Niederfrequenzverstärker (im Folgenden als ULF bezeichnet) ist ein elektronisches Gerät, das entwickelt wurde, um Niederfrequenzschwingungen auf die vom Verbraucher benötigte zu verstärken. Sie können an verschiedenen elektronischen Elementen wie verschiedenen Arten von Transistoren, Röhren oder Operationsverstärkern durchgeführt werden. Alle ULFs haben eine Reihe von Parametern, die die Effektivität ihrer Arbeit charakterisieren.
In diesem Artikel wird über die Verwendung eines solchen Geräts, seine Parameter und Konstruktionsmethoden unter Verwendung verschiedener elektronischer Komponenten gesprochen. Auch die Besch altung von Niederfrequenzverstärkern wird berücksichtigt.
ULF-Anwendung
ULF wird am häufigsten in Tonwiedergabegeräten verwendet, da es in diesem Technologiebereich oft erforderlich ist, die Signalfrequenz auf die für den menschlichen Körper wahrnehmbare (von 20 Hz bis 20 kHz) zu verstärken.
Andere ULF-Anwendungen:
- Messtechnik;
- Defektoskopie;
- analoges Rechnen.
Im Allgemeinen findet man Bassverstärker als Komponenten verschiedener elektronischer Sch altungen, wie Radios, Akustikgeräte, Fernseher oder Radiosender.
Parameter
Der wichtigste Parameter für einen Verstärker ist die Verstärkung. Sie errechnet sich aus dem Verhältnis von Output zu Input. Sie unterscheiden je nach betrachtetem Wert:
- Stromverstärkung=Ausgangsstrom / Eingangsstrom;
- Spannungsverstärkung=Ausgangsspannung / Eingangsspannung;
- Leistungsverstärkung=Ausgangsleistung / Eingangsleistung.
Für einige Geräte, wie Operationsverstärker, ist der Wert dieses Koeffizienten sehr groß, aber es ist unbequem, mit zu großen (sowie zu kleinen) Zahlen in Berechnungen zu arbeiten, daher werden Verstärkungen oft logarithmisch ausgedrückt Einheiten. Dafür gelten folgende Formeln:
- Leistungsverstärkung in logarithmischen Einheiten=10Logarithmus der gewünschten Leistungsverstärkung;
- Stromverstärkung in logarithmischen Einheiten=20dezimaler Logarithmus der gewünschten Stromverstärkung;
- Spannungsverstärkung in logarithmischen Einheiten=20Logarithmus der gewünschten Spannungsverstärkung.
Auf diese Weise berechnete Koeffizienten werden in Dezibel gemessen. Kurzname - dB.
Der nächste wichtige ParameterVerstärker - Signalverzerrungskoeffizient. Es ist wichtig zu verstehen, dass Signalverstärkung als Ergebnis seiner Transformationen und Änderungen auftritt. Nicht die Tatsache, dass diese Transformationen immer korrekt erfolgen. Aus diesem Grund kann das Ausgangssignal z. B. in der Form vom Eingangssignal abweichen.
Ideale Verstärker gibt es nicht, also ist immer Verzerrung vorhanden. In einigen Fällen überschreiten sie zwar nicht die zulässigen Grenzen, in anderen jedoch. Stimmen die Oberwellen der Signale am Ausgang des Verstärkers mit den Oberwellen der Eingangssignale überein, so ist die Verzerrung linear und reduziert sich nur auf eine Amplituden- und Phasenänderung. Treten am Ausgang neue Harmonische auf, dann ist die Verzerrung nichtlinear, weil sie zu einer Veränderung der Signalform führt.
Mit anderen Worten, wenn die Verzerrung linear ist und am Eingang des Verstärkers ein „a“-Signal anliegt, dann ist der Ausgang ein „A“-Signal, und wenn es nicht linear ist, dann das Ausgang ist ein „B“-Signal.
