Схема підсилювача низької частоти. Класифікація та принцип роботи УНЧ

Підсилювач низьких частот (далі УНЧ) – електронний пристрій, призначений для підсилення коливань низької частоти до тієї, яка необхідна споживачеві. Вони можуть виконуватися на різних електронних елементах начебто транзисторів різних типів ламп або операційних підсилювачів. Всі УНЧ володіють рядом параметрів, які характеризують ефективність їх роботи. У даній статті буде розказано про застосування такого пристрою, його параметри, способи побудови з допомогою різних електронних компонентів. Також буде розглянуто схемотехніка підсилювачів низької частоти.

Застосування УНЧ

Найчастіше УНЧ використовується в апаратурі для відтворення звуку, тому що в даній області техніки часто необхідно посилювати частоту сигналу до тієї, яку може сприймати людський організм (від 20 Гц до 20 кГц).


Інші області застосування УНЧ: вимірювальна техніка; дефектоскопія; аналогова обчислювальна техніка. В загалом підсилювачі низьких частот зустрічаються в якості складових компонентів різних електронних схем, наприклад, радіоприймачів, акустичних пристроїв, телевізорів або радіопередавачів.

Параметри

Найважливіший параметр для підсилювача, – коефіцієнт підсилення. Він розраховується, як відношення вихідного сигналу до вхідного. Залежно від розглянутої величини, розрізняють: коефіцієнт посилення по струму = вихідний ток /вхідний струм; коефіцієнт посилення по напрузі = вихідна напруга /вхідна напруга; коефіцієнт посилення по потужності = вихідна потужність /вхідна потужність. Для деяких пристроїв на зразок операційних підсилювачів значення цього коефіцієнта дуже велике, але працювати з дуже великими (так само як і з дуже малими) числами при обчисленнях незручно, тому часто коефіцієнти підсилення виражають у логарифмічних одиницях. Для цього застосовуються такі формули:


коефіцієнт посилення по потужності в логарифмічних одиницях = 10 * десятковий логарифм шуканого коефіцієнта посилення по потужності; коефіцієнт посилення по струму в логарифмічних одиницях = 20 * десятковий логарифм шуканого коефіцієнта посилення по струму; коефіцієнт посилення по напрузі в логарифмічних одиницях = 20 * десятковий логарифм шуканого коефіцієнта посилення по напрузі. Розраховані таким чином коефіцієнти вимірюються в децибелах. Скорочене найменування – дБ. Наступний важливий параметр підсилювача – коефіцієнт спотворення сигналу. Важливо розуміти, що посилення сигналу відбувається в результаті його перетворень і змін. Не факт, що завжди ці перетворення будуть відбуватися коректно. З цієї причини вихідний сигнал може відрізнятися від вхідного, наприклад, за формою. Ідеальних підсилювачів не існує, тому спотворення завжди мають місце. Щоправда, в одних випадках вони не виходять за допустимі межі, а в інших – виходять. Якщо гармоніки сигналів на виході підсилювача збігаються з гармоніками вхідних сигналів, то лінійні спотворення і зводяться лише до зміни амплітуди і фази. Якщо ж на виході з'являються нові гармоніки, то нелінійні спотворення, тому що призводять до зміни форми сигналу.
Простіше кажучи, якщо лінійні спотворення і на вході підсилювача був сигнал «а», то на виході буде сигнал «А», а якщо нелінійні, то на виході буде сигнал «Б». Заключний важливий параметр, що характеризує роботу підсилювача, це вихідна потужність. Різновиди потужності: Номінальна. Паспортна шумова. Максимальна короткочасна. Максимальна довготривала. Всі чотири типи нормуються різними ГОСТами і стандартами.

Підсилювачі на лампах

Історично перші підсилювачі створювалися на електронних лампах, які відносяться до класу електровакуумних приладів. Залежно від розташованих усередині герметичної колби лампи електродів розрізняють: діоди; триоды; тетроды; пентоды. Максимальна кількість електродів – вісім. Існують також такі електровакуумні прилади, як клістрони.

