Madalsagedusvõimendi (edaspidi ULF) on elektrooniline seade, mis on loodud madalsageduslike võnkumiste võimendamiseks tarbijale vajalikuni. Neid saab teostada erinevatel elektroonilistel elementidel, nagu erinevat tüüpi transistorid, torud või operatiivvõimendid. Kõigil ULF-idel on rida parameetreid, mis iseloomustavad nende töö tõhusust.
See artikkel räägib sellise seadme kasutamisest, selle parameetritest, erinevate elektrooniliste komponentide abil ehitusmeetoditest. Arvesse võetakse ka madalsagedusvõimendite vooluringi.
ULF-i rakendus
ULF-i kasutatakse kõige sagedamini heli taasesitusseadmetes, kuna selles tehnikavaldkonnas on sageli vaja signaali sagedust võimendada inimese keha tajutavale tasemele (20 Hz kuni 20 kHz).
Muud ULF-i rakendused:
- mõõtetehnoloogia;
- defektoskoopia;
- analoogarvutus.
Üldiselt leidub bassivõimendeid mitmesuguste elektrooniliste vooluringide, näiteks raadiote, akustiliste seadmete, televiisorite või raadiosaatjate komponentidena.
Parameetrid
Võimendi kõige olulisem parameeter on võimendus. See arvutatakse väljundi ja sisendi suhtena. Olenev alt vaadeldavast väärtusest eristavad need:
- voolu võimendus=väljundvool / sisendvool;
- pingevõimendus=väljundpinge / sisendpinge;
- võimsuse suurenemine=väljundvõimsus / sisendvõimsus.
Mõnede seadmete (nt operatsioonivõimendid) puhul on selle koefitsiendi väärtus väga suur, kuid liiga suurte (ja ka liiga väikeste) arvudega on arvutustes ebamugav töötada, seetõttu väljendatakse võimendusi sageli logaritmiliselt ühikut. Selle jaoks kehtivad järgmised valemid:
- võimsuse suurenemine logaritmilistes ühikutes=10soovitud võimsuse võimenduse logaritm;
- voolu võimendus logaritmilistes ühikutes=20soovitud vooluvõimenduse kümnendlogaritm;
- pinge võimendus logaritmilistes ühikutes=20soovitud pinge võimenduse logaritm.
Nii arvutatud koefitsiente mõõdetakse detsibellides. Lühendatud nimi – dB.
Järgmine oluline parameetervõimendi - signaali moonutustegur. Oluline on mõista, et signaali võimendamine toimub selle transformatsioonide ja muutuste tulemusena. Mitte asjaolu, et need muutused toimuvad alati õigesti. Sel põhjusel võib väljundsignaal sisendsignaalist erineda, näiteks kuju poolest.
Ideaalseid võimendeid pole olemas, seega on moonutused alati olemas. Tõsi, mõnel juhul ei ületa need lubatud piire, teistel aga küll. Kui võimendi väljundis olevate signaalide harmoonilised langevad kokku sisendsignaalide harmoonilistega, siis on moonutus lineaarne ja taandub ainult amplituudi ja faasi muutusele. Kui väljundisse ilmuvad uued harmoonilised, siis on moonutus mittelineaarne, kuna see viib signaali kuju muutumiseni.
Teisisõnu, kui moonutus on lineaarne ja võimendi sisendis oli "a" signaal, on väljundiks "A" signaal ja kui see on mittelineaarne, siis väljund on "B" signaal.
Viimane oluline parameeter, mis iseloomustab võimendi tööd, on väljundvõimsus. Võimsussordid:
- Hinnatud.
- Passimüra.
- Maksimaalne lühiajaline.
- Maksimaalne pikaajaline.
Kõik neli tüüpi on standarditud erinevate GOST-ide ja standarditega.
Vamplfiers
Ajalooliselt loodi esimesed võimendid vaakumlampidele, mis kuuluvad vaakumseadmete klassi.
Sõltuv alt hermeetilise kolvi sees asuvatest elektroodidest eristatakse lampe:
- dioodid;
- trioodid;
- tetrodes;
- pentodes.
Maksimaalneelektroodide arv on kaheksa. On ka selliseid elektrovaakumseadmeid nagu klystrons.
Trioodvõimendi
Kõigepe alt tasub aru saada lülitusskeemist. Madalsagedusliku trioodvõimendi ahela kirjeldus on toodud allpool.