Der letzte wichtige Parameter, der den Betrieb des Verstärkers charakterisiert, ist die Ausgangsleistung. Leistungssorten:
- Rated.
- Passgeräusch.
- Maximal kurzfristig.
- Maximal langfristig.
Alle vier Typen sind durch verschiedene GOSTs und Standards standardisiert.
Vamplifiers
Historisch gesehen wurden die ersten Verstärker auf Vakuumröhren hergestellt, die zur Klasse der Vakuumgeräte gehören.
Je nachdem, welche Elektroden sich im hermetischen Kolben befinden, werden die Lampen unterschieden:
- Dioden;
- Trioden;
- Tetroden;
- Pentoden.
Maximumdie Anzahl der Elektroden beträgt acht. Es gibt auch solche Elektrovakuumgeräte wie Klystrons.
Triodenverstärker
Zunächst einmal lohnt es sich, das Sch altschema zu verstehen. Eine Beschreibung der Niederfrequenz-Triodenverstärkersch altung ist unten angegeben.
Das Filament, das die Kathode erhitzt, wird mit Strom versorgt. Auch an die Anode wird Spannung angelegt. Unter Temperatureinwirkung werden aus der Kathode Elektronen herausgeschlagen, die zur Anode strömen, an der ein positives Potential anliegt (Elektronen haben ein negatives Potential).
Ein Teil der Elektronen wird von der dritten Elektrode abgefangen - dem Gitter, an dem ebenfalls Spannung anliegt, nur alternierend. Mit Hilfe des Gitters wird der Anodenstrom (der Strom im gesamten Stromkreis) geregelt. Wenn ein großes negatives Potential an das Gitter angelegt wird, setzen sich alle Elektronen von der Kathode darauf ab und es fließt kein Strom durch die Lampe, da der Strom eine gerichtete Bewegung von Elektronen ist und das Gitter diese Bewegung blockiert.
Die Lampenverstärkung passt den Widerstand an, der zwischen der Stromversorgung und der Anode angeschlossen ist. Er stellt die gewünschte Position des Arbeitspunktes auf der Strom-Spannungs-Kennlinie ein, von der die Verstärkungsparameter abhängen.
Warum ist die Lage des Arbeitspunktes so wichtig? Denn es hängt davon ab, wie viel Strom und Spannung (und damit Leistung) in der Niederfrequenz-Verstärkersch altung verstärkt werden.
Das Ausgangssignal des Triodenverstärkers wird aus dem Bereich zwischen der Anode und dem davor gesch alteten Widerstand entnommen.
Verstärker anKlystron
Das Funktionsprinzip eines Niederfrequenz-Klystronverstärkers basiert auf der Signalmodulation zuerst in der Geschwindigkeit und dann in der Dichte.
Das Klystron ist wie folgt aufgebaut: Der Kolben hat eine durch einen Heizfaden beheizte Kathode und einen Kollektor (analog zur Anode). Dazwischen liegen die Eingangs- und Ausgangsresonatoren. Von der Kathode emittierte Elektronen werden durch eine an die Kathode angelegte Spannung beschleunigt und strömen zum Kollektor.
Einige Elektronen bewegen sich schneller, andere langsamer - so sieht Geschwindigkeitsmodulation aus. Aufgrund der unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeit werden Elektronen zu Strahlen gruppiert - so manifestiert sich die Dichtemodulation. Das dichtemodulierte Signal tritt in den Ausgangsresonator ein, wo es ein Signal mit derselben Frequenz, aber größerer Leistung als der Eingangsresonator erzeugt.
Es stellt sich heraus, dass die kinetische Energie von Elektronen in die Energie von Mikrowellenschwingungen des elektromagnetischen Feldes des Ausgangsresonators umgewandelt wird. So wird das Signal im Klystron verstärkt.
Eigenschaften von Elektrovakuumverstärkern
Wenn wir die Qualität desselben Signals, verstärkt durch ein Röhrengerät, und ULF auf Transistoren vergleichen, wird der Unterschied mit bloßem Auge sichtbar sein, nicht zugunsten des letzteren.
