Усилитель низкой частоты схема. Усилитель низкой частоты: схемы, принцип работы и особенности конструкции

Что такое усилитель низкой частоты. Как работают УНЧ на транзисторах, лампах и микросхемах. Какие бывают классы усилителей. Как улучшить качество звучания УНЧ. Какие параметры важны при конструировании усилителя.

Что такое усилитель низкой частоты и для чего он нужен

Усилитель низкой частоты (УНЧ) — это электронное устройство, предназначенное для усиления электрических колебаний звуковой частоты. Основная задача УНЧ — увеличить мощность входного звукового сигнала до уровня, необходимого для нормальной работы акустической системы.

Области применения УНЧ:

• Бытовая аудиоаппаратура (музыкальные центры, домашние кинотеатры)
• Профессиональное звуковое оборудование (концертные усилители, студийная техника)
• Автомобильные аудиосистемы
• Телевизоры, радиоприемники
• Измерительная техника

Основные параметры и характеристики УНЧ

При разработке и оценке качества усилителей низкой частоты учитывают следующие важные параметры:

• Коэффициент усиления по мощности — во сколько раз выходная мощность больше входной
• Коэффициент нелинейных искажений — показывает уровень искажений, вносимых усилителем
• Полоса пропускания частот — диапазон частот, который усиливает УНЧ
• Выходная мощность — максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку
• КПД — коэффициент полезного действия усилителя

Чем выше коэффициент усиления и выходная мощность, и чем ниже уровень искажений, тем качественнее считается усилитель. Однако на практике приходится искать компромисс между этими параметрами.

Принцип работы усилителя низкой частоты

В основе работы УНЧ лежит усиление входного сигнала с помощью активных электронных компонентов. Упрощенно принцип работы можно описать так:

1. На вход усилителя подается слабый звуковой сигнал
2. Сигнал проходит через несколько каскадов усиления на транзисторах или микросхемах
3. В каждом каскаде происходит увеличение амплитуды сигнала
4. Выходной каскад обеспечивает необходимую мощность для работы акустической системы

При этом важно обеспечить минимальные искажения исходного сигнала. Для этого применяются различные схемотехнические решения, о которых будет рассказано далее.

Классы усилителей низкой частоты

В зависимости от режима работы выходных каскадов различают несколько классов усилителей:

Класс A

Усилители класса A обеспечивают минимальные искажения сигнала, но имеют низкий КПД (не более 50%). Выходные транзисторы работают в активном режиме постоянно. Из-за большого тепловыделения требуют мощных радиаторов охлаждения.

Класс B

В усилителях класса B выходные транзисторы работают поочередно, усиливая положительную и отрицательную полуволны сигнала. КПД значительно выше, чем у класса A, но возникают искажения при переходе через ноль.

Класс AB

Промежуточный вариант между классами A и B. Обеспечивает хороший компромисс между качеством звучания и КПД. Наиболее распространенный класс в бытовой аудиотехнике.

Класс D

Импульсные усилители с высоким КПД (до 90% и выше). Работают за счет широтно-импульсной модуляции сигнала. Отличаются компактностью, но требуют сложных выходных фильтров.

Схемы усилителей на транзисторах

Рассмотрим типовые схемы транзисторных усилителей низкой частоты:

Однотактный усилитель

Простейшая схема на одном транзисторе. Используется только в маломощных устройствах из-за больших искажений.

Двухтактный усилитель

Содержит два транзистора, работающих в противофазе. Обеспечивает лучшее качество звучания по сравнению с однотактным.

Многокаскадный усилитель

Состоит из нескольких каскадов усиления на транзисторах. Позволяет получить большой коэффициент усиления при низких искажениях.

При разработке транзисторных усилителей важно правильно выбрать рабочую точку транзисторов и обеспечить температурную стабилизацию схемы.

Усилители на микросхемах

Современные УНЧ часто строятся на специализированных микросхемах-усилителях. Это позволяет упростить схему и повысить надежность устройства. Популярные серии микросхем для аудиоусилителей:

• TDA — усилители мощности до 100 Вт
• LM — предварительные усилители и УНЧ малой мощности
• STK — мощные усилители для профессиональной техники

Микросхемные усилители отличаются компактностью и простотой применения. Достаточно добавить минимум внешних компонентов согласно типовой схеме включения.

Как улучшить качество звучания УНЧ

Для повышения качества работы усилителя применяются следующие методы:

• Использование глубокой отрицательной обратной связи
• Применение комплементарных пар транзисторов
• Тщательный подбор элементов схемы
• Использование высококачественных конденсаторов в цепях питания
• Экранирование чувствительных цепей
• Разделение «земли» аналоговой и цифровой частей

Важно также обеспечить качественное питание усилителя и хорошее охлаждение силовых элементов. Это позволит снизить уровень шумов и искажений.

Практические советы по конструированию УНЧ

При самостоятельной разработке усилителя низкой частоты рекомендуется:

1. Тщательно рассчитать режимы работы транзисторов
2. Использовать современную элементную базу
3. Продумать компоновку и экранирование узлов
4. Обеспечить эффективное охлаждение силовых элементов
5. Применять качественные комплектующие (конденсаторы, резисторы)
6. Использовать печатный монтаж для снижения наводок

Начинающим конструкторам лучше начать с простых проверенных схем, постепенно усложняя конструкцию. Важно также уделить внимание измерениям параметров готового усилителя.

Схема усилителя низкой частоты. Классификация и принцип работы УНЧ — ABC IMPORT

Содержание статьи:

Усилитель низких частот (далее УНЧ) – электронное устройство, предназначенное для усиления колебаний низкой частоты до той, которая необходима потребителю. Они могут выполняться на различных электронных элементах вроде транзисторов разных типов, ламп или операционных усилителей. Все УНЧ обладают рядом параметров, которые характеризуют эффективность их работы.

В данной статье будет рассказано о применении такого устройства, его параметрах, способах построения с помощью различных электронных компонентов. Также будет рассмотрена схемотехника усилителей низкой частоты.

Вам будет интересно:Как заряжать NiMH аккумуляторы правильно

Применение УНЧ

Чаще всего УНЧ используется в аппаратуре для воспроизведения звука, потому что в данной области техники часто необходимо усиливать частоту сигнала до той, которую может воспринимать человеческий организм (от 20 Гц до 20 кГц).

Другие области применения УНЧ:

• измерительная техника;
• дефектоскопия;
• аналоговая вычислительная техника.

В целом усилители низких частот встречаются в качестве составных компонентов различных электронных схем, например, радиоприемников, акустических устройств, телевизоров или радиопередатчиков.

Параметры

Важнейший параметр для усилителя – коэффициент усиления. Он рассчитывается, как отношение выходного сигнала к входному. В зависимости от рассматриваемой величины, различают:

• коэффициент усиления по току = выходной ток / входной ток;
• коэффициент усиления по напряжению = выходное напряжение / входное напряжение;
• коэффициент усиления по мощности = выходная мощность / входная мощность.

Вам будет интересно:Как продлить жизнь батареек: способы реанимации и правила эксплуатации элементов питания

Для некоторых устройств вроде операционных усилителей значение этого коэффициента очень велико, но работать со слишком большими (равно как и со слишком малыми) числами при вычислениях неудобно, поэтому часто коэффициенты усиления выражают в логарифмических единицах. Для этого применяются следующие формулы:

• коэффициент усиления по мощности в логарифмических единицах = 10 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по мощности;
• коэффициент усиления по току в логарифмических единицах = 20 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по току;
• коэффициент усиления по напряжению в логарифмических единицах = 20 * десятичный логарифм искомого коэффициента усиления по напряжению.

Рассчитанные подобным образом коэффициенты измеряются в децибелах. Сокращенное наименование – дБ.

Следующий важный параметр усилителя – коэффициент искажения сигнала. Важно понимать, что усиление сигнала происходит в результате его преобразований и изменений. Не факт, что всегда эти преобразования будут происходить корректно. По этой причине выходной сигнал может отличаться от входного, например, по форме.

Вам будет интересно:Датчик движения ИЭК: обзор, характеристики и отзывы

Идеальных усилителей не существует, поэтому искажения всегда имеют место. Правда, в одних случаях они не выходят за допустимые границы, а в других – выходят. Если гармоники сигналов на выходе усилителя совпадают с гармониками входных сигналов, то искажения линейные и сводятся лишь к изменению амплитуды и фазы. Если же на выходе появляются новые гармоники, то искажения нелинейные, потому что приводят к изменению формы сигнала.

Проще говоря, если искажения линейные и на входе усилителя был сигнал «а», то на выходе будет сигнал «А», а если нелинейные, то на выходе будет сигнал «Б».

Заключительный важный параметр, характеризующий работу усилителя, это выходная мощность. Разновидности мощности:

Номинальная.

Паспортная шумовая.

Максимальная кратковременная.

Максимальная долговременная.

Все четыре типа нормируются различными ГОСТами и стандартами.

Усилители на лампах

Исторически первые усилители создавались на электронных лампах, которые относятся к классу электровакуумных приборов.

В зависимости от расположенных внутри герметичной колбы лампы электродов различают:

• диоды;
• триоды;
• тетроды;
• пентоды.

Максимальное количество электродов – восемь. Существуют также такие электровакуумные приборы, как клистроны.

Усилитель на триоде

Для начала стоит разобраться со схемой включения. Описание схемы усилителя низкой частоты на триоде приведено далее.

На нить накала, которая нагревает катод, подается напряжение. Также напряжение подается на анод. С катода под действием температуры выбиваются электроны, которые устремляются к аноду, на который подан положительный потенциал (у электронов потенциал отрицательный).

Часть электронов перехватывается третьим электродом – сеткой, к которой также подведено напряжение, только переменное. С помощью сетки регулируется анодный ток (ток в схеме в целом). Если на сетку подать большой отрицательный потенциал, все электроны с катода осядут на ней, а через лампу не будет протекать ток, потому что ток – направленное движение электронов, а сетка это движение перекрывает.

Коэффициент усиления лампы регулирует резистор, который подключен между источником питания и анодом. Он задает нужное положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике, от которого и зависят параметры усиления.

Почему положение рабочей точки так важно? Потому что от него зависит, насколько будет усилен ток и напряжение (следовательно, и мощность) в схеме усилителя низкой частоты.

Выходной сигнал на триодном усилителе снимается с участка между анодом и резистором, включенным перед ним.

Вам будет интересно:Датчики для «Умного дома»: виды и назначение

Усилитель на клистроне

Принцип работы усилителя низкой частоты на клистроне основан на модуляции сигнала сначала по скорости, а затем по плотности.

Клистрон устроен следующим образом: в колбе есть катод, нагреваемый нитью накала, и коллектор (аналог анода). Между ними расположены входной и выходной резонаторы. Электроны, испускаемые с катода, ускоряются напряжением, подведенным к катоду, и устремляются к коллектору.

Одни электроны будут двигаться быстрее, другие медленнее – так выглядит модуляция по скорости. Из-за разницы в скорости движения электроны группируются в пучки – так проявляется модуляция по плотности. Модулированный по плотности сигнал попадает на выходной резонатор, где создает сигнал той же частоты, но большей мощности, чем и у входного резонатора.

Получается, что кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ-колебаний электромагнитного поля выходного резонатора. Так происходит усиление сигнала в клистроне.

Особенности электровакуумных усилителей

Если сравнить качество одного и того же сигнала, усиленного ламповым устройством и УНЧ на транзисторах, то разница будет видна невооруженным глазом не в пользу последнего.

Любой профессиональный музыкант скажет, что ламповые усилители куда лучше своих продвинутых аналогов.

Электровакуумные приборы давно вышли из массового потребления, им на смену пришли транзисторы и микросхемы, но это неактуально для области воспроизведения звука. За счет температурной стабильности и вакуума внутри ламповые приборы лучше усиливают сигнал.

Единственный недостаток лампового УНЧ – высокая цена, что логично: дорого выпускать элементы, которые не пользуются массовым спросом.

Усилитель на биполярном транзисторе

Часто усилительные каскады собираются с использованием транзисторов. Простой усилитель низкой частоты можно собрать всего из трех основных элементов: конденсатора, резистора и n-p-n транзистора.

Для сборки такого усилителя понадобится заземлить эмиттер транзистора, подсоединить к его базе последовательно конденсатор, а параллельно – резистор. Нагрузку следует располагать перед коллектором. К коллектору в данной схеме целесообразно подключить ограничительный резистор.

Допустимое напряжение питания такой схемы усилителя низкой частоты варьируется от 3 до 12 вольт. Номинал резистора следует выбирать экспериментально с учетом того, что его величина должна быть минимум в 100 раз больше сопротивления нагрузки. Номинал конденсатора может варьироваться от 1 до 100 мкФ. Его емкость влияет на величину частоты, с которой может работать усилитель. Чем больше емкость, тем ниже номинал частоты, которую может усиливать транзистор.