Katoodi soojendav hõõgniit on pingestatud. Anoodile rakendatakse ka pinget. Temperatuuri mõjul löövad katoodilt välja elektronid, mis tormavad anoodile, millele rakendatakse positiivne potentsiaal (elektronitel on negatiivne potentsiaal).
Osa elektronidest võtab kinni kolmas elektrood – võrk, millele on samuti rakendatud pinge, ainult vahelduv alt. Võre abil reguleeritakse anoodivoolu (voolu vooluringis tervikuna). Kui võrgule rakendatakse suurt negatiivset potentsiaali, settivad kõik katoodi elektronid sellele ja vool läbi lambi ei voola, kuna vool on elektronide suunatud liikumine ja võrk blokeerib selle liikumise.
Lambi võimendus reguleerib takistit, mis on ühendatud toiteallika ja anoodi vahele. See määrab tööpunkti soovitud asukoha voolu-pinge karakteristikul, millest sõltuvad võimendusparameetrid.
Miks on tööpunkti asukoht nii oluline? Sest see sõltub sellest, kui palju voolu ja pinget (ja seega ka võimsust) madalsagedusvõimendi ahelas võimendatakse.
Trioodvõimendi väljundsignaal võetakse anoodi ja selle ette ühendatud takisti vaheliselt al alt.
Võimendi seesklystron
Madalsagedusliku klystron-võimendi tööpõhimõte põhineb signaali modulatsioonil esm alt kiirusel ja seejärel tihedusel.
Klüstron on paigutatud järgmiselt: kolvis on hõõgniidiga soojendatav katood ja kollektor (analoogselt anoodiga). Nende vahel on sisend- ja väljundresonaatorid. Katoodilt eralduvad elektronid kiirendatakse katoodile rakendatava pinge toimel ja tormavad kollektorisse.
Mõned elektronid liiguvad kiiremini, teised aeglasem alt – selline näeb välja kiirusmodulatsioon. Liikumiskiiruse erinevuse tõttu rühmitatakse elektronid kiirteks – nii avaldub tihedusmodulatsioon. Tihedusmoduleeritud signaal siseneb väljundresonaatorisse, kus see loob sama sagedusega, kuid sisendresonaatorist suurema võimsusega signaali.
Selgub, et elektronide kineetiline energia muundub väljundresonaatori elektromagnetvälja mikrolainevõnkumiste energiaks. Nii võimendatakse signaali klystronis.
Elektrovaakumvõimendite omadused
Kui võrrelda toruseadmega võimendatud sama signaali ja transistoride ULF-i kvaliteeti, on erinevus palja silmaga nähtav, mitte viimase kasuks.
Iga professionaalne muusik ütleb teile, et lampvõimendid on palju paremad kui nende arenenud kolleegid.
Elektrovaakumseadmed on juba ammu massitarbimisest väljas, need asendati transistoride ja mikroskeemidega, kuid see ei oma heli taasesituse valdkonna jaoks tähtsust. Temperatuuri stabiilsuse ja sisemise vaakumi tõttu võimendavad lambiseadmed signaali paremini.
Ulf-toru ainsaks puuduseks on kõrge hind, mis on loogiline: kulukas on toota elemente, mille järele pole massinõudlust.
Bipolaarne transistor võimendi
Tihti pannakse võimendusastmed kokku transistorite abil. Lihtsa madalsagedusvõimendi saab kokku panna vaid kolmest põhielemendist: kondensaatorist, takistist ja n-p-n transistorist.
Sellise võimendi kokkupanemiseks peate maandama transistori emitteri, ühendama selle alusega järjestikku kondensaatori ja paralleelselt takisti. Koormus tuleks asetada kollektori ette. Selle ahela kollektoriga on soovitatav ühendada piirav takisti.
Sellise madalsagedusvõimendiahela lubatud toitepinge varieerub vahemikus 3 kuni 12 volti. Takisti väärtus tuleks valida eksperimentaalselt, võttes arvesse asjaolu, et selle väärtus peab olema vähem alt 100-kordne koormustakistus. Kondensaatori väärtus võib varieeruda vahemikus 1 kuni 100 mikrofaradi. Selle mahtuvus mõjutab sagedust, millega võimendi võib töötada. Mida suurem on mahtuvus, seda madalam on sagedus, mida transistor suudab võimendada.
