Bộ khuếch đại tần số thấp (sau đây gọi là ULF) là một thiết bị điện tử được thiết kế để khuếch đại các dao động tần số thấp đến tần số mà người tiêu dùng cần. Chúng có thể được thực hiện trên các phần tử điện tử khác nhau như các loại bóng bán dẫn, ống hoặc bộ khuếch đại hoạt động khác nhau. Tất cả các ULF đều có một số thông số đặc trưng cho hiệu quả công việc của chúng.
Bài viết này sẽ nói về việc sử dụng một thiết bị như vậy, các thông số của nó, phương pháp cấu tạo bằng các thành phần điện tử khác nhau. Mạch của bộ khuếch đại tần số thấp cũng sẽ được xem xét.
ứng dụng ULF
ULF thường được sử dụng nhiều nhất trong thiết bị tái tạo âm thanh, vì trong lĩnh vực công nghệ này, thường cần khuếch đại tần số tín hiệu mà cơ thể con người có thể cảm nhận được (từ 20 Hz đến 20 kHz).
Các ứng dụng ULF khác:
- công nghệ đo lường;
- soi khuyết điểm;
- tính toán tương tự.
Nói chung, bộ khuếch đại âm trầm được coi là thành phần của các mạch điện tử khác nhau, chẳng hạn như radio, thiết bị âm thanh, tivi hoặc máy phát vô tuyến.
Thông số
Thông số quan trọng nhất đối với bộ khuếch đại là độ lợi. Nó được tính bằng tỷ lệ giữa đầu ra và đầu vào. Tùy thuộc vào giá trị đang xem xét, chúng phân biệt:
- mức tăng hiện tại=dòng điện đầu ra / dòng điện đầu vào;
- tăng điện áp=điện áp đầu ra / điện áp đầu vào;
- công suất tăng=công suất đầu ra / công suất đầu vào.
Đối với một số thiết bị, như op-amps, giá trị của hệ số này rất lớn, nhưng sẽ không thuận tiện khi làm việc với các số quá lớn (cũng như quá nhỏ) trong các phép tính, vì vậy lợi ích thường được biểu thị bằng logarit các đơn vị. Các công thức sau áp dụng cho điều này:
- tăng công suất theo đơn vị logarit=10logarit của mức tăng công suất mong muốn;
- mức tăng hiện tại theo đơn vị logarit=20logarit thập phân của mức tăng hiện tại mong muốn;
- tăng điện áp theo đơn vị logarit=20logarit của mức tăng điện áp mong muốn.
Hệ số được tính theo cách này được đo bằng decibel. Tên viết tắt - dB.
Thông số quan trọng tiếp theobộ khuếch đại - hệ số méo tín hiệu. Điều quan trọng là phải hiểu rằng sự khuếch đại tín hiệu xảy ra là kết quả của các biến đổi và thay đổi của nó. Không phải thực tế là luôn luôn những phép biến đổi này sẽ xảy ra một cách chính xác. Vì lý do này, tín hiệu đầu ra có thể khác với tín hiệu đầu vào, chẳng hạn như về hình dạng.
Bộ khuếch đại lý tưởng không tồn tại, vì vậy hiện tượng méo tiếng luôn xuất hiện. Đúng, trong một số trường hợp, chúng không vượt quá giới hạn cho phép, trong khi một số trường hợp khác thì lại như vậy. Nếu sóng hài của tín hiệu ở đầu ra của bộ khuếch đại trùng với sóng hài của tín hiệu đầu vào, thì độ méo là tuyến tính và chỉ giảm xuống khi biên độ và pha thay đổi. Nếu các sóng hài mới xuất hiện ở đầu ra, thì sự biến dạng là phi tuyến tính, vì nó dẫn đến sự thay đổi hình dạng tín hiệu.
Nói cách khác, nếu biến dạng là tuyến tính và có tín hiệu “a” ở đầu vào của bộ khuếch đại, thì đầu ra sẽ là tín hiệu “A” và nếu nó là phi tuyến tính, thì đầu ra sẽ là tín hiệu “B”.
