تقویت کننده فرکانس پایین (که از این پس ULF نامیده می شود) یک دستگاه الکترونیکی است که برای تقویت نوسانات فرکانس پایین به نوسان مورد نیاز مصرف کننده طراحی شده است. آنها را می توان بر روی عناصر مختلف الکترونیکی مانند انواع مختلف ترانزیستورها، لوله ها یا تقویت کننده های عملیاتی اجرا کرد. همه ULF ها تعدادی پارامتر دارند که اثربخشی کار آنها را مشخص می کند.
این مقاله در مورد استفاده از چنین دستگاهی، پارامترهای آن، روش های ساخت با استفاده از قطعات مختلف الکترونیکی صحبت خواهد کرد. مدار تقویت کننده های فرکانس پایین نیز در نظر گرفته خواهد شد.
برنامه ULF
ULF اغلب در تجهیزات بازتولید صدا استفاده می شود، زیرا در این زمینه از فناوری اغلب لازم است فرکانس سیگنال را به اندازه ای که بدن انسان می تواند درک کند (از 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز) تقویت شود..
سایر برنامه های کاربردی ULF:
- فناوری اندازه گیری؛
- نقایص;
- محاسبات آنالوگ.
به طور کلی، تقویت کننده های باس به عنوان اجزای مدارهای الکترونیکی مختلف، مانند رادیو، دستگاه های صوتی، تلویزیون، یا فرستنده های رادیویی یافت می شوند.
پارامترها
مهمترین پارامتر برای تقویت کننده بهره است. به عنوان نسبت خروجی به ورودی محاسبه می شود. بسته به مقدار مورد نظر، آنها را متمایز می کنند:
- سود جریان=جریان خروجی / جریان ورودی؛
- افزایش ولتاژ=ولتاژ خروجی / ولتاژ ورودی؛
- افزایش توان=توان خروجی / توان ورودی.
برای برخی از دستگاه‌ها، مانند op-amp، مقدار این ضریب بسیار بزرگ است، اما کار با اعداد خیلی بزرگ (و همچنین خیلی کوچک) در محاسبات ناخوشایند است، بنابراین سود اغلب به صورت لگاریتمی بیان می‌شود. واحدها فرمول های زیر برای این کار اعمال می شود:
- افزایش توان در واحدهای لگاریتمی=10لگاریتم بهره توان مورد نظر؛
- بهره فعلی در واحدهای لگاریتمی=20لگاریتم اعشاری بهره جریان مطلوب؛
- بهره ولتاژ در واحدهای لگاریتمی=20لگاریتم بهره ولتاژ مورد نظر.
ضرایب محاسبه شده به این روش بر حسب دسی بل اندازه گیری می شوند. نام اختصاری - dB.
پارامتر مهم بعدیتقویت کننده - ضریب اعوجاج سیگنال. درک این نکته مهم است که تقویت سیگنال در نتیجه دگرگونی ها و تغییرات آن اتفاق می افتد. نه این واقعیت که همیشه این تحولات به درستی رخ می دهد. به همین دلیل، سیگنال خروجی ممکن است از نظر شکل با سیگنال ورودی متفاوت باشد.
تقویت کننده های ایده آل وجود ندارند، بنابراین اعوجاج همیشه وجود دارد. درست است، در برخی موارد از حدود مجاز فراتر نمی روند، در حالی که در برخی موارد فراتر می روند. اگر هارمونیک سیگنال های خروجی تقویت کننده با هارمونیک سیگنال های ورودی منطبق باشد، اعوجاج خطی است و تنها به تغییر دامنه و فاز کاهش می یابد. اگر هارمونیک های جدیدی در خروجی ظاهر شوند، اعوجاج غیرخطی است، زیرا منجر به تغییر شکل سیگنال می شود.
به عبارت دیگر، اگر اعوجاج خطی باشد و سیگنال "a" در ورودی تقویت کننده وجود داشته باشد، خروجی سیگنال "A" خواهد بود و اگر غیر خطی باشد، آنگاه خروجی یک سیگنال "B" خواهد بود.
