla quantità di frequenza alla quale l'amplificatore può funzionare. Maggiore è la capacità, minore è la frequenza nominale che il transistor può amplificare.
Il segnale di ingresso dell'amplificatore a transistor bipolare a bassa frequenza viene applicato al condensatore. Il polo positivo di potenza deve essere collegato al punto di connessione del carico e la resistenza collegata in parallelo alla base e al condensatore.
Per migliorare la qualità di un tale segnale, puoi collegare un condensatore e un resistore collegati in parallelo all'emettitore, che svolgono il ruolo di feedback negativo.
Amplificatore con due transistor bipolari
Per aumentare il guadagno, puoi collegare due transistor ULF singoli in uno. Quindi i guadagni di questi dispositivi possono essere moltiplicati.
Sebbene continui ad aumentare il numero di stadi di amplificazione, aumenterà la possibilità di autoeccitazione degli amplificatori.
Amplificatore a transistor ad effetto di campo
Gli amplificatori a bassa frequenza sono anche assemblati su transistor ad effetto di campo (di seguito denominati PT). I circuiti di tali dispositivi non sono molto diversi da quelli assemblati su transistor bipolari.
Un amplificatore FET (tipo ITF) con gate isolato a canale n sarà considerato come esempio.
Un condensatore è collegato in serie al substrato di questo transistor e un partitore di tensione è collegato in parallelo. Un resistore è collegato alla sorgente del FET (è anche possibile utilizzare un collegamento in parallelo di un condensatore e un resistore, come descritto sopra). Un resistore di limitazione e l'alimentazione sono collegati allo scarico e viene creato un terminale di carico tra il resistore e lo scarico.
Il segnale di ingresso agli amplificatori a transistor ad effetto di campo a bassa frequenza viene applicato al gate. Questo viene fatto anche attraverso un condensatore.
Come puoi vedere dalla spiegazione, il circuito dell'amplificatore a transistor a effetto di campo più semplice non è diverso dal circuito dell'amplificatore a transistor bipolare a bassa frequenza.
Tuttavia, quando si lavora con PT, è necessario tenere in considerazione le seguenti caratteristiche di questi elementi:
- FET alto Rinput=I / Ugate-source. I transistor ad effetto di campo sono controllati da un campo elettrico,che è generato dallo stress. Pertanto, i FET sono controllati dalla tensione, non dalla corrente.
- I FET non consumano quasi corrente, il che comporta una leggera distorsione del segnale originale.
- Non c'è iniezione di carica nei transistor ad effetto di campo, quindi il livello di rumore di questi elementi è molto basso.
- Sono resistenti alla temperatura.
Il principale svantaggio dei FET è la loro elevata sensibilità all'elettricità statica.
Molti hanno familiarità con la situazione in cui cose apparentemente non conduttive scioccano una persona. Questa è la manifestazione dell'elettricità statica. Se tale impulso viene applicato a uno dei contatti del transistor ad effetto di campo, l'elemento può essere disabilitato.
Quindi, quando si lavora con il PT, è meglio non prendere i contatti con le mani per non danneggiare accidentalmente l'elemento.
Dispositivo OpAmp
L'amplificatore operazionale (di seguito denominato op-amp) è un dispositivo con ingressi differenziati, che ha un guadagno molto alto.
L'amplificazione del segnale non è l'unica funzione di questo elemento. Può anche funzionare come generatore di segnali. Tuttavia, sono le sue proprietà di amplificazione che sono interessanti per lavorare con le basse frequenze.
Per realizzare un amplificatore di segnale da un amplificatore operazionale, devi collegare correttamente un circuito di feedback ad esso, che è un normale resistore. Come capire dove collegare questo circuito? Per fare ciò, è necessario fare riferimento alla caratteristica di trasferimento dell'amplificatore operazionale. Ha due sezioni orizzontali e una lineare. Se il punto operativodispositivo si trova su una delle sezioni orizzontali, quindi l'amplificatore operazionale funziona in modalità generatore (modalità impulsi), se si trova su una sezione lineare, l'amplificatore operazionale amplifica il segnale.
Per trasferire l'amplificatore operazionale in modalità lineare, è necessario collegare il resistore di feedback con un contatto all'uscita del dispositivo e l' altro all'ingresso invertente. Questa inclusione è chiamata feedback negativo (NFB).