Thông số quan trọng cuối cùng đặc trưng cho hoạt động của ampli là công suất đầu ra. Các giống điện:
- Đã đánh giá.
- Tiếng ồn hộ chiếu.
- Ngắn hạn tối đa.
- Tối đa lâu dài.
Tất cả bốn loại đều được tiêu chuẩn hóa bởi các GOST và tiêu chuẩn khác nhau.
Vamplifier
Trong lịch sử, các bộ khuếch đại đầu tiên được tạo ra trên các ống chân không, thuộc loại thiết bị chân không.
Tùy thuộc vào các điện cực nằm bên trong bình kín, các đèn được phân biệt:
- điốt;
- triodes;
- tetrodes;
- pentodes.
Tối đasố lượng điện cực là tám. Ngoài ra còn có các thiết bị điện chân không như klystron.
Bộ khuếch đại triode
Trước hết, cần hiểu sơ đồ chuyển đổi. Dưới đây là mô tả về mạch khuếch đại triode tần số thấp.
Dây tóc đốt nóng cực âm được cấp năng lượng. Điện áp cũng được áp dụng cho cực dương. Dưới tác dụng của nhiệt độ, các điện tử bị bật ra khỏi catốt, lao về anôt, nơi đặt điện thế dương (êlectron có điện thế âm).
Một phần của các electron bị chặn bởi điện cực thứ ba - lưới điện, điện áp này cũng được áp dụng, chỉ xoay chiều. Với sự trợ giúp của lưới điện, dòng điện cực dương (dòng điện trong mạch nói chung) được điều chỉnh. Nếu đặt một điện thế âm lớn vào lưới điện, tất cả các điện tử từ catốt sẽ nằm trên đó và không có dòng điện nào chạy qua đèn, bởi vì dòng điện là chuyển động có hướng của các electron và lưới điện sẽ chặn chuyển động này.
Độ lợi của đèn điều chỉnh điện trở được kết nối giữa nguồn điện và cực dương. Nó đặt vị trí mong muốn của điểm hoạt động trên đặc tính điện áp hiện tại, trên đó các thông số khuếch đại phụ thuộc vào.
Tại sao vị trí của điểm vận hành lại quan trọng như vậy? Bởi vì nó phụ thuộc vào dòng điện và điện áp (và do đó là công suất) sẽ được khuếch đại trong mạch khuếch đại tần số thấp.
Tín hiệu đầu ra trên bộ khuếch đại triode được lấy từ khu vực giữa cực dương và điện trở được kết nối ở phía trước của nó.
Bật bộ khuếch đạiklystron
Nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại klystron tần số thấp dựa trên điều chế tín hiệu trước tiên là tốc độ và sau đó là mật độ.
Các klystron được sắp xếp như sau: bình có cực âm được đốt nóng bằng dây tóc và một bộ thu (tương tự với cực dương). Giữa chúng là các bộ cộng hưởng đầu vào và đầu ra. Các êlectron phát ra từ catốt được gia tốc bởi một hiệu điện thế đặt vào catốt và lao tới bộ thu.
Một số electron sẽ chuyển động nhanh hơn, những electron khác chậm hơn - đây là cách điều biến vận tốc trông như thế nào. Do sự khác biệt về tốc độ di chuyển, các electron được nhóm lại thành chùm - đây là cách thể hiện sự điều biến mật độ. Tín hiệu được điều chế mật độ đi vào bộ cộng hưởng đầu ra, nơi nó tạo ra tín hiệu có cùng tần số, nhưng công suất lớn hơn bộ cộng hưởng đầu vào.
Hóa ra động năng của các electron được biến đổi thành năng lượng của dao động vi ba của trường điện từ của bộ cộng hưởng đầu ra. Đây là cách tín hiệu được khuếch đại trong klystron.
Tính năng của bộ khuếch đại chân không điện tử
Nếu chúng ta so sánh chất lượng của cùng một tín hiệu được khuếch đại bởi một thiết bị ống và ULF trên bóng bán dẫn, sự khác biệt sẽ có thể nhìn thấy bằng mắt thường, không có lợi cho cái sau.