Входной сигнал усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе подается на конденсатор. Положительный полюс питания необходимо соединить с точкой соединения нагрузки и резистора, параллельно соединенного с базой и конденсатором.

Чтобы улучшить качество такого сигнала, можно подключить к эмиттеру параллельно соединенные конденсатор и резистор, играющие роль отрицательной обратной связи.

Усилитель на двух биполярных транзисторах

Чтобы повысить коэффициент усиления, можно соединить два одиночных УНЧ на транзисторах в один. Тогда коэффициенты усиления этих устройств можно будет умножить.

Хотя если продолжать наращивать число усилительных каскадов, то будет увеличиваться шанс самовозбуждения усилителей.

Усилитель на полевом транзисторе

Усилители низких частот собирают и на полевых транзисторах (далее ПТ). Схемы таких устройств ненамного отличаются от тех, что собираются на биполярных транзисторах.

В качестве примера будет рассмотрен усилитель на полевом транзисторе с изолированным затвором с n-каналом (МДП типа).

К подложке данного транзистора последовательно подключается конденсатор, параллельно – делитель напряжения. К истоку ПТ подключается резистор (можно также использовать параллельное соединение конденсатора и резистора, как описано выше). К стоку подключается ограничительный резистор и питание, а между резистором и стоком создается вывод на нагрузку.

Входной сигнал к усилителям низкой частоты на полевых транзисторах подается на затвор. Осуществляется это также через конденсатор.

Как видно из пояснения, схема простейшего усилителя на полевом транзисторе ничем не отличается от схемы усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе.

Правда, при работе с ПТ стоит учитывать следующие особенности данных элементов:

У ПТ высокое Rвходное = I / Uзатвор-исток. Полевые транзисторы управляются электрическим полем, которое образуется за счет напряжения. Следовательно, ПТ управляются напряжением, а не током.

ПТ почти не потребляют ток, что влечет за собой слабое искажение исходного сигнала.

В полевых транзисторах нет инжекции зарядов, поэтому уровень шумов данных элементов очень низкий.

Они устойчивы к изменению температуры.

Главный недостаток полевых транзисторов – высокая чувствительность к статическому электричеству.

Многим знакома ситуация, когда, казалось бы, нетокопроводящие вещи бьют человека током. Это и есть проявление статического электричества. Если такой импульс подать на один из контактов полевого транзистора, можно вывести элемент из строя.

Таким образом, при работе с ПТ лучше не браться руками за контакты, чтобы случайно не повредить элемент.

Устройство на операционном усилителе

Операционный усилитель (далее ОУ) – устройство с дифференцированными входами, обладающее очень высоким коэффициентом усиления.

Усиление сигнала – не единственная функция данного элемента. Он может работать и в качестве генератора сигналов. Тем не менее для работы с низкими частотами интересны именно его усилительные свойства.

Чтобы из ОУ сделать усилитель сигналов, необходимо грамотно подключить к нему цепь обратной связи, которая представляет из себя обычный резистор. Как понять, куда подключать данную цепь? Для этого нужно обратиться к передаточной характеристике ОУ. Она имеет два горизонтальных и один линейный участок. Если рабочая точка устройства расположена на одном из горизонтальных участков, то ОУ работает в режиме генератора (импульсный режим), если она находится на линейном участке, то ОУ усиливает сигнал.

Вам будет интересно:Китайские роботы-пылесосы: обзор, характеристики, отзывы

Чтобы перевести ОУ в линейный режим, нужно подключить резистор обратной связи одним контактом к выходу устройства, а другим – к инвертирующему входу. Такое включение называется отрицательной обратной связью (ООС).

Если требуется, чтобы сигнал низкой частоты усиливался и не менялся по фазе, то инвертирующий вход с ООС следует заземлить, а на неинвертирующий вход подать усиливаемый сигнал. Если же необходимо усилить сигнал и изменить его фазу на 180 градусов, то неинвертирующий вход нужно заземлить, а на инвертирующий подать входной сигнал.

При этом нельзя забывать, что на операционный усилитель необходимо подавать питание противоположных полярностей. Для этого у него есть специальные контактные выводы.

Важно заметить, что работе с такими устройствами иногда бывает сложно подобрать элементы для схемы усилителя низкой частоты. Требуется их тщательное согласование не только по номинальным значениям, но и по материалам, из которых они изготовлены, для достижения нужных параметров усиления.

Усилитель на микросхеме

УНЧ можно собирать и на электровакуумных элементах, и на транзисторах, и на операционных усилителях, только электронные лампы – это прошлый век, а остальные схемы не лишены недостатков, исправление которых неминуемо влечет усложнение конструкции усилителя. Это неудобно.

Инженеры давно нашли более удобный вариант создания УНЧ: промышленностью выпускаются готовые микросхемы, выполняющие роль усилителей.

Каждая из таких схем – набор ОУ, транзисторов и других элементов, соединенных определенным образом.

Примеры некоторых серий УНЧ в виде интегральных микросхем:

• TDA7057Q.
• К174УН7.
• TDA1518BQ.
• TDA2050.

Все приведенные выше серии применяются в аудиоаппаратуре. Каждая из моделей имеет разные характеристики: напряжение питания, выходную мощность, коэффициенты усиления.

Они изготавливаются в виде небольших элементов с множеством выводов, которые удобно располагать на плате и монтировать.

Для работы с усилителем низкой частоты на микросхеме полезно знать азы алгебры логики, а также принципы работы логических элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

На логических элементах можно собрать практически любые электронные устройства, но в этом случае многие схемы будут получаться громоздкими и неудобными для монтажа.

Поэтому применение готовых интегральных микросхем, выполняющих функцию УНЧ, представляется наиболее удобным практическим вариантом.

Улучшение схем

Выше был приведен пример того, как можно улучшить усиливаемый сигнал при работе с биполярными и полевыми транзисторами (подключением параллельного соединения конденсатора и резистора).

Подобные конструкционные модернизации можно производить практически с любыми схемами. Конечно, внедрение новых элементов увеличивает падение напряжения (потери), но благодаря этому можно улучшить свойства различных схем. Например, конденсаторы являются отличными фильтрами частот.

На резистивных, емкостных или индуктивных элементах рекомендуется собирать простейшие фильтры, отсеивающие частоты, которые не должны попадать в схему. Комбинируя резистивные и емкостные элементы с операционными усилителями, можно собирать более эффективные фильтры (интеграторы, дифференциаторы по схеме Саллена-Ки, режекторные и полосовые фильтры).

В заключение

Важнейшими параметрами усилителей частот являются:

• коэффициент усиления;
• коэффициент искажения сигнала;
• выходная мощность.

Усилители низких частот чаще всего используются в звуковой аппаратуре. Собирать данные устройства можно практически на следующих элементах:

• на электровакуумных лампах;
• на транзисторах;
• на операционных усилителях;
• на готовых микросхемах.

Характеристики усилителей низкой частоты можно улучшать за счет введения резистивных, емкостных или индуктивных элементов.

Каждая из схем, приведенных выше, обладает своими достоинствами и недостатками: какие-то усилители дорого собирать, какие-то могут уйти в насыщение, для некоторых сложно согласовать используемые элементы. Всегда есть особенности, с которыми человеку, занимающемуся конструированием усилителей, приходится считаться.

Пользуясь всеми рекомендациями, что даны в этой статье, можно собрать собственный усилитель для домашнего использования вместо того, чтобы покупать это устройство, которое может стоить больших денег, если речь идет о приборах высокого качества.

Источник

Шаг 3 УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ . Семь шагов в электронику

Как работает усилитель низкой частоты

Требования к УНЧ. Прежде чем приступить к изготовлению усилителя низкой частоты (УНЧ), коснемся самым кратким образом основ его работы. Основную функцию УНЧ можно сформулировать одной фразой — усилить входной звуковой сигнал до мощности, необходимой для его воспроизведения акустической системой (АС), и при этом внести в сигнал минимальные искажения.

Для выполнения этой функции УНЧ должен:

♦ во-первых, иметь высокий коэффициент усиления по мощности;

♦ во-вторых, иметь максимально линейную передаточную характеристику, т. е. график зависимости величины сигнала на выходе усилителя от величины сигнала на его входе должен представлять собой абсолютно прямую линию, проходящую через точку (0,0) координатной плоскости.

 Примечание.

Увы, такая характеристика, как и все идеальное, практически недостижима, потому что усилительные элементы, будь то лампы, транзисторы или микросхемы, обладают передаточными характеристиками, зачастую даже отдаленно не напоминающими прямую линию.

Вдобавок ко всему, форма этих характеристик зависит еще и от частоты сигнала, подаваемого на вход, хотя на низких частотах эта зависимость редко приобретает катастрофические масштабы. Как же в таких условиях добиться качественной работы усилителей?

Передаточные характеристики. Рассмотрим для примера передаточную характеристику транзистора (рис. 3.1, а). Она представляет собой замысловатую кривую, которую с массой оговорок можно назвать экспонентой.

На графике (рис. 3.1, а) легко можно увидеть, что верхняя часть кривой более-менее похожа на прямую линию (по крайней мере, по сравнению с нижней ее частью). Если бы нам удалось для усиления сигнала использовать только верхнюю часть кривой, то мы получили бы достаточно хорошее приближение к идеалу.

Сделать это довольно просто — надо подать на вход транзистора вместе с усиливаемым сигналом еще дополнительную постоянную составляющую, которая сместит усиливаемый сигнал в «почти прямую» область передаточной характеристики (рис. 3.1, б). Эта дополнительная составляющая так и называется — «смещение».

Рис. 3.1. Упрощенная передаточная характеристика транзистора

Режимы работы усилительных элементов. В зависимости от соотношения величины сигнала и величины смещения различаются несколько режимов работы усилительных элементов:

♦ режим А — величина смещения заведомо больше любого возможного сигнала на входе усилителя;

♦ режим В — величина смещения такова, что суммарный сигнал может заходить в область начального изгиба передаточной кривой, а порой даже и в левую часть графика, где транзистор вовсе не усиливает сигнал;

♦ режим С — смещение как таковое отсутствует совсем.

Конечно, самый лучший в плане приближения к идеалу — режим А, но за такое приближение приходится платить очень дорогую цену, ведь усилительный элемент усиливает не только полезный сигнал, но и поданное смещение. Усиление же связано с выделением теплоты — так уж устроила природа. КПД усилителей класса А (класс усилителя определяется режимом работы его выходных транзисторов) даже теоретически не может быть больше 50 %, в реальности же он еще меньше.

Непременный атрибут усилителей класса А — гигантские радиаторы. Поэтому в чистом виде класс А в УНЧ применяется достаточно редко, обычно это все-таки некая разновидность класса В или же класса АВ — нечто среднее между этими двумя классами.

Главный недостаток класса В — то, что входной сигнал может временами оказываться в области, где усиления сигнала нет вовсе. Во что превратится в этом случае выходной сигнал, лучше даже не думать.

Как решить эту проблему?

До ответа специалисты додумались много десятилетий назад — нужно, чтобы сигнал усиливал не один элемент, а два! Один — одну «половину» сигнала, другой — другую. Сделать это довольно просто — нужно подать входной сигнал на два транзистора разной проводимости (т. н. комплементарная пара) либо подать на два одинаковых транзистора два противофазных сигнала, а усиленные сигналы определенным образом сложить. Передаточная характеристика такой «парочки» получается не совсем прямой, в области небольших сигналов у нее присутствует т. н. «ступенька», но ее в некоторой степени можно «задавить» смещением.

Усилители, в которых для усиления сигнала используется пара усилительных элементов, называются двухтактными, в отличие от однотактных, в которых такой элемент один.

Класс С, несмотря на свою высокую экономичность, в УНЧ используется очень редко — слишком велики вносимые им искажения. Зато этот класс с успехом применяется в передатчиках. Ведь в силу специфики излучаемого передатчиком сигнала в передающей технике существуют эффективные способы устранения искажений, вносимых каскадом, работающим в классе С. При этом экономичность каскада при излучаемой передатчиком мощности в единицы, десятки или даже сотни киловатт становится слишком серьезным фактором, чтобы им пренебрегать.

Впрочем, инженерная мысль и здесь не дремлет — в культовом УНЧ «Quad-405» и его клонах разработчики путем оригинального технического решения заставили-таки выходные транзисторы работать в классе С, и получить при этом прекрасный звук!

 Примечание.

Как видите, уважаемый радиолюбитель, получить идеально линейную передаточную характеристику, только манипулируя режимами работы усилительных элементов, представляет собой весьма сложную задачу.