Jeder professionelle Musiker wird Ihnen sagen, dass Röhrenverstärker viel besser sind als ihre fortgeschrittenen Gegenstücke.
Elektrovakuumgeräte sind längst aus dem Massenkonsum verschwunden, sie wurden durch Transistoren und Mikrosch altungen ersetzt, aber das ist für den Bereich der Tonwiedergabe irrelevant. Aufgrund der Temperaturstabilität und des Vakuums im Inneren verstärken Lampengeräte das Signal besser.
Der einzige Nachteil der Röhre ULF ist der hohe Preis, was logisch ist: Es ist teuer, Elemente herzustellen, die nicht in Massen nachgefragt werden.
Bipolartransistorverstärker
Oft werden Verstärkerstufen mit Transistoren aufgebaut. Ein einfacher Niederfrequenzverstärker kann aus nur drei Grundelementen zusammengesetzt werden: einem Kondensator, einem Widerstand und einem n-p-n-Transistor.
Um einen solchen Verstärker zusammenzubauen, müssen Sie den Emitter des Transistors erden, einen Kondensator in Reihe mit seiner Basis und einen Widerstand parallel sch alten. Die Last sollte vor dem Kollektor platziert werden. Es empfiehlt sich, in dieser Sch altung einen Begrenzungswiderstand zum Kollektor zu sch alten.
Die zulässige Versorgungsspannung einer solchen Niederfrequenz-Verstärkersch altung variiert zwischen 3 und 12 Volt. Der Wert des Widerstands sollte experimentell gewählt werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass sein Wert mindestens das 100-fache des Lastwiderstands betragen muss. Der Wert des Kondensators kann von 1 bis 100 Mikrofarad variieren. Seine Kapazität beeinflusst die Höhe der Frequenz, bei der der Verstärker arbeiten kann. Je größer die Kapazität, desto niedriger ist die Nennfrequenz, die der Transistor verstärken kann.
Das Eingangssignal des Niederfrequenz-Bipolartransistorverstärkers wird an den Kondensator angelegt. Der positive Leistungspol muss mit dem Anschlusspunkt der Last verbunden und der Widerstand parallel zur Basis und zum Kondensator gesch altet werden.
Um die Qualität eines solchen Signals zu verbessern, können Sie einen parallel gesch alteten Kondensator und Widerstand an den Emitter anschließen, die die Rolle der Gegenkopplung spielen.
Verstärker mit zwei Bipolartransistoren
Um die Verstärkung zu erhöhen, können Sie zwei einzelne ULF-Transistoren zu einem verbinden. Dann können die Gewinne dieser Geräte vervielfacht werden.
Obwohl Sie die Anzahl der Verstärkerstufen weiter erhöhen, steigt die Wahrscheinlichkeit einer Selbsterregung der Verstärker.
Feldeffekttransistorverstärker
Niederfrequenzverstärker werden ebenfalls auf Feldeffekttransistoren (im Folgenden PT genannt) aufgebaut. Die Sch altkreise solcher Geräte unterscheiden sich nicht wesentlich von denen, die auf Bipolartransistoren aufgebaut sind.
Als Beispiel wird ein n-Kanal-FET mit isoliertem Gate (ITF-Typ) betrachtet.
Zum Substrat dieses Transistors ist ein Kondensator in Reihe gesch altet, parallel ist ein Spannungsteiler gesch altet. Ein Widerstand ist mit der Source des FET verbunden (Sie können auch eine Parallelsch altung eines Kondensators und eines Widerstands verwenden, wie oben beschrieben). Ein Begrenzungswiderstand und eine Stromversorgung sind mit dem Drain verbunden, und ein Lastanschluss wird zwischen dem Widerstand und dem Drain erzeugt.