آخرین پارامتر مهمی که عملکرد تقویت کننده را مشخص می کند، توان خروجی است. انواع قدرت:
- Rated.
- صدای گذرنامه.
- حداکثر کوتاه مدت.
- حداکثر بلندمدت.
هر چهار نوع توسط GOSTها و استانداردهای مختلف استاندارد شده اند.
Vamplifiers
از لحاظ تاریخی، اولین تقویت کننده ها بر روی لوله های خلاء ساخته شدند که متعلق به کلاس دستگاه های خلاء هستند.
بسته به الکترودهای واقع در داخل فلاسک هرمتیک، لامپ ها متمایز می شوند:
- دیود;
- triodes;
- tetrodes;
- pentodes.
حداکثرتعداد الکترودها هشت عدد است. دستگاه‌های الکترووکیوم مانند کلیسترون نیز وجود دارد.
تقویت کننده تریود
اول از همه، ارزش درک طرح سوئیچینگ را دارد. شرح مدار تقویت کننده تریود فرکانس پایین در زیر آورده شده است.
رشته ای که کاتد را گرم می کند انرژی می گیرد. ولتاژ نیز به آند اعمال می شود. تحت تأثیر دما، الکترونها از کاتد خارج می‌شوند که به سمت آند می‌روند و پتانسیل مثبت روی آن اعمال می‌شود (الکترونها پتانسیل منفی دارند).
بخشی از الکترونها توسط الکترود سوم - شبکه‌ای که ولتاژ به آن اعمال می‌شود و فقط متناوب است، قطع می‌شود. با کمک شبکه، جریان آند (جریان در مدار به طور کلی) تنظیم می شود. اگر پتانسیل منفی زیادی به شبکه اعمال شود، تمام الکترون‌های کاتد روی آن می‌نشینند و جریانی از لامپ عبور نمی‌کند، زیرا جریان یک حرکت جهت‌دار الکترونها است و شبکه این حرکت را مسدود می‌کند.
بهره لامپ مقاومتی را که بین منبع تغذیه و آند متصل است تنظیم می کند. موقعیت مورد نظر نقطه عملیاتی را روی مشخصه ولتاژ جریان تنظیم می کند، که پارامترهای بهره به آن بستگی دارد.
چرا موقعیت نقطه عملیاتی اینقدر مهم است؟ زیرا بستگی به میزان جریان و ولتاژ (و در نتیجه توان) در مدار تقویت کننده فرکانس پایین دارد.
سیگنال خروجی در تقویت کننده تریود از ناحیه بین آند و مقاومت متصل در مقابل آن گرفته می شود.
تقویت کننده روشن استکلیسترون
اصل عملکرد تقویت کننده klystron فرکانس پایین بر اساس مدولاسیون سیگنال ابتدا در سرعت و سپس در چگالی است.
کلیسترون به صورت زیر مرتب شده است: فلاسک دارای یک کاتد است که توسط یک رشته گرم می شود و یک کلکتور (مشابه با آند). بین آنها تشدید کننده های ورودی و خروجی قرار دارند. الکترون های ساطع شده از کاتد توسط ولتاژ اعمال شده به کاتد شتاب گرفته و به سمت کلکتور می روند.
برخی از الکترونها سریعتر و برخی دیگر کندتر حرکت می کنند - مدولاسیون سرعت اینگونه به نظر می رسد. به دلیل تفاوت در سرعت حرکت، الکترون ها به پرتوها گروه بندی می شوند - اینگونه است که مدولاسیون چگالی خود را نشان می دهد. سیگنال مدوله شده چگالی وارد تشدید کننده خروجی می شود، جایی که سیگنالی با همان فرکانس، اما قدرت بیشتر از تشدید کننده ورودی ایجاد می کند.
معلوم می شود که انرژی جنبشی الکترون ها به انرژی نوسانات مایکروویو میدان الکترومغناطیسی تشدید کننده خروجی تبدیل می شود. به این ترتیب سیگنال در کلیسترون تقویت می شود.
ویژگی های تقویت کننده های الکترووکیوم
اگر کیفیت سیگنال مشابه تقویت شده توسط یک دستگاه لوله و ULF در ترانزیستورها را مقایسه کنیم، تفاوت با چشم غیرمسلح قابل مشاهده خواهد بود نه به نفع دومی.