Обратная связь. И здесь на помощь разработчикам УНЧ приходит техническое решение, широко применяющееся в устройствах автоматического регулирования — обратная связь (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Что такое «обратная связь»

Идея обратной связи проста — усиливаемый сигнал подается не на вход усилительного элемента, а на вход специального блока сравнения. На другой его вход через делитель напряжения R1, R2 подается сигнал с выхода усилительного элемента. Если оба сигнала одинаковы, на выходе устройства сравнения сигнала нет. Если же они отличаются, на выходе устройства сравнения появляется такой сигнал. Будучи поданным на усилительный элемент, он приведет выходной сигнал усилителя в точное соответствие его входному сигналу. Поэтому выходной сигнал усилителя всегда будет пропорционален входному, а коэффициент пропорциональности (читай — коэффициент усиления) будет определяться только соотношением величин резисторов делителя напряжения R2/R1. Эти резисторы по природе своей являются элементами с той самой линейной передаточной характеристикой, которую мы так стремимся получить.

 Примечание.

Красивая эта теория на практике, разумеется, имеет свои нюансы, но введение обратной связи в усилители реально и очень существенно улучшает качество звука.

Качество звука. Сказав «качество звука», мы поднимаем целый пласт вопросов, связанный с объективной оценкой качества усилителя: субъективные-то оценки давать проще простого — «не нравится» и точка! Для оценок качества звучания усилителя используются различные показатели. Например, коэффициент гармоник — рассчитанное по результатам измерений соотношение величины гармоник сигнала к основному тону (грубо говоря, сколько отсебятины вносит усилитель в исходный сигнал).

Понятно, что чем меньше вносимые усилителем искажения, тем лучшими, по большому счету, будут соответствующие коэффициенты. Нужно только не забывать, что вы, уважаемый радиолюбитель, делаете усилитель не для того, чтобы наслаждаться низким коэффициентом гармоник, а чтобы слушать музыку.

 Примечание.

Запросто может случиться, что усилитель с худшими цифровыми показателями звучит приятнее для вашего слуха. Совет в этом случае один — махните рукой на цифры! Если вы думаете, что все мужчины мира женаты на 90-60-90, это одно из самых глубоких ваших заблуждений!

Итак, по необходимости краткий экскурс в область, касающуюся усилителей низкой частоты, закончен. Поскольку в качестве примеров мы с вами рассматривали транзисторы, первый вариант усилителей у нас и будет… на транзисторах.

Усилитель низкой частоты на транзисторах

Выбор класса усилителя. Сразу предупредим радиолюбителя — делать однотактный усилитель класса А на транзисторах мы не будем. Причина проста — как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом — вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика — и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами — трансформатором или конденсатором, — и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Первый усилитель. Принципиальная схема. Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Принципиальная схема первого варианта транзисторного УНЧ

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы — простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы — она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него — на резистор R5. Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор С4 на АС. Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него — на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

 Примечание.

Обратите внимание — последовательно с резистором R3 включен конденсатор С2. Это значит, что делитель напряжения у нас частотно-зависимый.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал — с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле

F = 160/(RxC).

где F — частота среза, кГц; R — сопротивление резистора RC-цепочки, ом; С — емкость конденсатора RC-цепочки, мкФ.

Для нашего примера она будет около 3 Гц, т. е. гораздо ниже нижнего порога человеческого слуха.

Плата. Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 45×32,5 мм. Разводку печатной платы можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Разводка печатной платы устройства (45×32,5 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Внешний вид усилителя

Элементная база. При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1. Остальные транзисторы — любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0,125 Вт, конденсаторы — электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя. Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя. Та маленькая алюминиевая штучка, которую вы видели в ролике, пригодна для демонстрации работы усилителя, но совершенно не подходит для его нормальной эксплуатации. С таким игрушечным радиатором выходные транзисторы сгорят через пару минут громкой музыки. Полный тепловой расчет радиаторов достаточно сложен, поэтому приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

Р = (UхU)/(8хR), Вт,

где U — напряжение питания усилителя, В; R — сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

Р_рас = 0,25хР, Вт.

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

S = 20xP_pac, см².

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

 Примечание.

При изготовлении радиатора не забывайте, что алюминиевая пластина имеет две стороны, а не одну, и радиатор площадью 100 см² будет иметь размеры вовсе не 10×10 см, а 10×5 см!

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2×3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте в виду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить — радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно — посчитайте сами!

Смотрим ролик. Работу устройства смотрим на прилагаемом диске: ролик «Видеоурок 3» — > «Первый УНЧ на транзисторах». Хочется сразу предупредить радиолюбителя — звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно!

Качество звучания. Если вы, уважаемый радиолюбитель, внимательно просмотрели (точнее, прослушали) ролик, то обратили внимание, что звук усилителя не совсем чистый — это заметно даже с тем микрофоном, который использовался при записи.

Причина этой «нечистоты» — «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 — на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.

Причина этого также очевидна — больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.

Второй усилитель. Принципиальная схема. Схема второго нашего усилителя значительно сложнее, но зато позволяет получить и более качественное звучание. Достигнуто это за счет более совершенной схемотехники, большего коэффициента усиления усилителя (и, следовательно, более глубокой обратной связи), а также возможностью регулировать начальное смещение транзисторов выходного каскада.

Схема нового варианта усилителя приведена на рис 3.7.

Рис. 3.7. Принципиальная схема второго варианта транзисторного УНЧ

Этот усилитель, в отличие от своего предшественника, питается от двуполярного источника напряжения.

 Примечание.

Чтобы избежать в дальнейшем путаницы, будем считать напряжением питания этого усилителя напряжение каждой половины источника, а не их общую сумму.

Входной каскад усилителя на транзисторах VT1—VT3 образует т. н. дифференциальный усилитель. Транзистор VT2 в дифференциальном усилителе является источником тока (довольно часто в дифференциальных усилителях в качестве источника тока ставят обычный резистор достаточно большого номинала). А транзисторы VT1 и VT3 образуют два пути, по которым ток из источника уходит в нагрузку.

Если ток в цепи одного транзистора увеличится, то ток в цепи другого транзистора уменьшится на точно такую же величину — источник тока поддерживает сумму токов обоих транзисторов постоянной. В итоге транзисторы дифференциального усилителя образуют почти «идеальное» устройство сравнения, что важно для качественной работы обратной связи. На базу одного транзистора подается усиливаемый сигнал, на базу другого — сигнал обратной связи через делитель напряжения на резисторах R6, R8.

Противофазный сигнал «расхождения» выделяется на резисторах R4 и R5, и поступает на две цепочки усиления:

♦ транзистор VT7;

♦ транзисторы VT4—VT6.

 Примечание.

Эти три транзистора образуют т. н. «токовое зеркало», обладающее интересным свойством — ток, проходящий через транзистор VT6, в точности равен току, проходящему через транзистор VT5.

Когда сигнал рассогласования отсутствует, токи обеих цепочек, т. е. транзисторов VT7 и VT6, равны, и напряжение в точке соединения их коллекторов (в нашей схеме такой точкой можно считать транзистор VT8) в точности равно нулю.

При появлении сигнала рассогласования токи транзисторов становятся разными, и напряжение в точке соединения становится больше или меньше нуля. Это напряжение усиливается составным эмиттерным повторителем, собранным на комплементарных парах VT9, VT10 и VT11, VT12, и поступает на АС — это выходной сигнал усилителя.

Транзистор VT8 используется для регулировки т. н. тока «покоя» выходного каскада. Когда движок подстроечного резистора R14 находится в верхнем по схеме положении, транзистор VT8 полностью открыт. При этом падение напряжение на нем минимально. Если же перемещать движок резистора в нижнее положение, падение напряжения на транзисторе VT8 будет увеличиваться. А это равносильно внесению сигнала смещения в базы транзисторов выходного эмиттерного повторителя. Происходит смещение режима их работы от класса С до класса В, а в принципе — и до класса А. Это, как мы уже знаем, один из способов улучшения качества звука — не следует полагаться в этом только на действие обратной связи.

Плата. Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 50×47,5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 2.DXF), и посмотреть на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Разводка печатной платы устройства (50×47,5 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Внешний вид усилителя

Настройка. Настройка усилителя заключается в установке тока покоя выходного каскада резистором R14 по минимуму искажений. Не перестарайтесь — слишком большой ток покоя просто сожжет ваш выходной каскад. Обычно рекомендуется устанавливать его в районе 100 мА.

Аналоги и элементная база. При отсутствии необходимых деталей транзисторы VT1, VT3 можно заменить любыми малошумящими с допустимым током не менее 100 мА, допустимым напряжением не ниже напряжения питания усилителя и как можно большим коэффициентом усиления.

 Совет.

Для качественной работы усилителя важно, чтобы характеристики этих транзисторов были максимально идентичны. Так что обязательно приобретайте сразу пару транзисторов, а не собирайте их «с бору по сосенке». Приобретенная пара, как правило, оказывается из одной партии, так что есть надежда получить достаточное приближение к идеалу.

Специально для таких схем промышленностью выпускаются транзисторные сборки, представляющие собой пару транзисторов в одном корпусе с максимально подобными характеристиками — это был бы идеальный вариант.

Транзисторы VT9 и VT10 обязательно должны быть комплементарными, также как и VT11, и VT12. Они должны быть рассчитаны на напряжение не менее удвоенного напряжения питания усилителя (не забыли, уважаемый радиолюбитель, что усилитель питается от двухполярного источника напряжения?).

Для зарубежных аналогов комплементарые пары обычно указываются в документации на транзистор, для отечественных приборов — придется попотеть в Инете! Транзисторы выходного каскада VT11, VT12 дополнительно должны выдерживать ток, не меньший:

I_в= U/R, A

где U — напряжение питания усилителя; R — сопротивление АС.

 Примечание.

Также транзисторы выходного каскада должны иметь допустимую рассеиваемую мощность не менее выделяемой. Формула для ее расчета была приведена в расчете радиаторов, но в качестве U нужно использовать удвоенное напряжение питания усилителя.

Для транзисторов VT9, VT10 допустимый ток должен быть не менее:

I_п = I_в/В, А,

где I_в — максимальный ток выходных транзисторов; В — коэффициент усиления выходных транзисторов.

Обратите внимание, что в документации на мощные транзисторы иногда приводятся два коэффициента усиления — один для режима усиления «малого сигнала», другой — для схемы с ОЭ.

Вам нужен для расчета тот, который не для «малого сигнала». Обратите внимание также на особенность транзисторов КТ972/КТ973 — их коэффициент усиления составляет более 750. Найденный вами аналог должен обладать не меньшим коэффициентом усиления — это существенно для данной схемы. Остальные транзисторы должны иметь допустимое напряжение не менее удвоенного напряжения питания усилителя и допустимый ток не мене 100 мА.

Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0,125 Вт. Конденсаторы — электролитические, с емкостью не менее указанной и рабочим напряжением не менее напряжения питания усилителя.

_{Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик «Видеоурок 3» — > «Второй УНЧ на транзисторах» на прилагаемом диске.}

Усилитель низкой частоты на микросхемах

Схема на К174УН14. Микросхемы в усилителях низкой частоты применяются двояким образом — либо как составная часть усилителя, либо как усилитель целиком «в одном флаконе». Ярким примером второй концепции является микросхема К174УН14 (зарубежный аналог TDA2003).

Эта пятиногая микросхема в корпусе ТО-220 (в такие корпуса упакованы транзисторы КТ818—КТ819) представляет собой полностью готовый к употреблению усилитель, к которому требуется только подсоединить несколько элементов обвязки.

Схема такого усилителя приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Принципиальная схема первого варианта УНЧ на микросхемах

Она является типовой и приводится в описании на данную микросхему. Сразу хочется дать читателю один совет на будущее — с незнакомыми микросхемами свою первую конструкцию всегда собирайте по типовой схеме, потому что без надлежащего опыта работы с той или иной микросхемой вы не сможете определить, насколько критичным для работы является тип и/или номинал того или иного элемента типовой схемы. Случались в практике казусы, когда в нетиповом включении микросхема либо не работала вообще, либо работала так, что лучше бы и не надо.

Плата. Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 22,5×30 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 3.DXF), и посмотреть на рис. 3.12.

Рис 3.12. Разводка печатной платы устройства (22,5×30 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Внешний вид усилителя

Аналоги и элементная база. Никаких особых требований к заменяемым деталям нет, лишь бы их рабочее напряжение было не ниже напряжения питания микросхемы.

_{Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик «Видеоурок 3» —» «Первый УНЧ на микросхемах» на прилагаемом диске.}

Схема на К157УД1. Примером применения микросхемы как составной части конструкции является усилитель, схема которого приведена на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Принципиальная схема второго варианта УНЧ на микросхемах

Основой схемы является мощный операционный усилитель К157УД1, к выходу которого подключен двухкаскадный усилитель мощности на комплементарных парах VT1, VT2 и VT3, VT4.