Madalsagedusliku bipolaarse transistori võimendi sisendsignaal rakendatakse kondensaatorile. Positiivne toitepoolus tuleb ühendada koormuse ja takisti ühenduspunktiga paralleelselt aluse ja kondensaatoriga.
Sellise signaali kvaliteedi parandamiseks saate emitteriga ühendada paralleelselt ühendatud kondensaatori ja takisti, mis mängivad negatiivse tagasiside rolli.
Kahe bipolaarse transistoriga võimendi
Võimenduse suurendamiseks võite ühendada kaks üksikut ULF-transistorit üheks. Siis saab nende seadmete kasu korrutada.
Kuigi kui jätkate võimendusastmete arvu suurendamist, suureneb võimendite iseergastumisvõimalus.
Väljatransistorvõimendi
Madalsagedusvõimendeid monteeritakse ka väljatransistoridele (edaspidi PT). Selliste seadmete ahelad ei erine palju nendest, mis on kokku pandud bipolaarsetele transistoridele.
Eeskujuks võetakse n-kanaliga isoleeritud pais-FET (ITF-tüüpi) võimendi.
Selle transistori substraadiga on järjestikku ühendatud kondensaator ja paralleelselt on ühendatud pingejagur. FET-i allikaga on ühendatud takisti (saate kasutada ka kondensaatori ja takisti paralleelühendust, nagu eespool kirjeldatud). Äravooluga on ühendatud piirav takisti ja toide ning takisti ja äravoolu vahele luuakse koormusklemm.
Madalsageduslike väljatransistorvõimendite sisendsignaal rakendatakse paisule. Seda tehakse ka kondensaatori kaudu.
Nagu seletusest näha, ei erine lihtsaim väljatransistor-võimendi vooluahel madala sagedusega bipolaartransistor-võimendi vooluringist.
Kuid PT-ga töötades tuleks arvesse võtta nende elementide järgmisi omadusi:
- FET kõrge Rsisend=I / Ugate-source. Väljatransistore juhitakse elektrivälja abil,mis tekib stressist. Seetõttu juhitakse FET-e pinge, mitte voolu abil.
- FET-id ei tarbi peaaegu üldse voolu, mis toob kaasa algse signaali kerge moonutuse.
- Väljatransistorides ei ole laengu sissepritse, seega on nende elementide müratase väga madal.
- Need on temperatuurikindlad.
FET-ide peamine puudus on nende kõrge tundlikkus staatilise elektri suhtes.
Paljudele on tuttav olukord, kui pe altnäha mittejuhtivad asjad inimest šokeerivad. See on staatilise elektri ilming. Kui selline impulss antakse väljatransistori ühele kontaktile, saab elemendi välja lülitada.
Seega on PT-ga töötades parem kontakte mitte kätega võtta, et elementi kogemata mitte kahjustada.
OpAmpi seade
Operatsioonivõimendi (edaspidi op-amp) on diferentseeritud sisenditega seade, millel on väga kõrge võimendus.
Signaali võimendamine ei ole selle elemendi ainus funktsioon. See võib töötada ka signaaligeneraatorina. Sellegipoolest pakuvad madalate sagedustega töötamisel huvi just selle võimendusomadused.
Operatsioonivõimendist signaalivõimendi tegemiseks peate sellega õigesti ühendama tagasisideahela, mis on tavaline takisti. Kuidas aru saada, kuhu see vooluahel ühendada? Selleks peate viitama operatsioonivõimendi ülekandeomadusele. Sellel on kaks horisontaalset ja üks lineaarne sektsioon. Kui tööpunktseade asub ühel horisontaalsektsioonil, siis töötab operatsioonivõimendi generaatorrežiimis (impulssrežiim), kui see asub lineaarsel sektsioonil, siis võimendab operatsioonivõimendi signaali.
Operatsioonivõimendi ülekandmiseks lineaarsesse režiimi peate ühendama tagasisidetakisti ühe kontaktiga seadme väljundiga ja teise - inverteeriva sisendiga. Seda kaasamist nimetatakse negatiivseks tagasisideks (NFB).
Kui on nõutav, et madalsageduslikku signaali võimendataks ja see ei muutuks faasis, siis tuleks OOS-iga inverteeriv sisend maandada ja võimendatud signaal tuleks rakendada mitteinverteerivale sisendile. Kui on vaja signaali võimendada ja selle faasi 180 kraadi võrra muuta, siis tuleb mitteinverteeriv sisend maandada ning sisendsignaal ühendada inverteerivaga.