Підсилювач на тріоді

Для початку варто розібратися зі схемою включення. Опис схеми підсилювача низької частоти на тріоді наведено далі. На нитку розжарення, яка нагріває катод, подається напруга. Також напруга подається на анод. З катода під дією температури вибиваються електрони, які спрямовуються до анода, на який подано позитивний потенціал (у електронів потенціал негативний). Частина електронів перехоплюється третім електродом – сіткою, до якої також підведено напругу, тільки змінну. За допомогою сітки регулюється анодний струм (струм в схемі в цілому). Якщо на сітку подати великий негативний потенціал, всі електрони з катода осядуть на ній, а через лампу не буде протікати струм, тому що струм – це спрямований рух електронів, а сітка це рух перекриває.
Коефіцієнт підсилення лампи регулює резистор, який підключений між джерелом живлення і анодом. Він задає потрібне положення робочої точки на вольт-амперній характеристиці, від якого залежать параметри посилення. Чому положення робочої точки так важливо? Тому що від нього залежить, наскільки буде підсилений струм і напруга (отже, і потужність) в схемі підсилювача низької частоти. Вихідний сигнал на триодном підсилювачі знімається з ділянки між анодом і резистором, включеним перед ним.

Підсилювач на клістроні

Принцип роботи підсилювача низької частоти на клістроні заснований на модуляції сигналу спочатку по швидкості, а потім по щільності. Клистрон влаштований таким чином: у колбі є катод, що нагрівається ниткою розжарення, і колектор (аналог анода). Між ними розташовані вхідний і вихідний резонатори. Електрони, що випускаються з катода, прискорюються напругою, підведеного до катода, і спрямовуються до колектора. Одні електрони будуть рухатися швидше, інші повільніше – так виглядає модуляція по швидкості. З-за різниці в швидкості руху електрони групуються в пучки – так проявляється модуляція по щільності. Модульований по щільності сигнал потрапляє на вихідний резонатор, де створює сигнал тієї ж частоти, але більшої потужності, ніж у вхідного резонатора. Виходить, що кінетична енергія електронів перетворюється в енергію НВЧ-коливань електромагнітного поля вихідного резонатора. Так відбувається посилення сигналу в клістроні.

Особливості електровакуумних підсилювачів

Якщо порівняти якість одного і того ж сигналу, посиленого ламповим пристроєм і УНЧ на транзисторах, то різниця буде видна неозброєним оком не на користь останнього.

Будь-який професійний музикант скаже, що лампові підсилювачі куди краще своїх просунутих аналогів. Електровакуумні прилади давно вийшли з масового споживання, їм на зміну прийшли транзистори і мікросхеми, але це неактуально для області відтворення звуку. За рахунок температурної стабільності і вакууму всередині лампові прилади краще підсилюють сигнал. Єдиний недолік лампового УНЧ – висока ціна, що логічно: дорого випускати елементи, які не користуються масовим попитом.

Підсилювач на біполярному транзисторі

Часто підсилювальні каскади збираються з використанням транзисторів. Простий підсилювач низької частоти можна зібрати всього з трьох основних елементів: конденсатора, резистора і n-p-n транзистора. Для складання такого підсилювача знадобиться заземлити емітер транзистора, приєднати до його базі послідовно конденсатор, а паралельно – резистор. Навантаження слід розташовувати перед колектором. До колектору в даній схемі доцільно підключити обмежувальний резистор. Допустима напруга живлення такої схеми підсилювача низької частоти варіюється від 3 до 12 вольт. Номінал резистора слід вибирати експериментально з урахуванням того, що його величина повинна бути мінімум в 100 разів більше опору навантаження. Номінал конденсатора може варіюватися від 1 до 100 мкФ. Його ємність впливає на величину частоти, з якою може працювати підсилювач. Чим більше місткість, тим нижче номінал частоти, яку може посилювати транзистор.
Вхідний сигнал підсилювача низької частоти на біполярному транзисторі подається на конденсатор. Позитивний полюс живлення слід з'єднати з точкою з'єднання резистора навантаження і, паралельно сполученого з базою і конденсатором. Щоб покращити якість такого сигналу, можна підключити до емітером паралельно з'єднані конденсатор і резистор, що грають роль негативного зворотного зв'язку.