Большой запас по мощности ОУ позволил применить в усилителе транзисторы с достаточно ординарными характеристиками, а большой запас усиления — применить в выходном каскаде режим С без дополнительной подстройки тока покоя.

Плата. Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 27,5×45 мм.

Разводку печатной платы в зеркальном изображении можно скачать скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 4.DXF), и посмотреть на рис. 3.16.

Рис 3.16. Разводка печатной платы устройства (27,5×45 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Внешний вид усилителя

Аналоги. При отсутствии необходимых деталей их следует заменить в соответствии с рекомендациями, изложенными при описании второго варианта транзисторного усилителя. Привыкайте, уважаемый радиолюбитель, к самостоятельности!

_{Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик: «Видеоурок 3» — > «Второй УНЧ на микросхемах» на прилагаемом диске.}

Усилитель низкой частоты на электронных лампах

Электронные лампы — источник бесконечных «священных войн» в среде аудиофилов. Рассмотрим схему одного очень простого усилителя, чтобы радиолюбитель получил хотя бы некоторое представление о предмете. Схема усилителя приведена на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Принципиальная схема лампового УНЧ

Это двухкаскадный однотактный усилитель класса А, собранный на комбинированных лампах 6ФЗП. Первый каскад собран на триодной части лампы Л1, и обеспечивает предварительное усиление сигнала.

 Примечание.

Схема включения лампы очень похожа на схему включения полевого транзистора. Вернее, наоборот, схемы включения полевых транзисторов повторяют соответствующие ламповые схемы.

Стабилизация режима работы первого каскада осуществляется с помощью газового стабилитрона Л2. Сигнал с анода триода через разделительный конденсатор СЗ поступает на пентодную часть лампы, включенную по ультралинейной схеме класса А. Обратная связь в усилителе отсутствует. Однотактные усилители широко применяются в ламповой технике, потому что выходной трансформатор является практически неизбежной частью любого лампового усилителя. Слишком уж «неподходящей» нагрузкой для ламп являются динамические головки АС, а трансформатор, как уже упоминалось, эффективно «отсекает» постоянную составляющую анодного тока лампы, не пропуская ее в нагрузку.

К тому же однотактный усилитель намного проще в схемно-техническом отношении, и обладает — не станем утверждать, что лучшим, скажем — иным качеством звука. Обусловлено это тем, что из-за несимметрии передаточной характеристики усилительного элемента в режиме А, искажения сигнала обогащают сигнал четными гармониками, а в режимах двухтактного усиления (в котором работают практически все транзисторные усилители) передаточная характеристика оказывается куда более симметричной, хотя тоже далекой от идеала. В результате этого сигнал обогащается в основном нечетными гармониками.

Четные гармоники — это обычный октавный музыкальный ряд, привычный для человеческого уха, в отличие qt нечетных> никакого музыкального строя не образующих. И если четные гармоники просто делают звучание усилителя более звонким, чем следовало бы, то нечетные воспринимаются слухом как безграмотный немузыкальный аккорд, который легко замечает даже человек с оттоптанными медведем ушами.

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.20.

_{Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик «Видеоурок 3» — > «УНЧ на лампах» на прилагаемом диске.}

Схема — усилитель — низкая частота

Схема — усилитель — низкая частота

Cтраница 1

Схема усилителя низкой частоты с электропроигрывающим устройством ( УНЧ-ЭПУ) показана на рис. 3.8. Усилитель низкой частоты ( У7) состоит из двух идентичных каналов, поэтому рассмотрим работу УНЧ только одного канала. Каждый канал выполнен на 14 транзисторах и одном диоде.  [1]

Схема усилителя низкой частоты с дросселем; Л, Л, — электронные лампы; Ul — входное ( усиливаемое) напряжение; Ес — источник отрицат. Еа — источник анодного напряжения; Др — дроссель; Сс — разделит, конденсатор; Rc — сопротивление.  [2]

Схемы усилителей низкой частоты на транзисторах с отрицательной обратной связью по напряжению аналогичны показанным на этих рисунках.  [4]

Схема усилителя низкой частоты электрофона наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым в настоящее время к УНЧ.  [5]

Для схемы усилителя низкой частоты, изображенной на рис. 2.1 а, требуется составить уравнение погрешности коэффициента усиления / С0 на средней частот.  [6]

В схему усилителя низкой частоты может включаться фильтр низких частот с полосами 3 5 и 8 кгц и полосовой фильтр 3 — J-6 кгц, рассчитанный для приема телеграфной передачи. В последнем случае на диодный детектор вместо частоты местной несущей 100 кгц подается частота от гетеродина. Расстройкой этого гетеродина устанавливается тон телеграфных сигналов на выходе.  [7]

В схеме усилителя низкой частоты без выпрямителя ( рис. 138) имеются три каскада усиления напряжения.  [9]

В схеме усилителя низкой частоты без выпрямителя ( рис. 147) имеются три каскада усиления напряжения. Схему усиления на лампе Л2 обычно называют фазоинверсной. В рассматриваемом усилителе имеется отрицательная обратная связь, которой охвачены выходной и инверсный каскады.  [11]

В схемах усилителей низкой частоты генераторов находят применение лучевые тетроды ( 2П1П, 2П2П, 6ПЗС, 6П6С, 6П23П), в которых устранен динатронный эффект.  [13]

Другая разновидность схемы усилителя низкой частоты изображена на ркс.  [14]

На рис. 25 приведена схема 10-ваттного усилителя низкой частоты, который может быть использован в качестве небольшого трансляционного узла, обслуживающего 20 — 30 точек, потребляющих мощность 0 25 — 0 5 вт каждая. Его чувствительность составляет 10 — 20 мв при входном сопротивлении 20 — 30 ком.  [15]

Страницы:      1    2

Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах. Мощный германиевый усилитель

В этой статье мы поговорим об усилителях. Они же УНЧ (усилители низкой частоты), они же УМЗЧ (усилители мощности звуковой частоты). Эти устройства могут быть выполнены как на транзисторах, так и на микросхемах. Хотя некоторые радиолюбители, отдавая дань моде на винтаж, делают их по старинке — на лампах. Здесь советуем посмотреть . Особое внимание начинающих хочу обратить на микросхемы автомобильных усилителей с 12-ти вольтовым питанием. Используя их можно получить довольно качественный звук на выходе, причем для сборки практически достаточно знаний школьного курса физики. Порой из обвеса, или говоря другими словами, тех деталей на схеме, без которых микросхема не будет работать, на схеме бывает буквально 5 штук. Одна из подобных, усилитель на микросхеме TDA1557Q приведена на рисунке:

Такой усилитель в свое время был собран мною, пользуюсь уже несколько лет им вместе с советской акустикой 8 Ом 8 Вт, совместно с компьютером. Качество звучания намного выше, чем у китайских пластмассовых колонок. Правда, чтобы почувствовать существенную разницу, мне пришлось купить звуковую карту creative, на встроенном звуке разница была незначительная.

Усилитель можно собрать навесным монтажом

Также усилитель можно собрать навесным монтажом, прямо на выводах деталей, но я бы не советовал собирать этим методом. Лучше потратить немного больше времени, найти разведенную печатную плату (или развести самому), перенести рисунок на текстолит, протравить его и получить в итоге усилитель, который будет работать много лет. Обо всех эти технологиях многократно рассказано в интернете, поэтому более подробно останавливаться на них не буду.

Усилитель прикрепленный к радиатору

Сразу скажу, что микросхемы усилителей при работе сильно нагреваются и их необходимо крепить, нанеся термопасту на радиатор. Тем же, кто хочет просто собрать один усилитель и нет времени или желания изучать программы по разводке печатных плат, технологии ЛУТ и травление, могу предложить использовать специальные макетные платы с отверстиями под пайку. Одна из них изображена на фото ниже:

Как видно на фото, соединения осуществляются не дорожками на печатной плате, как в случае с печатным монтажом, а гибкими проводками, подпаиваемыми к контактам на плате. Единственной проблемой при сборке таких усилителей, является источник питания, выдающий напряжение 12-16 вольт, при токе потребления усилителем до 5 ампер. Разумеется, такой трансформатор (на 5 ампер) будет иметь немаленькие размеры, поэтому некоторые пользуются импульсными источниками питания.

Трансформатор для усилителя — фото

У многих, думаю, дома есть блоки питания компьютеров, которые сейчас морально устарели, и больше не используются в составе системных блоков, так вот такие блоки питания способны выдавать по цепям +12 вольт, токи намного большие чем 4 ампера. Конечно, такое питание среди ценителей звучания считается худшим, чем стандартное трансформаторное, но я подключал импульсный блок питания для питания своего усилителя, после сменил его на трансформаторный — разница в звучании можно сказать незаметна.

После выхода с трансформатора, разумеется, нужно поставить для выпрямления тока диодный мост, который должен быть рассчитан на работу с большими токами, потребляемыми усилителем.

После диодного моста идет фильтр на электролитическом конденсаторе, который должен быть рассчитан на заметно большее напряжение, чем у нас в схеме. Например, если у нас в схеме питание 16 вольт, конденсатор должен быть на 25 вольт. Причем этот конденсатор должен быть как можно большей емкости, у меня стоят подключенные параллельно 2 конденсатора по 2200 мкф, и это не предел. Параллельно питанию (шунтируем) нужно подключить керамический конденсатор емкостью 100 нф. У усилителя на входе ставят пленочные разделительные конденсаторы емкостью от 0,22 до 1 мкф.

Пленочные конденсаторы

Подключение сигнала к усилителю, с целью снизить уровень наводимых помех, должно осуществляться экранированным кабелем, для этих целей удобно пользоваться кабелем Джек 3.5 — 2 Тюльпана, с соответствующими гнездами на усилителе.

Кабель джек 3.5 — 2 тюльпана

Регулировку уровня сигнала (громкости на усилителе) осуществляют с помощью потенциометра, если усилитель стерео, то сдвоенного. Схема подключения переменного резистора показана на рисунке ниже:

Разумеется усилители могут быть выполнены и на транзисторах, при этом питание, подключение и регулировка громкости в них применяются точно так же, как и в усилителях на микросхемах. Рассмотрим, к примеру, схему усилителя на одном транзисторе:

Здесь также стоит разделительный конденсатор, и минус сигнала соединяется с минусом питания. Ниже приведена схема двухтактного усилителя мощности на двух транзисторах:

Следующая схема также на двух транзисторах, но собранная из двух каскадов. Действительно, если присмотреться, она состоит как-бы из 2 почти одинаковых частей. В первый каскад у нас входят: С1, R1, R2, V1. Во второй каскад C2, R3, V2, и нагрузка наушники В1.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах — схема

Если же мы хотим сделать стерео усилитель, нам нужно будет собрать два одинаковых канала. Точно также мы можем, собрав две схемы любого моно усилителя, превратить его в стерео. Ниже приведена схема трехкаскадного усилителя мощности на транзисторах:

Трехкаскадный усилитель на транзисторах — схема

Схемы усилителей также различаются по напряжению питания, некоторым достаточно для работы 3-5 вольт, другим необходимо 20 и выше. Для работы некоторых усилителей требуется двуполярное питание. Ниже приведены 2 схемы усилителя на микросхеме TDA2822 , первая стерео подключение:

На схеме в виде резисторов RL обозначены подключения динамиков. Усилитель нормально работает от напряжения в 4 вольта. На следующем рисунке изображена схема мостового включения, в ней используется один динамик, зато она выдает большую мощность, чем в стерео варианте:

На следующем рисунке изображены схемы усилителя на , обе схемы взяты из даташита. Питание 18 вольт, мощность 14 Ватт:

Акустика, подключаемая к усилителю, может иметь разное сопротивление, чаще всего это 4-8 Ом, иногда встречаются динамики с сопротивлением 16 Ом. Узнать сопротивление динамика, можно перевернув его тыльной стороной к себе, там обычно пишется номинальная мощность и сопротивление динамика. В нашем случае это 8 Ом, 15 Ватт.

Если же динамик находится внутри колонки и посмотреть, что на нем написано, нет возможности, тогда динамик можно прозвонить тестером в режиме омметра выбрав предел измерения 200 Ом.

Динамики имеют полярность. Кабеля, которыми акустика подключается, обычно имеют пометку красным цветом, для провода который соединен с плюсом динамика.

Если провода не имеют пометок, проверить правильность подключения можно, соединив батарейку плюс с плюсом, минус с минусом динамика (условно), если диффузор динамика выдвинется наружу — то мы угадали с полярностью. Больше различных схем УНЧ, в том числе ламповых, можно посмотреть в . Там собрана, думаем, самая большая подборка схем в интернете.