Das Eingangssignal von Niederfrequenz-Feldeffekttransistor-Verstärkern wird an das Gate angelegt. Dies geschieht ebenfalls über einen Kondensator.
Wie Sie der Erklärung entnehmen können, unterscheidet sich die einfachste Feldeffekttransistor-Verstärkersch altung nicht von der Niederfrequenz-Bipolartransistor-Verstärkersch altung.
Bei der Arbeit mit PT sollten jedoch die folgenden Merkmale dieser Elemente berücksichtigt werden:
- FET hoch REingang=I / UGate-Source. Feldeffekttransistoren werden durch ein elektrisches Feld gesteuert,die durch Stress entsteht. Daher werden FETs durch Spannung gesteuert, nicht durch Strom.
- FETs verbrauchen fast keinen Strom, was eine leichte Verzerrung des Originalsignals zur Folge hat.
- Bei Feldeffekttransistoren gibt es keine Ladungsinjektion, daher ist der Rauschpegel dieser Elemente sehr gering.
- Sie sind temperaturbeständig.
Der Hauptnachteil von FETs ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber statischer Elektrizität.
Viele kennen die Situation, wenn scheinbar nichtleitende Dinge einen Menschen schocken. Dies ist die Manifestation statischer Elektrizität. Wenn ein solcher Impuls an einen der Kontakte des Feldeffekttransistors angelegt wird, kann das Element deaktiviert werden.
Daher ist es bei der Arbeit mit dem PT besser, die Kontakte nicht mit den Händen zu nehmen, um das Element nicht versehentlich zu beschädigen.
OpAmp-Gerät
Operationsverstärker (im Folgenden Operationsverstärker genannt) ist ein Gerät mit differenzierten Eingängen, das eine sehr hohe Verstärkung hat.
Signalverstärkung ist nicht die einzige Funktion dieses Elements. Es kann auch als Signalgenerator arbeiten. Dennoch sind es seine verstärkenden Eigenschaften, die für die Arbeit mit tiefen Frequenzen interessant sind.
Um aus einem Operationsverstärker einen Signalverstärker zu machen, müssen Sie eine Rückkopplungssch altung richtig anschließen, die ein normaler Widerstand ist. Wie kann man verstehen, wo diese Sch altung angeschlossen werden soll? Dazu müssen Sie sich auf die Übertragungscharakteristik des Operationsverstärkers beziehen. Es hat zwei horizontale und einen linearen Abschnitt. Wenn der Betriebspunktbefindet sich das Gerät auf einem der horizontalen Abschnitte, dann arbeitet der Operationsverstärker im Generatormodus (Impulsmodus), wenn es sich auf einem linearen Abschnitt befindet, verstärkt der Operationsverstärker das Signal.
Um den Operationsverstärker in den linearen Modus zu versetzen, müssen Sie den Rückkopplungswiderstand mit einem Kontakt an den Ausgang des Geräts und den anderen an den invertierenden Eingang anschließen. Diese Einbeziehung wird negatives Feedback (NFB) genannt.
Wenn es erforderlich ist, dass das Niederfrequenzsignal verstärkt wird und sich nicht in der Phase ändert, dann sollte der invertierende Eingang mit OOS geerdet werden und das verstärkte Signal sollte an den nichtinvertierenden Eingang angelegt werden. Wenn es notwendig ist, das Signal zu verstärken und seine Phase um 180 Grad zu ändern, muss der nichtinvertierende Eingang geerdet und das Eingangssignal mit dem invertierenden verbunden werden.
In diesem Fall dürfen wir nicht vergessen, dass der Operationsverstärker mit entgegengesetzter Polarität versorgt werden muss. Dafür hat er spezielle Kontaktmöglichkeiten.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Arbeit mit solchen Geräten manchmal schwierig ist, Elemente für die Niederfrequenz-Verstärkersch altung auszuwählen. Ihre sorgfältige Abstimmung ist nicht nur in Bezug auf Nennwerte, sondern auch in Bezug auf die Materialien, aus denen sie hergestellt sind, erforderlich, um die gewünschten Verstärkungsparameter zu erreichen.