Підсилювач на двох біполярних транзисторах

Щоб підвищити коефіцієнт підсилення, можна з'єднати два одиночних УНЧ на транзисторах в один. Тоді коефіцієнти підсилення цих пристроїв можна буде збільшити. Хоча якщо продовжувати нарощувати кількість підсилювальних каскадів, то буде збільшуватися шанс самозбудження підсилювачів.

Підсилювач на польовому транзисторі

Підсилювачі низьких частот збирають і на польових транзисторах (далі ПТ). Схеми таких пристроїв ненабагато відрізняються від тих, що збираються на біполярних транзисторах. В якості прикладу буде розглянутий підсилювач на польовому транзисторі з ізольованим затвором з n-каналом (МДП типу). До підкладці даного транзистора послідовно підключається конденсатор, паралельно – дільник напруги. До витоку ПТ підключається резистор (можна також використовувати паралельне з'єднання конденсатора і резистора, як описано вище). До стоку підключається обмежувальний резистор і харчування, а між резистором і стоком створюється висновок на навантаження. Вхідний сигнал до підсилювачів низької частоти на польових транзисторах подається на затвор. Здійснюється це також через конденсатор. Як видно з пояснення, схема найпростішого підсилювача на польовому транзисторі нічим не відрізняється від схеми підсилювача низької частоти на біполярному транзисторі. Правда, при роботі з ПТ варто враховувати такі особливості даних елементів: У ПТ високу R вхідна = I /U затвор-витік . Польові транзистори управляються електричним полем, яке утворюється за рахунок напруги. Отже, ПТ управляються напругою, а не струмом. ПТ майже не споживають струм, що тягне за собою слабку спотворення вихідного сигналу. В польових транзисторах немає інжекції зарядів, тому рівень шумів даних елементів дуже низький. Вони стійкі до зміни температури. Головний недолік польових транзисторів – висока чутливість до статичної електрики. Багатьом знайома ситуація, коли, здавалося б, неструмопровідними речі б'ють людини струмом. Це і є прояв статичної електрики. Якщо такий імпульс подати на один з контактів польового транзистора, можна вивести елемент з ладу. Таким чином, при роботі з ПТ краще не братися руками за контакти, щоб випадково не пошкодити елемент.

Пристрій на операційному підсилювачі

Операційний підсилювач (далі ОП) – пристрій з диференційованими входами, що володіє дуже високим коефіцієнтом посилення. Посилення сигналу – не єдина функція цього елемента. Він може працювати і як генератор сигналів. Тим не менше для роботи з низькими частотами цікаві саме його підсилювальні властивості. Щоб з ОУ зробити підсилювач сигналів, необхідно грамотно підключити до нього ланцюг зворотного зв'язку, яка представляє з себе звичайний резистор. Як зрозуміти, куди підключати цю ланцюг? Для цього потрібно звернутися до передатної характеристики ОУ. Вона має два горизонтальних і один лінійний ділянку. Якщо робоча точка пристрою розташована на одному з горизонтальних ділянок, то ОУ працює в режимі генератора (імпульсний режим), якщо вона знаходиться на лінійному ділянці, то ОУ підсилює сигнал. Щоб перевести ОУ в лінійний режим, потрібно підключити резистор зворотного зв'язку одним контактом до виходу пристрою, а іншим – до інвертуючого входу. Таке включення називається негативною зворотної зв'язком (ООС). Якщо потрібно, щоб сигнал низької частоти посилювався і не змінювався по фазі, то інвертуючий вхід з ООС слід заземлити, а на неінвертуючий вхід подати підсилюваний сигнал. Якщо ж необхідно посилити сигнал і змінити його фази на 180 градусів, то неінвертуючий вхід потрібно заземлити, а на інвертуючий подати вхідний сигнал. При цьому не можна забувати, що на операційний підсилювач необхідно подавати живлення протилежних полярностей. Для цього у нього є спеціальні контактні висновки. Важливо зауважити, що роботи з такими пристроями іноді буває складно підібрати елементи для схеми підсилювача низької частоти. Потрібно їх ретельне узгодження не тільки за номінальним значенням, але й за матеріалами, з яких вони виготовлені, для досягнення потрібних параметрів підсилення.