Читатели! Запомните ник этого автора и никогда не повторяйте его схемы.
Модераторы! Прежде чем меня забанить за оскорбления, подумайте, что Вы «подпустили к микрофону» обыкновенного гопника, которого даже близко нельзя подпускать к радиотехнике и, тем более, к обучению начинающих.

Во-первых, при такой схеме включения, через транзистор и динамик пойдет большой постоянный ток, даже если переменный резистор будет в нужном положении, то есть будет слышно музыку. А при большом токе повреждается динамик, то есть, рано или поздно, он сгорит.

Во-вторых, в этой схеме обязательно должен быть ограничитель тока, то есть постоянный резистор, хотя бы на 1 КОм, включенный последовательно с переменным. Любой самоделкин повернет регулятор переменного резистора до упора, у него станет нулевое сопротивление и на базу транзистора пойдет большой ток. В результате сгорит транзистор или динамик.

Переменный конденсатор на входе нужен для защиты источника звука (это должен обьяснить автор, ибо сразу же нашелся читатель, который убрал его просто так, считая себя умнее автора). Без него будут нормально работать только те плееры, в которых на выходе уже стоит подобная защита. А если ее там нет, то выход плеера может повредиться, особенно, как я сказал выше, если выкрутить переменный резистор «в ноль». При этом на выход дорогого ноутбука подастся напряжение с источника питания этой копеечной безделушки и он может сгореть. Самоделкины, очень любят убирать защитные резисторы и конденсаторы, потому-что «работает же!» В результате, с одним источником звука схема может работать, а с другим нет, да еще и может повредиться дорогой телефон или ноутбук.

Переменный резистор, в данной схеме должен быть только подстроечным, то есть регулироваться один раз и закрываться в корпусе, а не выводиться наружу с удобной ручкой. Это не регулятор громкости, а регулятор искажений, то есть им подбирается режим работы транзистора, чтобы были минимальные искажения и чтобы из динамика не шел дым. Поэтому он ни в коем случае не должен быть доступен снаружи. Регулировать громкость, путем изменения режима НЕЛЬЗЯ. За это нужно «убивать». Если очень хочется регулировать громкость, проще включить еще один переменный резистор последовательно с конденсатором и вот его уже можно выводить на корпус усилителя.

Вообще, для простейших схем — и чтобы заработало сразу и чтобы ничего не повредить, нужно покупать микросхему типа TDA (например TDA7052, TDA7056… примеров в интернете множество) , а автор взял случайный транзистор, который завалялся у него в столе. В результате доверчивые любители будут искать именно такой транзистор, хотя коэффициент усиления у него всего 15, а допустимый ток аж 8 ампер (сожгет любой динамик даже не заметив).

Усилитель мощности 1кВт — здесь представлены гарантированно рабочие схемы усилителей 1000, 500, 250, 125 Вт, концевой каскад которых реализован на полевиках MOSFET. В этой статье будем рассматривать аппараты начиная с самой большей мощностью — 1000 Вт, который предназначен в основном для профессионального использования, то есть озвучивания больших мероприятий, например: свадеб, различных семейный торжеств, концертных мероприятий,студиях звукозаписи и т.д. Для дома он конечно не подойдет.

Здесь можно скачать архив с печатками в формате.lay на выходную мощность 1000, 500, 400, 250, 125 Вт.

Раньше тоже были публикации на различных сайтах, где описывался усилитель мощности 1кВт , да и возможно и сейчас такие есть, но в основном с очень простой схемой реализованный на микросхеме. Такой вариант построения УМЗЧ на мой взгляд имеет серьезные недостатки, которые сводят на нет все положительные стороны усилителя. Одним из таких недостатков является сама интегральная схема, которая не отличается высоким уровнем характеристик. Второй аспект — использованный там операционный усилитель APEX PA03 стоит очень приличных денег, к тому же находится в дефиците и большинству радиолюбителей он просто будет недоступен. Поскольку для тех кто собирается повторить схему своими руками в домашних условиях, принципиально важно дешевизна и вместе с тем качественные и доступные электронные компоненты.

Исходя из этого я предлагаю любителям высококачественного и мощного звука четыре схемы усилителей собранных с применением полевых транзисторов MOSFET. Все комплектующие в представленных мощниках доступны в свободной продаже и достаточно популярны в радиоэлектронике. Поэтому сборка таких аппаратов будет вам вполне по карману, ну может быть немного дороговато обойдется трансформатор на 1 кВт если покупать готовый или делать на заказ, но если у вас есть в наличии хотя бы старое железо (сердечник) и эмаль-провод, то и он ничего не будет стоить для вас, намотайте самостоятельно — делов-то!

Показанные здесь схемы являются усовершенствованным вариантом типичной схемы, а именно усилитель мощности 1кВт реализованный на полевиках.

Общее описание усилителя мощности

Как было написано выше, сегодня мы публикуем четыре схемы, которые являются классическими двухтактными усилителями с выходным трактом собранным на MOSFET. Использование мощных полевиков в оконечном тракте считается существенным аргументом. Обладая колоссальной мощностью на выходе, аппарат наглядно демонстрирует великолепные значения с низким уровнем коэффициента искажений. Правильно изготовленные УМЗЧ имеют КНИ не более 0,24% при мощности на выходе 1 кВт. А вот при 250 Вт на выходе будет вообще 0,007%. Это великолепно! Сама структура усилителя фактически остается одной и тоже, меняется только колличество ключей в выходном тракте. Вместе с тем для использования мощных полевых транзисторов необходимо высокое питающее их напряжение. В частности усилитель мощности 1кВт требует для себя двуполярный блок питания с выходными напряжениями 95v, 70v, 50v.

Усилитель мощности на MOSFET 1 кВт

Пора уже приступать к непосредственному изучению схемы усилителя в порядке от большой мощности к меньшей. Вариант усилителя с выходной мощностью 1000 Вт, как я писал выше не для домашнего использования, а например: для туровых поездок или сценической инсталляции в концертных залах. Данный аппарат рассчитан на работу с акустикой 4 Ом при питающем напряжении +/- 100v, больше подавать нельзя. Наверное как и у каждой технике, так и в этом аппарате есть свой «минус» связанный как раз с питанием. Для того, чтобы получить выходную мощность 1 кВт необходим трансформатор по крайней мере в пределах 1300 Вт. Вот именно он является самым дорогостоящим элементом во всей конструкции. Есть конечно вариант применения импульсного источника питания, но и с таким трансформатором есть свои специфические заморочки, ну это уже совсем другая история. Так, что смотрите сами, что вам удобнее применить трансформаторный блок питания или импульсного построения.

Здесь показана схема усилителя на 1000 Вт в первоначальном варианте:

Здесь усовершенствованная схема усилителя:

Даже при беглом взгляде на данную принципиальную схему можно увидеть различия входного и выходного тракта. К тому же, как показывает тестирование, из модернизированного варианта можно изъять выпрямительный диод 1N4007. Но эту необходимость следует как следует еще раз проверить в опытном порядке.

В оконечных каскадах усилитель мощности 1кВт имеет мощные ключи MOSFET IRFP240.

Параметры этих силовых ключей впечатляют. Вот посмотрите на их характеристики, хотя эти значения могут существенно изменятся в зависимости от температуры, в связи с этим полевики необходимо устанавливать на радиаторы охлаждения с достаточной площадью рассеивания тепла и дополнительно поставить систему принудительного охлаждения в виде вентилятора.

Присутствует несколько вариантов исполнения печатных плат усилителя, например: одна из них имеет форму прямоугольника в общем стандартная форма, а другая с формой квадрата, у которой входной каскад находится по центру платы. Так что используйте печатку, которая наиболее соответствует вашей конструкции корпуса.

Рисунок печатной платы и места установки электронных компонентов на ней можно скачать по этой ссылке — размер 300х75 мм.

На этом фото показана печатная плата почти законченного усилителя мощности:

Собранный усилитель мощности на 1кВт с радиатором:

На этой фотографии собранный усилитель с использованием выше показанного рисунка печатной платы:

Здесь уже готовый образец на этапе тестирования:

На этом рисунке изображен еще один альтернативный вариант:

Усилитель рассчитанный на 500 Вт

Здесь просто нужно сократить количество полевиков в оконечном тракте, то есть установить всего двенадцать штук по шесть в каждое плечо, ну и естественно нужно снизить мощностные характеристики. Напряжение питания оставляем тоже, что и усилителе 1000 Вт, то есть 95v по плюсу и 95v по минусу, так как выходная мощность аппарата все еще остается достаточно большой, а коэффициент нелинейных искажений снизится до 0,17%. Данная схема тоже является не такой однозначной. Если как и в предыдущей схеме использовать полевики IRFP240, то на выходе получите 500 Вт.

Также необходимо предусмотреть конденсатор 220pF выполняющего роль шунта в цепи коллектор-база транзистора MJE15035 и попробовать исключить из схемы диод 1N4007. В первоначальном варианте схемы усилитель расcчитан на работу с нагрузкой 8 Ом, но как показали испытания многими радиолюбителями собравшими этот аппарат, он прекрасно работает и на нагрузке 4 Ом.

Здесь показана печатная плата для этого УМЗЧ:

В результате должно быть примерно такое:

Усилитель на 250 Вт

250 Вт выходной мощности уже не очень бьет по ушам и возможно для домашнего пользования многие отдадут предпочтения именно этому образцу.

В этом экземпляре использованы восемь ключей IRFP240. Напряжение питания установлено 70v. Рекомендуемая нагрузка 8 Ом. Отличный показывает уровень коэффициента нелинейных искажений в пределах 0,11% при рабочей мощности на выходе 250 Вт. Очень широкий диапазон частот. На этой схеме также нужно попробовать экспериментировать с диодом. Печатная плата для усилителя 250 Вт имеет вот такой вид:

По завершению монтажа получается вот такая конструкция:

На этом фото показана печатная плата с теплоотводами предназначенными для транзисторов пред-выходного тракта:

Это усилитель мощности отличается высокой надежностью в работе и простотой в обслуживании, способен работать даже в экстремальных условиях эксплуатации без снижения качества звучания.

И наконец подведем итоги:

Следовательно у нас имеется четыре классные схемы одной и той же модели усилителя выполненного на мощных полевых транзисторах. В их конструктивных решениях принципиальных различий нет, а вот по выходной мощности и, что особенно немаловажно — себестоимости, они имеют разницу приличную. Кстати хотелось бы специально подчеркнуть такой момент: если один раз собрать оконечный каскад и установить на первый случай пару или две MOSFET-транзисторов, то при необходимости изменения мощности на выходе вы без проблем сможете это делать путем увеличения количества транзисторов в оконечном тракте.

Изначальная схема в авторском варианте реализована на MOSFET-ключах IRFP240. Но несмотря на это множество радиолюбителей вносят свои изменения в конструкцию, заменяя некоторые детали более современными и качественными, например используют мощные полевые ключи IRFP250, IRFP260.

Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука.

Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10… 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного.

Простой усилитель на одном транзисторе

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3…12 В.

Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.

Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20…30 кОм и переменный сопротивлением 100… 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 — 4).

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала.

Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи.

Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора.

Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора.

В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится.

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2…4 до 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В.

Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше.

Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5…0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения.

Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50…60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается.

Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами.

В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30…50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1…2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60].

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10].

Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5.

Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах.

Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы.

Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2… 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит — напряжение питания в Вольтах (В).

Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 — 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ).

Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 — вариант 2.

Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа.

В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 — 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления.

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим).

Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15.

Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой

Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17.

Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением.

Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4.

Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Исправления в публикации: на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов.

Усилитель мощности MF1
1.Отличный звук и четкий бас;
2.Надежность, даже в экстремальных режимах;
3.Доступность в повторении, не имеет дефицитных деталей;
4.Отличная топология печатной платы.

Давно хотел собрать хороший и качественный усилитель мощности звуковых частот (УМЗЧ ), долго искал на разных сайтах и форумах, но не мог определиться. Одни усилители были просты, но и звучание у них было оставлять желать лучшего, вторые трудны в настройке, да и дороги в исполнении. Пробовал собрать пару усилителей, как простых так и сложных все равно остался не доволен звучанием (возможно во всем виноваты мои кривые ручонки , хотя с радиоэлектроникой я немного в друзьях). Но тут мне попала на глаза ссылка на УМЗЧ под названием MF1(MadFeedback1) , сердцем которой являлась микросхема TDA7294(TDA7293).

Глянул на схему, ничего сложного в сборке, компоненты не дорогие, да и по сусекам поскреб, нашел все детали кроме микросхемы. Было решено собрать и проверить!!! На следующий день была куплена микросхема и не одна а целых 2 (TDA7294 и TDA7293) для того чтобы проверить их звучания, так как по даташиту у них немного разные параметры да и на форумах это тоже подтверждают, что звучания у них немного разные. Пару часов ходил вокруг деталей, собираясь с духом и наконец, приступил к работе!