Bất kỳ nhạc sĩ chuyên nghiệp nào cũng sẽ nói với bạn rằng bộ khuếch đại ống tốt hơn nhiều so với các bộ khuếch đại nâng cao của họ.
Các thiết bị hút chân không từ lâu đã không còn tiêu thụ hàng loạt, chúng được thay thế bằng các bóng bán dẫn và vi mạch, nhưng điều này không liên quan đến lĩnh vực tái tạo âm thanh. Do ổn định nhiệt độ và chân không bên trong, các thiết bị đèn khuếch đại tín hiệu tốt hơn.
Hạn chế duy nhất của ống ULF là giá cao, điều này hợp lý: rất đắt để sản xuất các nguyên tố không có nhu cầu đại trà.
Bộ khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực
Thường thì các tầng khuếch đại được lắp ráp bằng bóng bán dẫn. Một bộ khuếch đại tần số thấp đơn giản có thể được lắp ráp chỉ từ ba phần tử cơ bản: tụ điện, điện trở và bóng bán dẫn n-p-n.
Để lắp ráp một bộ khuếch đại như vậy, bạn sẽ cần nối đất bộ phát của bóng bán dẫn, mắc nối tiếp tụ điện với đế của nó và mắc song song một điện trở. Tải trọng nên được đặt ở phía trước của bộ thu. Bạn nên kết nối một điện trở giới hạn với bộ thu trong mạch này.
Điện áp cung cấp cho phép của mạch khuếch đại tần số thấp như vậy thay đổi từ 3 đến 12 vôn. Giá trị của điện trở nên được chọn bằng thực nghiệm, có tính đến thực tế là giá trị của nó ít nhất phải gấp 100 lần điện trở tải. Giá trị của tụ điện có thể thay đổi từ 1 đến 100 microfarads. Điện dung của nó ảnh hưởng đến tần số mà bộ khuếch đại có thể hoạt động. Điện dung càng lớn, định mức tần số mà bóng bán dẫn có thể khuếch đại càng thấp.
Tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực tần số thấp được đưa vào tụ điện. Cực dương nguồn điện phải được nối với điểm đấu nối của tải và điện trở mắc song song với đế và tụ điện.
Để cải thiện chất lượng của tín hiệu như vậy, bạn có thể kết nối tụ điện và điện trở được kết nối song song với bộ phát, đóng vai trò phản hồi âm.
Bộ khuếch đại với hai bóng bán dẫn lưỡng cực
Để tăng độ lợi, bạn có thể kết nối hai bóng bán dẫn ULF đơn thành một. Sau đó, lợi ích của các thiết bị này có thể được nhân lên.
Mặc dù nếu bạn tiếp tục tăng số tầng khuếch đại, cơ hội tự kích thích của bộ khuếch đại sẽ tăng lên.
Bộ khuếch đại bóng bán dẫn hiệu ứng trường
Bộ khuếch đại tần số thấp cũng được lắp ráp trên các bóng bán dẫn hiệu ứng trường (sau đây gọi là PT). Mạch của các thiết bị như vậy không khác nhiều so với mạch được lắp ráp trên bóng bán dẫn lưỡng cực.
Bộ khuếch đại cổng cách điện FET (loại ITF) n kênh sẽ được coi là một ví dụ.
Một tụ điện được mắc nối tiếp với đế của bóng bán dẫn này và một bộ phân áp được kết nối song song. Một điện trở được kết nối với nguồn của FET (bạn cũng có thể sử dụng kết nối song song của tụ điện và điện trở, như mô tả ở trên). Một điện trở giới hạn và nguồn được kết nối với cống, và một đầu nối tải được tạo ra giữa điện trở và cống.
Tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại bóng bán dẫn hiệu ứng trường tần số thấp được đưa vào cổng. Điều này cũng được thực hiện thông qua một tụ điện.
Như bạn có thể thấy từ phần giải thích, mạch khuếch đại bóng bán dẫn hiệu ứng trường đơn giản nhất không khác gì mạch khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực tần số thấp.