هر نوازنده حرفه ای به شما خواهد گفت که آمپرهای تیوب بسیار بهتر از همتایان پیشرفته خود هستند.
دستگاه‌های خلاء الکتریکی مدتهاست که از مصرف انبوه خارج شده‌اند، ترانزیستورها و ریزمدارها جایگزین آنها شدند، اما این برای حوزه بازتولید صدا بی‌ربط است. به دلیل پایداری دما و خلاء داخل، دستگاه های لامپ سیگنال را بهتر تقویت می کنند.
تنها اشکال لوله ULF قیمت بالای آن است که منطقی است: تولید عناصری که تقاضای انبوه ندارند گران است.
تقویت کننده ترانزیستور دوقطبی
اغلب مراحل تقویت با استفاده از ترانزیستور مونتاژ می شوند. یک تقویت کننده ساده با فرکانس پایین را می توان تنها از سه عنصر اصلی جمع کرد: یک خازن، یک مقاومت، و یک ترانزیستور n-p-n.
برای مونتاژ چنین تقویت کننده ای، باید امیتر ترانزیستور را زمین، یک خازن را به صورت سری به پایه آن و یک مقاومت را به صورت موازی وصل کنید. بار باید در مقابل کلکتور قرار گیرد. توصیه می شود در این مدار یک مقاومت محدود کننده به کلکتور متصل کنید.
ولتاژ تغذیه مجاز چنین مدار تقویت کننده فرکانس پایینی از 3 تا 12 ولت متغیر است. مقدار مقاومت باید به صورت تجربی انتخاب شود، با در نظر گرفتن این واقعیت که مقدار آن باید حداقل 100 برابر مقاومت بار باشد. مقدار خازن می تواند از 1 تا 100 میکروفاراد متغیر باشد. ظرفیت آن بر مقدار فرکانسی که تقویت کننده می تواند در آن کار کند تأثیر می گذارد. هرچه ظرفیت خازنی بزرگتر باشد، رتبه فرکانسی که ترانزیستور می تواند تقویت کند کمتر است.
سیگنال ورودی تقویت کننده ترانزیستور دوقطبی فرکانس پایین به خازن اعمال می شود. قطب مثبت برق باید به نقطه اتصال بار و مقاومت به صورت موازی با پایه و خازن وصل شود.
برای بهبود کیفیت چنین سیگنالی، می توانید یک خازن و مقاومت موازی متصل به امیتر وصل کنید که نقش بازخورد منفی را بازی می کند.
تقویت کننده با دو ترانزیستور دوقطبی
برای افزایش بهره، می توانید دو ترانزیستور ULF را به یک ترانزیستور متصل کنید. سپس می توان سود این دستگاه ها را چند برابر کرد.
اگرچه اگر به افزایش تعداد مراحل تقویت ادامه دهید، شانس خود تحریکی تقویت کننده ها افزایش می یابد.
تقویت کننده ترانزیستور اثر میدان
تقویت کننده های فرکانس پایین نیز بر روی ترانزیستورهای اثر میدانی مونتاژ می شوند (که از این پس به عنوان PT نامیده می شود). مدارهای چنین دستگاه هایی با مدارهایی که روی ترانزیستورهای دوقطبی مونتاژ می شوند تفاوت چندانی ندارند.
تقویت کننده گیت n-کانال FET (نوع ITF) به عنوان مثال در نظر گرفته می شود.
یک خازن به صورت سری به زیرلایه این ترانزیستور وصل می شود و یک تقسیم کننده ولتاژ به صورت موازی متصل می شود. یک مقاومت به منبع FET متصل است (همچنین می توانید از اتصال موازی خازن و مقاومت همانطور که در بالا توضیح داده شد استفاده کنید). یک مقاومت محدود کننده و قدرت به تخلیه متصل می شود و یک ترمینال بار بین مقاومت و تخلیه ایجاد می شود.
سیگنال ورودی تقویت کننده های ترانزیستوری اثر میدانی فرکانس پایین به گیت اعمال می شود. این کار نیز از طریق یک خازن انجام می شود.