За полчаса была вытравлена плата, залужена и просверлена. Еще где то за час были впаяны все компоненты, пришлось немного повозиться с конденсаторами, так как мои были немного большего размера, чем могла предоставить места мне печатная плата. С радиатором тоже пришлось повозиться. Решено было использовать радиатор меньшего габарита, но с кулером, так как во время работы выделяется много тепла, я не хотел громоздить большой радиатор, а обойтись поменьше, но с принудительным охлаждением. После сборки сего чуда я столкнулся с еще одной проблемой, у него питание двух полярное, то есть +40в 0 -40в. Сразу побежал я в свой загашник и к моему глубочайшему сожалению не нашел подходящего по этим параметрам трансформатора.

Ну что делать, поехал в радиомагазин за трансформатором, цены меня просто огорчили, за подходящий трансформатор ломили цену в районе 50-60 долларов. Приехал домой и стал думать, что делать, ведь усилитель уже готов, да и настрой боевой. Полез в любимый гугл и нашел схему импульсного блока питания для усилителя с двух полярным питанием. Как я его собирал это уже другая отдельная история:fellow: . Неделю спустя когда я перепробовал несколько схем блоков питания и остановился на одном, который меня удовлетворил своей надежностью и довольно таки не сложной сборкой, я осуществил свой первый запуск усилителя!!!

Но тут меня разочаровал шум в колонках, хотя на сайте да и на форумах говорили что просто все отлично и никаких шумов. Начал грешить на блок питания, так как импульсный блок питания при плохой фильтрации может хорошо давать помехи в усилитель. Все перепроверил и не мог понять от чего, но в итоге на форуме нашел ответ, что вся проблема в шнуре идущему от компьютера до усилителя (у меня был дешевый китайский провод).

Нашел новый трех жильный провод с экраном, спаял и вуаля, тишина. Я даже испугался по началу, что что-то спалил, но прислушавшись к колонкам, услышал еле слышное шипение. Первый запуск песенки чуть не оглушил меня, я забыл убавить громкость на компьютере, а на усилитель я еще не поставил регулятор громкости. Убрав до 5 процентов громкость я повторил попытку, то что я был в восторге ничего не сказать.

Усилитель действительно играл чисто, прослушивались все переходы между партиями и никаких провалов или хрипов, при увеличении громкости хорошо было слышно чистый и сочный бас. В заключении могу сказать, что я остался доволен этим усилителем и могу посоветовать его к сборке. Ниже я предоставлю некоторые особенности, при сборке которых надо придерживаться чтобы не возникло вопросов типа а почему у меня не работает или работает но не так. При правильной сборке и рабочих компонентах, усилитель не нуждается в настройке!!!

Сама схема усилителя

Печатная плата и расположение на ней элементов

Плата в сборе

Характеристики усилителя при работе на нагрузку 4Ома (ИМС TDA7294):

Рабочий диапазон частот, Гц 20-20 000
Напряжение питания @4 Ом, В ±30
Напряжение питания @8 Ом, В ±40
Номинальное входное напряжение, В 0.6 действ.
Номинальная выходная мощность, Вт 73 действ.
Входное сопротивление, кОм 9.4
THD при 70Вт, не более, % 0.3*
THD при 60Вт, не более, % 0.01*
*характеристики производителя

Детали:

Резисторы : Все резисторы, кроме R7 и R8, угольные или металлопленочные на 0.125-0.25Вт (желательно брать резисторы по точнее, где разброс варьируется +-1%).

примерный вид
Резистор R7 – проволочный резистор на 5Вт. Рекомендуются белые SQP-резисторы в керамическом корпусе.
R8 –, угольный, проволочный или металлопленочный на 2Вт.

примерный вид

Конденсаторы : C1 – пленочный, максимально доступного качества, лавсановый или полипропиленовый (MKT или MKP) на минимальное напряжение (обычно 50В). При отсутствии доступа к дорогим породистым комплектующим удовлетворительный результат даст и К73-17 на 63В. C4 C7 C8 C9 пленочные типа К73-17 на 63В.

примерный вид
C2 – керамический дисковый или любого другого типа, например К10-17Б.

примерный вид
С3 – электролит максимально доступного качества на напряжение не менее 35В,
C5 C6 – электролитические, желательно импортные качественные, на напряжение не менее 50В а лучше на 60в.
C11 C12 – любые электролитические на напряжение не менее 25В.

примерный вид

Диоды : D1 – любой стабилитрон на 12..15В мощностью не менее 0.5Вт.
Микросхема усилителя – любая из линейки TDA729x (7296..7293). В случае использования TDA7293 необходимо откусить или отогнуть и не впаивать 5 ножку. Вообще, на всякий случай, это ко всем микросхемам линейки относится.

ВНИМАНИЕ! Питание усилителя двух полярное. Обе выходные клеммы усилителя «горячие», ни одна из них не заземлена, т.к. акустическая система также является звеном обратной связи. АС включается между OUT+ и OUT- Так же следует заземлить радиатор микросхемы. Это обязательное условие стабильной работы микросхемы. Она боится статики – ее надо изолировать от радиатора, а радиатор обязательно заземлить на среднюю точку питания. То есть идет радиатор, слой термопасты, затем слюдяная прокладка, слой термопасты, микросхема. Микросхема обязательно прикручивается к радиатору через диэлектрическую шайбу. К радиатору так же прикручиваем провод и соединяем его на плату в точку GND

P.S: мне лично понравилось звучание микросхемы TDA7293, бас сильнее да и надежность у нее вроде как получше. Если будет возможность то вместо больших электролитов 2200х63в поставить 3300х63в то это будет даже лучше, главное чтобы они уместились на плату. И по питанию, желательно использовать +-35в, хоть и написано что работает при +-40в но это ее предел, при сильном скачке напряжения она может выйти из строя!

Всем желаю успехов в сборке и приятного прослушивания!

Рекомендуем также

Усилитель звуковой частоты на советской микросхеме. Усилитель звуковой частоты на советской микросхеме Усилители низкой частоты на микросхемах

Микросхема TDA 2003 это типовой усилитель низкой частоты, получает питание от однополярного блока питания, довольно качественная дешевая и очень широко распространённа в радиолюбительской среде. Встретить её можно почти во всех старых автомагнитолах. Отечественным аналогом является микросхема к174ун14

Данная микросборка позволяет собрать простой усилитель звуковой частоты, при использовании минимума внешних радио элементов. При этом схема обеспечивает высокую нагрузочную способность по току до 3.5 А и незначительные уровни гармоник и перекрестных помех. Безопасная работа усилителя обеспечивается защитой от короткого замыкания по переменному и постоянному току, тепловой защитой и отключением нагрузки при всплесках напряжения уровнем выше 40 Вольт.

Конструкция представляет собой достаточно простой усилитель низкой частоты, основа которого микросхема TDA2003. Входной сигнал попадает на микросборку, через электролитический конденсатор 10 мкФ. Усиленный унч сигнал с четвертого вывода поступает на динамик через емкость 470 мкФ. Схема получает питание от 12 вольтового блока питания.

Схема на чипе TDA2003 отличается своей простотой и надежностью. Обладает широким диапазоном питающих напряжений и пользуется большой популярностью у начинающих радиолюбителей.

Несмотря на простоту, конструкция имеет защиту от перегрузки, только незабываем устанавливать микросхему на радиатор.

На DA1 построен стабильный мультивибратор, частота его колебаний зависит от емкости конденсатора С3 и приблизительно равна 4 кГц в режиме ожидания и увеличивается в не нагруженном состоянии до 7 кГц. На выходе чипа DA2 сигнал идентичен сигналу с выхода мультивибратора DA1, но в противоположной фазе.

Когда на выходе первого усилителя сигнал низкого уровня, емкость С4 заряжается через VD1 до уровня питающего, минус падение на диоде VD1. Когда на выходе DA1 напряжение станет положительным, то его выходной уровень добавится к питающему и заряжает емкости C4,C5 через VD2 до потенциала который в два раза выше напряжения питания.

Избранные главы из книги С. А. Гаврилова «Искусство схемотехники. Просто о сложном».

Продолжение

Начало читайте здесь:

Усилители низкой частоты на микросхемах

Схема на К174УН14

Микросхемы в усилителях низкой частоты применяются двояким образом — либо как составная часть усилителя, либо как усилитель целиком. Ярким примером второй концепции является микросхема К174УН14 (зарубежный аналог ). Эта пятиногая микросхема в корпусе ТО-220 (в такие корпуса упакованы транзисторы КТ818-КТ819) представляет собой полностью готовый к употреблению усилитель, к которому требуется только подсоединить несколько элементов обвязки. Схема такого усилителя приведена на рис. 11.22.

Она является типовой и приводится в описании на данную микросхему. Сразу хочется дать читателю один совет на будущее — с незнакомыми микросхемами свою первую конструкцию всегда собирайте по типовой схеме, потому что без надлежащего опыта работы с той или иной микросхемой вы не сможете определить, насколько критичным для работы является тип и/или номинал того или иного элемента типовой схемы.

Плата . Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм размерами 22.5×30 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно взять . Доступен и с демонстрацией работы усилителя.

Никаких особых требований по замене деталей нет, лишь бы их рабочее напряжение было не ниже напряжения питания микросхемы. Внешний вид усилителя представлен на рис. 11.23.

Схема на К157УД1

Примером применения микросхемы как составной части конструкции является усилитель, схема которого приведена на рис. 11.24. Основой схемы является мощный операционный усилитель К157УД1, к выходу которого подключен двухкаскадный усилитель мощности на комплементарных парах VТ1, VT2 и VT3, VT4.

Большой запас по мощности ОУ позволил применить в усилителе транзисторы с достаточно ординарными характеристиками, а большой запас усиления — применить в выходном каскаде режим C без дополнительной подстройки тока покоя.

Плата . Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолитатолщиной 1.5 мм размерами 27.5×45 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать . находится ролик с демонстрацией работы усилителя.

Внешний вид усилителя приведен на рис. 11.25.

Аналоги . При отсутствии необходимых деталей их следует заменить в соответствии с рекомендациями, изложенными при описании второго варианта транзисторного усилителя. Привыкайте, уважаемый радиолюбитель, к самостоятельности!

Окончание читайте

Контрольный усилитель из телевизора.
Взят модуль УНЧ от телевизора и оформлен в корпус. Для питания используется сетевой адаптер.
Наконец настали и у нас времена как на Западе –народ выставляет бэушную даже работоспособную аппаратуру возле мусорок. Вот из старого телевизора четвертого поколения типа 4УСЦТ (Конкретно взят телевизор Горизонт 418) можно выдрать один интересный блочок под названием МУ-405.

При взгляде на принципиальную схему можно заметить, что это готовый УНЧ мощностью 5 Ватт на микросхеме к174УН14 (микросхема является аналогом ). Осталось только прикрутить регулятор громкости и засунуть это всё в подходящую коробочку.

Что и было незамедлительно проделано. Только вот подходящая коробочка никак не находилась. Поэтому оперативно были напилены фольгированный текстолит и стеклотекстолит. Давно не сталкивался с текстолитом. Был неприятно удивлен его гораздо худшей способностью к обработке, чем у стеклотекстолита.
Затем с помощью паяльника все кусочки были спаяны в корпус. Верхнюю крышку сделал съёмной. Всё зашкурил мелкой наждачкой и покрасил краской из баллончика. Для универсальности установлены разнообразные входные и выходные гнезда. Для уменьшения габаритов и веса, а также не желания связыватья с 220 в с блоком питания решил не заморачиваться. Решение простое: у меня да и каждого много разных девайсов с питанием от сетевых адаптеров. Например зарядка от аккумуляторного шуруповерта или зарядка от фотика. Ведь они не очень часто используются. Можно в неиспользуемое время их загрузить. Маленький нюанс. Обычно эти БП находятся в глухом корпусе и во время работы ощутимо греются. Поэтому в корпусах адаптеров для вентиляции были насверлены отверстия.

Чтобы не думать о полярности, установил диодный мост. Конечно же входной разъём для питания изолирован от общей земли. Кстати при подключении питания наступил на земляные грабли. Усилитель в коробке фонил. Но фонил он только от сетевых адаптеров. При подключении отдельного стабилизированного БП фона не было. Никак не мог найти причину фона. Навеска конденсаторов не помогала. Фон исчез при запайке провода питания в родное место. А я припаял там, где было удобнее. Кнопка для включения наушников используется в качестве входного делителя –20 дБ. Этот делитель заимствован из усилителя Вега У120. Он интересен тем, что происходит безобрывная коммутация и в колонках нет щелчка.