Verstärker auf einem Chip
ULF kann auf Elektrovakuumelementen und auf Transistoren und auf Operationsverstärkern montiert werden, nur Vakuumröhren sind das letzte Jahrhundert, und der Rest der Sch altungen ist nicht ohne Mängel, deren Korrektur zwangsläufig zu einer Verkomplizierung des Designs führt des Verstärkers. Das ist unpraktisch.
Ingenieure haben seit langem eine bequemere Option zum Erstellen von ULF gefunden: Die Industrie produziert fertige Mikrosch altkreise, die als Verstärker fungieren.
Jeder dieser Sch altkreise besteht aus einer Reihe von Operationsverstärkern, Transistoren und anderen Elementen, die auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden sind.
Beispiele einiger ULF-Serien in Form integrierter Sch altkreise:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Alle oben genannten Serien werden in Audiogeräten verwendet. Jedes Modell hat unterschiedliche Eigenschaften: Versorgungsspannung, Ausgangsleistung, Verstärkung.
Sie bestehen aus kleinen Elementen mit vielen Stiften, die bequem auf dem Brett platziert und montiert werden können.
Um mit einem Niederfrequenzverstärker auf einer Mikrosch altung zu arbeiten, ist es nützlich, die Grundlagen der logischen Algebra sowie die Funktionsprinzipien der logischen Elemente UND-NICHT, ODER-NICHT zu kennen.
Fast jedes elektronische Gerät kann auf logischen Elementen zusammengebaut werden, aber in diesem Fall erweisen sich viele Sch altungen als sperrig und unbequem für die Installation.
Daher scheint die Verwendung fertiger integrierter Sch altungen, die die ULF-Funktion ausführen, die bequemste praktische Option zu sein.
Schemaverbesserung
Das Obige war ein Beispiel dafür, wie Sie das verstärkte Signal verbessern können, wenn Sie mit Bipolar- und Feldeffekttransistoren arbeiten (indem Sie einen Kondensator und einen Widerstand parallel sch alten).
Solche strukturellen Upgrades können mit fast jedem Schema durchgeführt werden. Natürlich nimmt die Einführung neuer Elemente zuSpannungsabfall (Verluste), aber dadurch können die Eigenschaften verschiedener Sch altungen verbessert werden. Beispielsweise sind Kondensatoren ausgezeichnete Frequenzfilter.
Bei resistiven, kapazitiven oder induktiven Elementen empfiehlt es sich, die einfachsten Filter zu sammeln, die Frequenzen herausfiltern, die nicht in den Stromkreis fallen sollten. Durch die Kombination von resistiven und kapazitiven Elementen mit Operationsverstärkern können effizientere Filter (Integratoren, Sallen-Key-Differentiatoren, Kerb- und Bandpassfilter) zusammengestellt werden.
Zum Schluss
Die wichtigsten Parameter von Frequenzverstärkern sind:
- Gewinn;
- Signalverzerrungsfaktor;
- Leistung.
Niederfrequenzverstärker werden am häufigsten in Audiogeräten verwendet. Zu folgenden Elementen können Sie Gerätedaten praktisch sammeln:
- auf Vakuumröhren;
- auf Transistoren;
- über Operationsverstärker;
- auf fertigen Chips.
Die Eigenschaften von Niederfrequenzverstärkern können durch Einfügen von resistiven, kapazitiven oder induktiven Elementen verbessert werden.
Jedes der oben genannten Schemata hat seine eigenen Vor- und Nachteile: Einige Verstärker sind teuer in der Montage, einige können in die Sättigung gehen, für einige ist es schwierig, die verwendeten Elemente zu koordinieren. Es gibt immer wieder Features, mit denen sich der Amp-Designer auseinandersetzen muss.
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