همانطور که از توضیح می بینید، ساده ترین مدار تقویت کننده ترانزیستور اثر میدانی هیچ تفاوتی با مدار تقویت کننده ترانزیستور دوقطبی فرکانس پایین ندارد.
اما هنگام کار با PT باید ویژگی های زیر را در نظر گرفت:
- FET بالا Rinput=I / Ugate-source. ترانزیستورهای اثر میدانی توسط یک میدان الکتریکی کنترل می شوند.که در اثر استرس ایجاد می شود. بنابراین، FET ها با ولتاژ کنترل می شوند، نه جریان.
- FET ها تقریباً هیچ جریانی مصرف نمی کنند، که مستلزم اعوجاج جزئی سیگنال اصلی است.
- در ترانزیستورهای اثر میدانی تزریق بار وجود ندارد، بنابراین سطح نویز این عناصر بسیار پایین است.
- مقاوم در برابر دما هستند.
عیب اصلی FET ها حساسیت بالای آنها به الکتریسیته ساکن است.
خیلی ها با شرایطی آشنا هستند که در آن چیزهای به ظاهر نارسانا به شخص شوک می زند. این تجلی الکتریسیته ساکن است. اگر چنین ضربه ای به یکی از کنتاکت های ترانزیستور اثر میدان اعمال شود، عنصر را می توان غیرفعال کرد.
بنابراین هنگام کار با PT، بهتر است مخاطبین را با دست خود نگیرید تا به طور تصادفی به عنصر آسیب نرسانید.
دستگاه OpAmp
تقویت کننده عملیاتی (که از این پس op-amp نامیده می شود) دستگاهی با ورودی های متفاوت است که بهره بسیار بالایی دارد.
تقویت سیگنال تنها عملکرد این عنصر نیست. همچنین می تواند به عنوان یک تولید کننده سیگنال کار کند. با این وجود، این ویژگی های تقویت کننده آن است که برای کار با فرکانس های پایین مورد توجه است.
برای ساختن یک تقویت کننده سیگنال از یک آپ امپ، باید مدار بازخوردی را که یک مقاومت معمولی است به درستی به آن وصل کنید. چگونه بفهمیم این مدار را کجا وصل کنیم؟ برای این کار باید به مشخصه انتقال op-amp مراجعه کنید. دارای دو بخش افقی و یک بخش خطی است. اگر نقطه عملیاتیدستگاه در یکی از بخش های افقی قرار دارد، سپس آپ امپ در حالت ژنراتور (حالت پالس) کار می کند، اگر در یک بخش خطی قرار گیرد، آپمپ سیگنال را تقویت می کند.
برای انتقال op-amp به حالت خطی، باید مقاومت بازخورد را با یک تماس به خروجی دستگاه و دیگری را به ورودی معکوس متصل کنید. این شامل بازخورد منفی (NFB) نامیده می شود.
اگر لازم است سیگنال فرکانس پایین تقویت شود و در فاز تغییر نکند، ورودی معکوس با OOS باید زمین شود و سیگنال تقویت شده باید به ورودی غیر معکوس اعمال شود. اگر نیاز به تقویت سیگنال و تغییر فاز آن به میزان 180 درجه باشد، ورودی غیر معکوس باید زمین شود و سیگنال ورودی باید به وارونه متصل شود.
در این مورد، نباید فراموش کنیم که تقویت کننده عملیاتی باید با توانی با قطبیت مخالف تغذیه شود. برای این، او سرنخ های تماس ویژه ای دارد.
مهم است که توجه داشته باشید که کار با چنین دستگاه هایی گاهی اوقات برای انتخاب عناصر برای مدار تقویت کننده فرکانس پایین دشوار است. هماهنگی دقیق آنها نه تنها از نظر مقادیر اسمی، بلکه از نظر موادی که از آنها ساخته شده اند نیز لازم است تا به پارامترهای بهره مورد نظر دست یابند.