Разъём для наушников я убрал. При желании можно поднять мощность усилителя заменой 2003 на 2030. Переделок будет не очень много. Или даже сделать стерео вариант из двух таких модулей управления

Усилитель звуковой частоты, собранный на советской микросхеме к174ун14. Микросхема 174ун14 по заводским данным представляет собой усилитель низкой частоты номинальной мощностью 4,5 Ватт. По сравнению с к174ун7 имеет более хорошую и продуманную защиту от перегрева и перегрузок, защиту от коротких замыканий на выходе, а также от перемены полярности питающего напряжения. Нашел у себя в закромах данную микросхему на платке, проверил — рабочая оказалась, и чтобы придать вид и компактность схеме решил ее переделать под себя. Схему смотрим ниже:

Нашел в сети печатку – подкорректировал таким образом, что размеры получились 30х35 мм, протравил платку и собрал (), изначально как-то не понравился звук – запирался и был тих. Оказывается в схеме из справочника по советским микросхемам резистор в 22 Ома — это явный перебор! Там должен был стоять 2.2 ома! Поискал у себя резистор и нашел на 10 ом – впаял, ситуация по звуку значительно улучшилась.

Тогда решено было взять два резистора по 1 Ому, импортных, и соединив их последовательно установить на платку. Звук получился чистым и громким, что и требовалось!

УНЧ динамик 5гд и 3гд раскачивает хорошо. Микросхему установил на родной радиатор охлаждения на котором она была, промазав между микросхемой и радиатором термопастой. Саморезом прикрутил плату и радиатор вместе, для надежности, теперь не шатается ничего, причем радиатор получается соединенным механически с радиатором – подложка не требуется, так как минус у этой микросхемы предусмотрен на соединение с корпусом.

Питаю схему УНЧ от импульсника, при этом конденсатора на плате в 1000 мкф вполне хватает, напряжение 12,5 вольт. На рисунках, которые прикладываю к статье, можете посмотреть типовое включение и типовые заводские параметры по микросхеме.

Вход подается через конденсатор электролитический на 22 мкф, в дальнейшем планирую повесить вход резистором 10-20 ком на землю, чтобы не издавал лишнего фона когда штекер, так сказать, в воздухе без подключенного устройства сигнала. Температура микросхемы в пределах нормы, и примерно 45-50 градусов после 30 минут работы на 80% мощности. С Вами был redmoon.

Старые телевизоры постепенно сдают позиции, попадают в разборку, или тогохуже — на помойку. Вот, как-то раз попался мне такой, хорошо постоянно ношу с собой складную отвертку… Одна из отлично работающих плат была плата УНЧ. А телевизор — «Selena» («Горизонт 51-ТЦ418»).

Плата среди прочих деталей лежала некоторое время, пока не понадобилось сделать простой домофон на дачный домик. Схема показана на рисунке. Родилась она под влиянием некоторых статей из журнала «Радиоконструктор», перечислить которые, я, к сожалению, не имею возможности, за что приношу извинения.

Схема переделки модуля УНЧ

В центре схемы схема модуля УНЧ выше указанного телевизора. Модуль сделан на микросхеме К174УН14, кроме собственно УНЧ там так же есть и резисторы регулировки тембра R2 и R4, а так же, выключать S, которым можно выключить динамик, чтобы подключить головные телефоны. Схема модуля УНЧ подверглась изменениям, которые показаны на схеме.

Поскольку регулятор тембра для переговорного устройства не нужен, а регулятор громкости просто необходим, этот регулятор тембра был переделан в регулятор громкости. Регулятором громкости стал переменный резистор R4. Для этого потребовалось выпаять из схемы R3, R5, СЗ и С2.

Вместо СЗ поставить перемычку П1, а вместе С2 поставить конденсатор большей емкости (0,33 мкФ). Теперь бывший регулятор тембра по ВЧ R4 превратился в регулятор громкости.

Рис. 1. Схема подключения модуля УНЧ о телевизора в качестве переговорного устройства.

Кроме того, в последствии выяснилось что чувствительности УНЧ недостаточно для хорошей работы с электретными микрофонами, поэтому было принято решение увеличить коэффициент передачи микросхемы К174УН14 изменив её ООС, путем увеличения сопротивления резистора R9. Вместо 330 Ом поставлено 680 Ом, но конкретно это нужно уточнить.

Теперь о работе схемы в целом. На входе устанавливается пассивный блок, состоящий из динамика В1, электретного микрофона М1 и звонковой кнопки S3. Система вызова работает независимо, и представляет собой стандартную схему квартирного звонка, разница только в том, что он установлен не возле двери в квартиру, а на заборе, возле калитки для входа на дачный участок.

S3 — звонковая кнопка, чтобы не мокла защищена тубусом, вырезанным из пластиковой бутылки. От неё двойной провод на 220V идет в дом, а там обычный квартирный звонок ЗВ1. В общем, эта схема звонка была еще до того, как появилось переговорное устройство, но теперь можно не бежать сразу к калитке, а сначала поговорить.

Активный узел установлен в доме, и не считая звонка, соединяется с пассивным только одним экранированным аудиокабелем (для стереосигнала). К оплетке припаяны соединенные вместе вывод динамика В1 и отрицательный вывод микрофона М1.

Переключатель S2 служит для управления «прием / передача». Он без фиксации, кнопка. В не нажатом положении, как показано на схеме, можно слушать собеседника — гостя. А чтобы ответить — нужно нажать S2, и удерживать нажатой во время ответа.

S1 — выключатель питания. Пока никто не звонит можно все выключить. Микрофон М2 и динамик В2 расположены в доме.

И так, поступил звонок, включаем схему выключателем S1. При этом S2 не нажат, и находится в показанном на схеме положении. На микрофон М1 поступает питание через резистор R101 (обозначил трехзначным числом, чтобы отличалось от нумерации резисторов на схеме модуля УНЧ).

Подбором сопротивления этого резистора можно установить чувствительность микрофона М1, в процессе налаживания домофона. Через кабель, верхнюю по схеме секцию S2 сигнал с микрофона М1 поступает на УНЧ. Переменным резистором R4 можно регулировать громкость звука. С выхода УНЧ на микросхеме К174УН14 (выключатель S модуля УНЧ должен быть замкнут) сигнал поступает через нижнюю по схеме секцию S2 на динамик В2, расположенный в доме. Таким образом, из В2 слышно то, что говорят перед М1.

Чтобы ответить, нужно нажать S2. При этом через его верхнюю по схеме секцию подключается микрофон М2, расположенный в доме. Питание на него поступает через резистор R102.

Подбором сопротивления этого резистора можно установить чувствительность микрофона М2, в процессе налаживания домофона. Сигнал от микрофона М2 через верхнюю по схеме секцию S2 поступает на УНЧ. Переменным резистором R4 можно регулировать громкость звука. С выхода УНЧ на микросхеме К174УН14 (выключатель S модуля УНЧ должен быть замкнут) сигнал поступает через нижнюю по схеме секцию S2 на динамик В1, расположенный возле калитки. Таким образом, из В1 слышно то, что говорят перед М2, и гость будет вас слышать.

Детали и замена

Модуль УНЧ в телевизоре питается напряжением 15V. Здесь он питается от внешнего источника напряжение 12V, схема источника не приводится, потому что это обычный сетевой адаптер, купленный в магазине. Напряжение питания может быть от 8 до 16V.

Электретные микрофоны — неизвестной марки, обычные, с двумя выводами. Их можно заменить практически любыми для электронных телефонных аппаратов, магнитофонов и др. Резисторы R101 и R102 подбирайте в каждом конкретном случае, чтобы получить необходимую чувствительность микрофонов.

Динамики В1 — оба эллиптических динамика от того же телевизора. Но подойдут практически любые широкополосные. Для пассивного блока с М1 и В1 нужно продумать влагозащищенную конструкцию. Динамик с бумажным диффузором желательно поместить в целлофановый пакет. Если нет модуля УНЧ от «Селены», можно собрать УНЧ на ИМС К174УН14.

Гоидин В. А. РК-2016-04.

Тематические материалы:

Обновлено: 29.08.2021

103583

Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

Схемотехника усилителей: Усилители низкой частоты

Усилители, предназначенные для усиления сигналов нулевой частоты — это т.н. усилители постоянного тока. Однако очевидно, что в реальности от конкретных устройств нам требуется работоспособность не только на нулевой частоте, но и в некотором, пусть незначительном, диапазоне частот, вплотную примыкающем к нулевой. Т.е. в общем случае можно говорить об усилителях низкой частоты, делая некоторый акцент на особенностях, присущих именно усилителям постоянного тока. Характерной чертой низкочастотных электрических сигналов по сравнению с высокочастотными является некоторая трудоемкость воздействия на них с помощью пассивных компонентов электрических схем, таких как: емкости и индуктивности. Вызвано это в первую очередь тем, что для достижения требуемых воздействий на низких частотах мы должны применять большие емкости и большие индуктивности. Но с другой стороны, низкие частоты обладают и хорошими качествами — они не проникают, как высокочастотные сигналы, во все возможные точки схем, наводя там помехи, а для работы с низкочастотными сигналами не нужны дорогие и легко выходящие из строя радиокомпоненты. Основной задачей низкочастотных усилителей обычно является усиление сигналов звуковой частоты (10…20000 Гц) в различных устройствах промышленной и бытовой радиоаппаратуры. Важнейшими характеристиками таких усилителей являются выходная мощность и уровень нелинейных искажений. Если с выходной мощностью все более или менее ясно — от нее зависит громкость звука, который мы слушаем — то о нелинейных искажениях скажем особо. Дело в том, что когда мы имеем дело с высокочастотными сигналами, то в подавляющем большинстве случаев — это модулированные сигналы, в которых качество передаваемого сообщения в некотором смысле защищено с помощью того или иного метода модуляции. Т.е. незначительные искажения высокочастотного сигнала могут и не отразиться на модулирующем низкочастотном сигнале. Совсем по другому приходится относиться к искажениям в низкочастотных усилителях. Ведь здесь все вносимые в сигнал изменения будут в точности воспроизводиться на выходе. Учитывая вышеизложенное, в низкочастотных усилителях, как правило, гораздо большее значение имеют вопросы оптимального выбора и обеспечения стабильности рабочей точки, а поскольку и протекающие в таких усилителях мощности также гораздо выше типичных для высокочастотных схем уровней, то и проблемы эффективности (коэффициента полезного действия), температурного режима и защиты элементов от повышенных токов и напряжений здесь встают гораздо чаще. Обычным схемотехническим решением для любых высокочастотных схем является включение в цепи прохождения сигналов конденсаторов, которые имеют низкое сопротивление на частоте сигнала и высокое на низких частотах. Это позволяет отделить полезный высокочастотный переменный сигнал от постоянной составляющей, которая не проходит через конденсатор. С другой стороны, применение индуктивностей, которые, наоборот, имеют маленькое сопротивление на низких частотах и большое сопротивление на высоких частотах, позволяет выделять только постоянную составляющую, не оказывая при этом влияния на полезный высокочастотный сигнал. Таким образом, в высокочастотных усилителях мы можем проектировать цепи смещения и цепи протекания полезного сигнала совершенно отдельно друг от друга. В низкочастотных каскадах (а тем более в усилителях постоянного тока) мы лишены этого удовольствия. Здесь любой конденсатор и любая индуктивность (если только они не сравнимы по размерам с консервной банкой) неизбежно окажут некоторое влияние на полезный сигнал. Иногда таким влиянием можно пренебречь. Но если мы хотим добиться достаточно качественного звучания, то приходится постоянно помнить о наличии данной проблемы. Цепи смещения и цепи протекания полезного сигнала в низкочастотных усилительных каскадах оказываются в значительной степени совмещенными (а в усилителях постоянного тока они полностью совмещены), т.е. мы должны проектировать их так, чтобы вносимые ими в полезный сигнал искажения были минимальными. Но совершенно избавиться от этих искажений мы не в состоянии. Поэтому в низкочастотные усилительные каскады очень часто включаются специальные корректирующие цепи, которые не оказывают влияния на режимы работы транзисторов по постоянному току, но исправляют некоторые важнейшие параметры, отражающие работу на переменном сигнале (к таким параметрам в первую очередь относятся: частотная и фазовая характеристики каскада, входное и выходное сопротивление, динамический диапазон и т.п.). Здесь мы не имеем в виду, что в высокочастотных усилителях не бывает цепей частотной коррекции и т.п., но вот способы включения таких цепей, а главное, их назначение оказываются, как правило, различными для высокочастотных и низкочастотных усилителей. В низкочастотных усилителях цепи коррекции обычно включаются в виде разнообразных внутри- или междукаскадных обратных связей. При этом могут использоваться как уже имеющиеся в каскаде цепи обратной связи, образованные элементами смещения, так и новые цепочки, работающие только для переменной составляющей входного сигнала. Возможно очень большое число разновидностей данных цепей коррекции. Второй способ — это включение корректирующих элементов между каскадами многокаскадного усилителя. Для коррекции на низких частотах обычно применяются различные RC-цепочки. Ранее было довольно популярным использование низкочастотных трансформаторов, но этот метод по причине низкого качества и больших габаритов самих трансформаторов сегодня можно считать ушедшим в прошлое, в современных схемах предпочтение отдается пусть более сложным в схемотехническом плане, но более эффективным и надежным решениям. Желание добиться минимального уровня искажений в низкочастотных усилителях приводит нас к еще одной проблеме. Эффективность простейших решений усилительных каскадов на биполярных транзисторах с точки зрения отношения потребляемой каскадом мощности к мощности добавляемой к усиливаемому сигналу очень низка. Это обычно терпимо для маломощных схем в каскадах предварительного и промежуточного усиления, но в выходных каскадах усиления мощности данная проблема становится основной, ограничивающей возможность достижения приемлемых показателей. Для ее решения, во-первых, используются специальные виды усилительных каскадов (например, двухтактный каскад), в которых удается поднять КПД до приемлемого уровня, а во-вторых, вводятся дополнительные элементы, предназначенные для снижения уровня нелинейных искажений, неизбежно нарастающего, когда транзистор выходит за пределы режима линейного усиления (а это приходится делать для повышения КПД схемы). Кроме этого, в усилителях мощности (да и вообще в низкочастотных усилителях) мы часто сталкиваемся с такой проблемой. Напряжения и токи переменных сигналов, протекающие в усилительных каскадах, зачастую сравнимы с допустимыми для применяемых транзисторов предельными электрическими показателями. Также и напряжение источника питания, требуемое для таких усилителей оказывается достаточно высоким. Т.е. нам бывает трудно (а иногда и невозможно) удержать транзистор в режиме линейного усиления, когда сигналы на его электродах близки к предельно допустимым. Все это вынуждает включать в схемы усилителей специальные элементы защиты, предотвращающие выход транзисторов из строя в результате превышения разрешенных режимов, а также строго следить за температурным режимом усилителя и, если необходимо, осуществлять коррекцию рабочих точек по постоянному току. Не следует думать, что все описанные проблемы, с которыми сталкивается разработчик при проектировании низкочастотного усилителя, не имеют значения для усилителей высокочастотных — это не так. Но обычно данные проблемы гораздо менее значимы на высоких частотах, поскольку их затеняют другие, не проявлявшиеся на низких частотах эффекты. Что касается свойств конкретных схем включения биполярного транзистора, то можно констатировать, что в низкочастотных усилителях преобладают включения с ОЭ и с ОК, а также разнообразные комбинированные схемы.     < Предыдущая   Следующая >