Tuy nhiên, khi làm việc với PT, các đặc điểm sau của các yếu tố này cần được lưu ý:
- FET cao Rđầu vào=I / Ucổng-nguồn. Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường được điều khiển bởi một điện trường,được tạo ra bởi căng thẳng. Do đó, FET được điều khiển bằng điện áp, không phải dòng điện.
- FETs hầu như không sử dụng dòng điện, dẫn đến tín hiệu ban đầu bị méo một chút.
- Không có điện tích trong các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, do đó mức độ nhiễu của các phần tử này rất thấp.
- Chúng có khả năng chịu nhiệt độ.
Nhược điểm chính của FET là độ nhạy cao với tĩnh điện.
Nhiều người quen thuộc với tình huống khi những thứ dường như không dẫn điện gây sốc cho một người. Đây là biểu hiện của tĩnh điện. Nếu một xung như vậy được đặt vào một trong các tiếp điểm của bóng bán dẫn hiệu ứng trường, phần tử có thể bị vô hiệu hóa.
Vì vậy, khi làm việc với PT, tốt hơn hết bạn không nên cầm các điểm tiếp xúc bằng tay để không vô tình làm hỏng phần tử.
thiết bị OpAmp
Bộ khuếch đại hoạt động (sau đây gọi là op-amp) là một thiết bị có đầu vào khác biệt, có mức khuếch đại rất cao.
Khuếch đại tín hiệu không phải là chức năng duy nhất của phần tử này. Nó cũng có thể hoạt động như một bộ tạo tín hiệu. Tuy nhiên, đó là đặc tính khuếch đại của nó được quan tâm để làm việc với tần số thấp.
Để tạo bộ khuếch đại tín hiệu ra khỏi op amp, bạn cần kết nối chính xác mạch phản hồi với nó, đây là một điện trở thông thường. Làm thế nào để hiểu nơi để kết nối mạch này? Để làm điều này, bạn cần tham khảo đặc tính truyền của op-amp. Nó có hai mặt cắt ngang và một mặt cắt tuyến tính. Nếu điểm hoạt độngthiết bị được đặt trên một trong các phần nằm ngang, khi đó op-amp hoạt động ở chế độ máy phát (chế độ xung), nếu nó được đặt trên một phần tuyến tính, thì op-amp sẽ khuếch đại tín hiệu.
Để chuyển op-amp sang chế độ tuyến tính, bạn cần kết nối điện trở phản hồi với một tiếp điểm với đầu ra của thiết bị và tiếp điểm kia - với đầu vào đảo ngược. Sự bao gồm này được gọi là phản hồi tiêu cực (NFB).
Nếu yêu cầu tín hiệu tần số thấp được khuếch đại và không thay đổi pha, thì đầu vào đảo ngược với OOS nên được nối đất và tín hiệu khuếch đại sẽ được áp dụng cho đầu vào không đảo. Nếu cần phải khuếch đại tín hiệu và thay đổi pha của nó 180 độ, thì đầu vào không đảo ngược phải được nối đất và tín hiệu đầu vào phải được kết nối với đầu vào đảo ngược.
Trong trường hợp này, chúng ta không được quên rằng bộ khuếch đại hoạt động phải được cung cấp nguồn điện có cực tính ngược nhau. Đối với điều này, anh ấy có các đầu mối liên hệ đặc biệt.
Điều quan trọng cần lưu ý là làm việc với các thiết bị như vậy đôi khi rất khó chọn các phần tử cho mạch khuếch đại tần số thấp. Cần có sự phối hợp cẩn thận của chúng không chỉ về giá trị danh nghĩa mà còn về vật liệu tạo ra chúng, để đạt được các thông số khuếch đại mong muốn.
Khuếch đại trên chip
ULF có thể được lắp ráp trên các phần tử điện chân không, trên các bóng bán dẫn và trên các bộ khuếch đại hoạt động, chỉ có các ống chân không là của thế kỷ trước, và phần còn lại của các mạch không phải là không có sai sót, việc sửa chữa đó chắc chắn sẽ làm phức tạp thiết kế của bộ khuếch đại. Điều này thật bất tiện.