Sel juhul ei tohi unustada, et operatiivvõimendit tuleb varustada vastupidise polaarsusega võimsusega. Selleks on tal spetsiaalsed kontaktandmed.
Oluline on märkida, et selliste seadmetega töötades on mõnikord raske valida madalsagedusvõimendi vooluringi elemente. Soovitud võimendusparameetrite saavutamiseks ei nõuta nende hoolikat kooskõlastamist mitte ainult nimiväärtuste, vaid ka materjalide osas, millest need on valmistatud.
Kiibil olev võimendi
ULF-i saab kokku panna elektrovaakumelementidele ja transistoridele ja operatiivvõimenditele, ainult vaakumtorud on eelmisest sajandist ja ülejäänud ahelad pole vigadeta, mille parandamine toob paratamatult kaasa disaini keerulisemaks muutmise võimendist. See on ebamugav.
Insenerid on juba ammu leidnud mugavama võimaluse ULF-i loomiseks: tööstus toodab valmis mikroskeeme, mis toimivad võimendina.
Iga neist vooluahelatest on teatud viisil ühendatud opvõimendite, transistoride ja muude elementide komplekt.
Mõnede ULF-seeriate näited integraallülituste kujul:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Kõiki ül altoodud seeriaid kasutatakse heliseadmetes. Igal mudelil on erinevad omadused: toitepinge, väljundvõimsus, võimendus.
Need on valmistatud väikeste elementidena, millel on palju tihvte, mida on mugav tahvlile asetada ja kinnitada.
Madalsagedusvõimendiga mikroskeemil töötamiseks on kasulik teada loogikalgebra põhitõdesid, samuti loogiliste elementide JA-EI, VÕI-EI tööpõhimõtteid.
Peaaegu iga elektroonikaseadme saab kokku panna loogilistele elementidele, kuid sel juhul osutuvad paljud vooluringid mahukaks ja paigaldamisel ebamugavaks.
Seetõttu näib ULF-funktsiooni täitvate valmisintegraallülituste kasutamine olevat kõige mugavam praktiline variant.
Skeemi täiustamine
Ül altoodu oli näide sellest, kuidas saate parandada võimendatud signaali, kui töötate bipolaarsete ja väljatransistoridega (ühendades paralleelselt kondensaatori ja takisti).
Selliseid struktuuriuuendusi saab teha peaaegu iga skeemiga. Loomulikult suureneb uute elementide kasutuselevõttpingelangus (kaod), kuid tänu sellele saab erinevate ahelate omadusi parandada. Näiteks kondensaatorid on suurepärased sagedusfiltrid.
Takistavatel, mahtuvuslikel või induktiivsetel elementidel on soovitatav koguda kõige lihtsamad filtrid, mis filtreerivad välja sagedused, mis ei tohiks vooluringi sattuda. Kombineerides takistuslikke ja mahtuvuslikke elemente operatiivvõimenditega, saab kokku panna tõhusamaid filtreid (integraatorid, Sallen-Key diferentsiaatorid, sälk- ja ribapääsfiltrid).
Kokkuvõtteks
Sagedusvõimendite kõige olulisemad parameetrid on:
- võit;
- signaali moonutustegur;
- väljundvõimsus.
Madalsagedusvõimendeid kasutatakse kõige sagedamini heliseadmetes. Seadme andmeid saate koguda praktiliselt järgmiste elementide kohta:
- vaakumtorudel;
- transistoridel;
- operatsioonivõimenditel;
- valmis žetoonidel.
Madalsagedusvõimendite omadusi saab parandada takistuslike, mahtuvuslike või induktiivsete elementide kasutuselevõtuga.
Igal ül altoodud skeemidel on oma eelised ja puudused: mõne võimendi kokkupanek on kallis, mõni võib minna küllastusse, mõne puhul on kasutatud elementide koordineerimine keeruline. Alati on funktsioone, millega võimendidisainer peab tegelema.
Kasutades kõiki selles artiklis antud soovitusi, saate luua oma võimendi koduseks kasutamiseksselle seadme ostmise asemel, mis võib kvaliteetsete seadmete puhul maksta palju raha.