Se è necessario che il segnale a bassa frequenza sia amplificato e non cambi di fase, l'ingresso invertente con OOS dovrebbe essere messo a terra e il segnale amplificato dovrebbe essere applicato all'ingresso non invertente. Se è necessario amplificare il segnale e cambiarne la fase di 180 gradi, è necessario collegare a massa l'ingresso non invertente e collegare il segnale in ingresso a quello invertente.
In questo caso non bisogna dimenticare che l'amplificatore operazionale deve essere alimentato con potenza di polarità opposte. Per questo, ha contatti speciali.
È importante notare che lavorare con tali dispositivi a volte è difficile per selezionare gli elementi per il circuito dell'amplificatore a bassa frequenza. Il loro attento coordinamento è richiesto non solo in termini di valori nominali, ma anche in termini di materiali con cui sono realizzati, al fine di ottenere i parametri di guadagno desiderati.
Amplificatore su un chip
L'ULF può essere assemblato su elementi di elettrovuoto, e su transistor e su amplificatori operazionali, solo le valvole a vuoto sono del secolo scorso e il resto dei circuiti non è privo di difetti, la cui correzione comporta inevitabilmente la complicazione del design dell'amplificatore. Questo è scomodo.
Gli ingegneri hanno da tempo trovato un'opzione più conveniente per creare ULF: l'industria produce microcircuiti già pronti che fungono da amplificatori.
Ognuno di questi circuiti è un insieme di amplificatori operazionali, transistor e altri elementi collegati in un certo modo.
Esempi di alcune serie ULF sotto forma di circuiti integrati:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Tutte le serie di cui sopra sono utilizzate in apparecchiature audio. Ogni modello ha caratteristiche diverse: tensione di alimentazione, potenza di uscita, guadagno.
Sono realizzati sotto forma di piccoli elementi con molti perni, comodi da posizionare sulla scheda e montare.
Per lavorare con un amplificatore a bassa frequenza su un microcircuito, è utile conoscere le basi dell'algebra logica, nonché i principi di funzionamento degli elementi logici AND-NOT, OR-NOT.
Quasi tutti i dispositivi elettronici possono essere assemblati su elementi logici, ma in questo caso molti circuiti si riveleranno ingombranti e scomodi per l'installazione.
Pertanto, l'uso di circuiti integrati già pronti che svolgono la funzione ULF sembra essere l'opzione pratica più conveniente.
Miglioramento dello schema
Quello sopra è un esempio di come è possibile migliorare il segnale amplificato quando si lavora con transistor bipolari e ad effetto di campo (collegando un condensatore e un resistore in parallelo).
Tali aggiornamenti strutturali possono essere effettuati con quasi tutti gli schemi. Naturalmente, l'introduzione di nuovi elementi aumentacaduta di tensione (perdite), ma grazie a ciò è possibile migliorare le proprietà di vari circuiti. Ad esempio, i condensatori sono eccellenti filtri di frequenza.
Su elementi resistivi, capacitivi o induttivi, si consiglia di raccogliere i filtri più semplici che filtrano le frequenze che non dovrebbero cadere nel circuito. Combinando elementi resistivi e capacitivi con amplificatori operazionali, è possibile assemblare filtri più efficienti (integratori, differenziatori Sallen-Key, filtri notch e passa-banda).
In conclusione
I parametri più importanti degli amplificatori di frequenza sono:
- guadagno;
- fattore di distorsione del segnale;
- potenza di uscita.
Gli amplificatori a bassa frequenza sono usati più spesso nelle apparecchiature audio. Puoi raccogliere i dati del dispositivo praticamente sui seguenti elementi:
- su tubi a vuoto;
- su transistor;
- su amplificatori operazionali;
- su chips finite.
Le caratteristiche degli amplificatori a bassa frequenza possono essere migliorate introducendo elementi resistivi, capacitivi o induttivi.
Ognuno degli schemi sopra ha i suoi vantaggi e svantaggi: alcuni amplificatori sono costosi da assemblare, altri possono andare in saturazione, per alcuni è difficile coordinare gli elementi utilizzati. Ci sono sempre delle caratteristiche con cui il progettista dell'amplificatore deve fare i conti.
Utilizzando tutti i consigli forniti in questo articolo, puoi costruire il tuo amplificatore per uso domesticoinvece di acquistare questo dispositivo, che può costare un sacco di soldi quando si tratta di dispositivi di alta qualità.