Підсилювач на мікросхемі

УНЧ можна збирати і електровакуумних елементах, і на транзисторах, і на операційних підсилювачах, тільки електронні лампи – це минулий вік, а інші схеми не позбавлені недоліків, виправлення яких неминуче спричиняє ускладнення конструкції підсилювача. Це незручно. Інженери давно знайшли більш зручний варіант створення УНЧ: промисловістю випускаються готові мікросхеми, що виконують роль підсилювачів. Кожна з таких схем – набір ОУ, транзисторів та інших елементів, з'єднаних певним чином. Приклади деяких серій УНЧ у вигляді інтегральних мікросхем: TDA7057Q. К174УН7. TDA1518BQ. TDA2050. Всі наведені вище серії застосовуються в відеоапаратури. Кожна з моделей має різні характеристики: напруга живлення, вихідну потужність, коефіцієнти підсилення. Вони виготовляються у вигляді невеликих елементів з безліччю висновків, які зручно розташовувати на платі і монтувати. Для роботи з підсилювачем низької частоти на мікросхемі корисно знати ази алгебри логіки, а також принципи роботи логічних елементів І-НЕ, АБО-НЕ. На логічних елементах можна зібрати практично будь-які електронні пристрої, але в цьому випадку багато схеми будуть виходити громіздкими і незручними для монтажу. Тому застосування готових інтегральних мікросхем, які виконують функцію УНЧ, видається найбільш зручним практичним варіантом.

Поліпшення схем

Вище було наведено приклад того, як можна поліпшити підсилюваний сигнал при роботі з біполярними і польовими транзисторами (підключенням паралельного з'єднання конденсатора і резистора). Подібні конструкційні модернізації можна проводити практично з будь-якими схемами. Звичайно, впровадження нових елементів збільшує падіння напруги (втрати), але завдяки цьому можна поліпшити властивості різних схем. Наприклад, конденсатори є відмінними фільтрами частот. На резистивних, ємнісних або індуктивних елементах рекомендується збирати найпростіші фільтри, відсівати частоти, які не повинні потрапляти в схему. Комбінуючи резистивні та ємнісні елементи з операційними підсилювачами, можна збирати більш ефективні фільтри (інтегратори, дифференциаторы за схемою Саллена-Ки, режекторние і смугові фільтри).

На закінчення

Найважливішими параметрами підсилювачів частот є: коефіцієнт підсилення; коефіцієнт спотворення сигналу; вихідна потужність. Підсилювачі низьких частот частіше всього використовуються в звуковій апаратурі. Збирати дані пристрої можна практично на наступних елементах: на електровакуумних лампах; на транзисторах; на операційних підсилювачах; на готових мікросхемах. Характеристики підсилювачів низької частоти можна покращувати за рахунок введення резистивних, ємнісних або індуктивних елементів. Кожна зі схем, наведених вище, володіє своїми достоїнствами і недоліками: якісь підсилювачі дорого збирати, які можуть піти в насичення, для деяких складно узгодити використовувані елементи. Завжди є особливості, з якими людині, що займається конструюванням підсилювачів, доводиться рахуватися. Користуючись усіма рекомендаціями, що наведені у цій статті, можна зібрати власний підсилювач для домашнього використання замість того, щоб купувати це обладнання, яке може коштувати великих грошей, якщо мова йде про приладах високої якості.