تقویت کننده روی تراشه
ULF را می توان روی عناصر الکترو وکیوم و روی ترانزیستورها و تقویت کننده های عملیاتی مونتاژ کرد، فقط لوله های خلاء قرن گذشته هستند و بقیه مدارها بدون نقص نیستند که اصلاح آنها ناگزیر طراحی را پیچیده می کند. تقویت کننده این ناخوشایند است.
مهندسان مدتهاست که گزینه راحت تری برای ایجاد ULF پیدا کرده اند: صنعت ریزمدارهای آماده ای تولید می کند که به عنوان تقویت کننده عمل می کنند.
هر یک از این مدارها مجموعه ای از آپ امپ ها، ترانزیستورها و سایر عناصر هستند که به روش خاصی به هم متصل شده اند.
نمونه هایی از برخی سری های ULF به شکل مدارهای مجتمع:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
همه سری های فوق در تجهیزات صوتی استفاده می شوند. هر مدل ویژگی های متفاوتی دارد: ولتاژ منبع تغذیه، توان خروجی، بهره.
آنها به شکل عناصر کوچک با پین های زیاد ساخته می شوند که برای قرار دادن آنها روی تخته و نصب راحت است.
برای کار با یک تقویت کننده فرکانس پایین روی یک ریزمدار، دانستن اصول جبر منطقی و همچنین اصول عملکرد عناصر منطقی و نه، یا نه مفید است..
تقریباً هر وسیله الکترونیکی را می توان بر روی عناصر منطقی مونتاژ کرد، اما در این صورت، بسیاری از مدارها برای نصب حجیم و نامناسب خواهند بود.
بنابراین، استفاده از مدارهای مجتمع آماده ای که عملکرد ULF را انجام می دهند راحت ترین گزینه عملی به نظر می رسد.
بهبود طرح
مورد بالا نمونه ای از نحوه بهبود سیگنال تقویت شده هنگام کار با ترانزیستورهای دوقطبی و اثر میدانی (با اتصال یک خازن و مقاومت به صورت موازی) بود.
چنین ارتقاء ساختاری تقریباً با هر طرحی قابل انجام است. البته ورود عناصر جدید افزایش می یابدافت ولتاژ (تلفات)، اما به لطف این می توان خواص مدارهای مختلف را بهبود بخشید. به عنوان مثال، خازن ها فیلترهای فرکانس عالی هستند.
در عناصر مقاومتی، خازنی یا القایی، توصیه می شود ساده ترین فیلترها را جمع آوری کنید که فرکانس هایی را که نباید در مدار قرار بگیرند فیلتر می کنند. با ترکیب عناصر مقاومتی و خازنی با تقویت‌کننده‌های عملیاتی، می‌توان فیلترهای کارآمدتری (انتگرال‌دهنده، متمایزکننده‌های Sallen-Key، فیلترهای ناچ و باند گذر) را مونتاژ کرد.
در نتیجه
مهمترین پارامترهای تقویت کننده فرکانس عبارتند از:
- سود؛
- ضریب اعوجاج سیگنال؛
- خروجی برق.
تقویت کننده های فرکانس پایین اغلب در تجهیزات صوتی استفاده می شوند. شما می توانید داده های دستگاه را عملاً بر روی عناصر زیر جمع آوری کنید:
- روی لوله های خلاء؛
- روی ترانزیستورها؛
- در تقویت کننده های عملیاتی؛
- روی تراشه های تمام شده.
ویژگی های تقویت کننده های فرکانس پایین را می توان با معرفی عناصر مقاومتی، خازنی یا القایی بهبود بخشید.
هر یک از طرح‌های بالا مزایا و معایب خاص خود را دارد: جمع‌آوری برخی تقویت‌کننده‌ها گران است، برخی ممکن است به حالت اشباع بروند، برای برخی هماهنگ کردن عناصر مورد استفاده دشوار است. همیشه ویژگی هایی وجود دارد که طراح آمپلی فایر باید با آنها سر و کار داشته باشد.
با استفاده از تمام توصیه های ارائه شده در این مقاله، می توانید تقویت کننده خود را برای مصارف خانگی بسازید.به جای خرید این دستگاه، که می تواند هزینه زیادی برای دستگاه های با کیفیت بالا داشته باشد.