Các kỹ sư từ lâu đã tìm thấy một lựa chọn thuận tiện hơn để tạo ra ULF: ngành công nghiệp sản xuất vi mạch làm sẵn hoạt động như bộ khuếch đại.
Mỗi mạch này là một tập hợp op-amps, bóng bán dẫn và các phần tử khác được kết nối theo một cách nhất định.
Ví dụ về một số dòng ULF ở dạng mạch tích hợp:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Tất cả các dòng trên đều được sử dụng trong thiết bị âm thanh. Mỗi mô hình có các đặc điểm khác nhau: điện áp cung cấp, công suất đầu ra, độ lợi.
Chúng được làm dưới dạng các phần tử nhỏ với nhiều chốt, thuận tiện để đặt trên bảng và gắn kết.
Để làm việc với bộ khuếch đại tần số thấp trên vi mạch, rất hữu ích nếu biết những điều cơ bản về đại số logic, cũng như nguyên tắc hoạt động của các phần tử logic VÀ KHÔNG, HOẶC KHÔNG.
Hầu hết mọi thiết bị điện tử đều có thể được lắp ráp trên các phần tử logic, nhưng trong trường hợp này, nhiều mạch sẽ trở nên cồng kềnh và bất tiện cho việc lắp đặt.
Vì vậy, việc sử dụng các mạch tích hợp làm sẵn thực hiện chức năng ULF dường như là lựa chọn thực tế thuận tiện nhất.
Cải tiến chương trình
Ở trên là một ví dụ về cách bạn có thể cải thiện tín hiệu khuếch đại khi làm việc với bóng bán dẫn lưỡng cực và bóng bán dẫn hiệu ứng trường (bằng cách kết nối song song tụ điện và điện trở).
Việc nâng cấp cấu trúc như vậy có thể được thực hiện với hầu hết mọi chương trình. Tất nhiên, sự ra đời của các yếu tố mới sẽ làm tănggiảm điện áp (tổn thất), nhưng nhờ vào điều này, các đặc tính của các mạch khác nhau có thể được cải thiện. Ví dụ, tụ điện là bộ lọc tần số tuyệt vời.
Trên các phần tử điện trở, điện dung hoặc cảm ứng, nên thu thập các bộ lọc đơn giản nhất để lọc ra các tần số không được rơi vào mạch. Bằng cách kết hợp các phần tử điện trở và điện dung với bộ khuếch đại hoạt động, có thể lắp ráp các bộ lọc hiệu quả hơn (bộ tích hợp, bộ phân biệt Sallen-Key, bộ lọc rãnh và dải thông).
Trong kết luận
Các thông số quan trọng nhất của bộ khuếch đại tần số là:
- tăng;
- hệ số méo tín hiệu;
- công suất đầu ra.
Bộ khuếch đại tần số thấp thường được sử dụng nhất trong thiết bị âm thanh. Bạn có thể thu thập dữ liệu thiết bị thực tế trên các yếu tố sau:
- trên ống chân không;
- trên bóng bán dẫn;
- trên bộ khuếch đại hoạt động;
- trên khoai tây chiên thành phẩm.
Các đặc tính của bộ khuếch đại tần số thấp có thể được cải thiện bằng cách đưa vào các phần tử điện trở, điện dung hoặc cảm ứng.
Mỗi sơ đồ trên đều có ưu và nhược điểm riêng: một số bộ khuếch đại lắp ráp đắt tiền, một số bộ khuếch đại có thể đi vào trạng thái bão hòa, đối với một số bộ khuếch đại thì rất khó để phối hợp các yếu tố được sử dụng. Luôn có những tính năng mà nhà thiết kế amp phải xử lý.
Sử dụng tất cả các khuyến nghị được đưa ra trong bài viết này, bạn có thể xây dựng bộ khuếch đại của riêng mình để sử dụng tại nhàthay vì mua thiết bị này, có thể tốn rất nhiều tiền khi nói đến thiết bị chất lượng cao.