Двухканальный усилитель низкой частоты и звуковая колонка

В установке используется усилитель НЧ, выполненный по двухканальной схеме. Преимущество двухканальной схемы перед широкополосной заключается в уменьшении как частотных, так и нелинейных искажений, в упрощении конструкций выходных трансформаторов и более легком налаживании. Кроме того, регулирование тембра в двухканальном усилителе может быть осуществлено простым изменением усиления соответствующего канала в очень больших пределах.

Использование двухканального усилителя совместно с разнесенной акустической системой позволяет простыми средствами добиться наиболее ощутимого эффекта объемного звучания.

Усилитель воспроизводит полосу частот от 40 гц до 15 кгц, которая ЯС-фильтрами разделяется на низшие (до 800 гц) и высшие (выше 800 гц) частоты. Для снижения частоты раздела до 500 гц переменное сопротивление R₈ должно быть порядка 0,5 Мом. Сигналы высших и низших частот усиливаются отдельными оконечными усилителями. Выходная мощность усилителя канала низших частот равняется 4 ва, а канала высших частот 1,5 ва. Чувствительность усилителя 0,25 в.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 1.

Первый каскад предварительного усиления на левой (по схеме) половине лампы i/7j_a(6Н2П) — широкополосный. Он обеспечивает требуемое усиление сигнала, подаваемого на вход усилителя. Разделение на каналы происходит после первого каскада. Верхние частоты через разделительные конденсаторы С4 и С₇ поступают на потенциометр R₈, выполняющий функцию регулятора тембра на верхних частотах. Снимаемый с движка потенциометра сигнал подводится к сетке оконечной лампы Л_2>, усиливается ею и воспроизводится высокочастотными громкоговорителями Гр₈ и Гр_А. В цепь управляющей сетки лампы JI_2l включен /?С-фильтр верхних частот, состоящий из сопротивлений JR₈, Rn, Ru, R16 и конденсаторов С₇, С₈, С9.

Сигнал низших частот выделяется фильтром, состоящим из сопротивлений /?4, R&, Ri, Rio и конденсаторов С₃ и С₅. После фильтра нижних частот сигнал через конденсатор С₆ поступает на фазоинвертор — триод Л\ь (правая половина лампы 6Н2П). С анодной и катодной нагрузок фазоинвертора противофазные напряжения подаются на управляющие сетки ламп Л₈ и «/7₄ оконечного каскадаРис. 1. Принципиальная схема усилителя.

низших частот, выполненного по двухтактной схеме. Сопротивлением R23 симметрируют оконечный каскад.

Сопротивления Rw и /?ц, включенные последовательно с потенциометрами регуляторов тембра (усиления), предотвращают полное ослабление частот диапазона. Подбором ‘величин этих сопротивле-

Рис. 2. Принципиальная схема ‘выпрямителя.

ний можно изменять пределы регулирования тембра и тем самым подбирать характеристику каждого канала. Усилитель питается от выпрямителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.

Выпрямитель состоит из трансформатора питания 7рз, выпрямительного элемента АВС-120-270 и сглаживающего фильтра CitiRwCie– Для получения запаса по мощности рассеяния сопротивление i?29 составлено из двух параллельно включенных двухваттных сопротивлений.

ДЕТАЛИ

Для простоты повторения конструкции в усилителе использованы детали от промышленных приемников.

Трансформатор питания и выходные трансформаторы можно использовать от приемника «Люкс» или «Дружба». Потенциометры для регулировки (громкости) верхних и нижних частот следует применить типа А. Потенциометр для регулировки громкости на входе усилителя применен логарифмический от радиол «Сакта», «Люкс», «Дружба». Имеющиеся на потенциометре отводы для подключения тонкомпенсирующей ячейки RC не используются. Сопротивления МЛТ или ВС, конденсаторы МБМ, КБГИ, КСО, КЭ-2-М или КЭГ. Громкоговорители: в канале верхних частот применены громкоговорители 1ГД-9 (Гр₃ и Гр₄), в канале нижних частот — громкоговорители 5ГД-14 (Грι и Гр₂). В качестве монтажных планок использованы 16-лепестковые и 4-лепестковые монтажные планки от телевизора «Рубин-102».

Вместо трансформатора питания от радиолы «Люкс» можно использовать трансформатор от радиолы «Волга» или от магнитофона «Днепр-11». В случае применения трансформатора от радиолы «Волга» заземляется один из концов накальной обмотки в самом выпрямителе. Бели же используется трансформатор от магнитофона «Днепр-11», то параллельно накальной обмотке следует включить потенциометр сопротивлением 100 ом (2 вт) с заземленной средней точкой, путем передвижения движка которого добиваются минимального фона.

В случае, если радиолюбитель испытывает трудности в приобретении указанных деталей, то низкочастотный трансформатор от радиолы «Люкс» в канале нижних частот можно заменить любым трансформатором, рассчитанным на работу в двухтактном каскаде без изменений в принципиальной схеме усилителя.13 из схемы исключаются. В качестве выходного трансформатора можно использовать трансформатор от радиоприемников «Рекорд», «Москвич», «Муромец» и др. Соответственно и громкоговорители должны быть такими, на которые рассчитаны эти трансформаторы.

Величина сопротивления R₂3 может быть меньше или больше указанной на принципиальной схеме. При этом необходимо подобрать сопротивления R₂₂ и R₂4 так, чтобы каждое в сумме с половиной сопротивления R₂₃ составляло 270—300 ом. При отсутствии потенциометра выводы катодов ламп Л_ъ и Л₄ соединяют вместе и заземляют через сопротивление порядка 120—150 ом, параллельно которому включают электролитический конденсатор емкостью до 100 мкф.

СБОРКА И МОНТАЖ

Общий вид готового усилителя приведен на рис. 3 и 4.

Усилитель собирают на металлическом шасси размерами 240Х200Х’2Б мм. Разметка шасси приведена на рис. 5.

Сначала на шасси прикрепляют ламповые панели, а затем монтажные планки, предварительно изолированные от шасси прокладками из текстолита (или другого изолирующего материала), и лепесток «заземления». К крайнему лепестку планки и лепестку «заземления» припаивают шину заземления, изготовленную из луженого медного провода диаметром 1 мм. Монтаж начинают с припайки проводов накала ламп (рис. 6). Накальные провода, идущие к предварительному усилителю, прокладывают сверху шасси. С этой целью их пропускают через отверстия около ламп Л\ и Л₃. Для фиксации положения проводов их можно приклеить к шасси клеем БФ-2. Провода накала свивают и подсоединяют к гнездам разъема питания.

Рис. 3. Общий вид усилителя.

 

Рис. 4. Монтаж деталей под шасси усилителя.

а — вид сбоку; б — вид сверху.

Рис. 6. Монтажная схема усилителя.

Рис. 7. Плата с потенциометрами.

 

б)

Рис. 8. Монтаж выпрямителя, а — вид сверху; 6 — вид снизу.

Монтаж ведется согласно монтажной схеме (рис. 6), начиная с фильтра высших частот. Регуляторы громкости и тембра смонтированы на выносной плате (рис. 7), выполненной из алюминия или фанеры. Соединительный жгут проводов должен быть экранирован металлической оплеткой. К плате с потенциометрами и к шасси усилителя жгут необходимо закрепить хомутами. Для связи с выпрямителем необходимо установить на шасси разъем, имеющий не менее четырех контактов (для проводов анодного напряжения,’ напряжения накала и заземления).

Провод, по которому подается сигнал .на вход усилителя, дол жен быть экранирован и подсоединен к специальным лепесткам, расположенным на шасси. Если имеется высокочастотный разъем (например, типа ВР), то ввод можно выполнить ‘через такой разъем при помощи кабеля РК-119.

Выпрямитель собран на отдельном шасси размерами 250X110Х ХЗО мм. Можно использовать и готовый выпрямитель на 100— 120 ма, если таковой имеется у ‘радиолюбителя. Для наглядности, как пример, на ,рис. 8 приведен один из вариантов выполнения (выпрямителя. В данном случае вместо электролитических конденсаторов КЭ-2-Н по 40 мкф использованы конденсаторы КЭГ по 10 и 20 мкф, соединенные параллельно.

Если в усилителе применены исправные детали и при монтаже не допущено ошибок, то налаживание его будет заключаться в симметрировании двухтактного каскада канала низших частот по постоянному току.

Для этого необходимо отсоединить левые (по схеме) выводы конденсаторов Сю и Си и подключить их к цепи накала (незаземленному лепестку ламповой панельки). Затем регулировкой потенциометра установить на выходе усилителя минимум фона переменного тока (по громкости). Зафиксировав положение движка потенциометра при помощи клея, лака или краски, опять восстанавливают схему усилителя.

Источник: Филатов Игорь Семенович, Двухканальный усилитель низкой частоты и звуковая колонка. М. — Л., издательство „Энергия», 1965, 16 стр. с илл. (Массовая радиобиблиотека. Вып. 564). Сводный тематический план по радиоэлектронике, 1965 г., N° 204.

Анализ частотных характеристик усилителей и фильтров

Усилители и фильтры — это широко используемые электронные схемы, обладающие свойствами усиления и фильтрации, отсюда и их названия.

Усилители создают усиление, а фильтры изменяют амплитудные и / или фазовые характеристики электрического сигнала относительно его частоты. Поскольку в этих усилителях и фильтрах используются резисторы, катушки индуктивности или конденсаторные цепи (RLC) в своей конструкции, существует важная взаимосвязь между использованием этих реактивных компонентов и частотными характеристиками схем.

При работе с цепями переменного тока предполагается, что они работают на фиксированной частоте, например 50 Гц или 60 Гц. Но отклик линейной цепи переменного тока также можно исследовать с помощью переменного или синусоидального входного сигнала постоянной величины, но с переменной частотой, например, в схемах усилителя и фильтра. Затем это позволяет изучать такие схемы с помощью анализа частотной характеристики.

Частотная характеристика электрической или электронной схемы позволяет нам точно увидеть, как выходное усиление (известное как амплитудная характеристика ) и фаза (известная как фазовая характеристика ) изменяются на определенной единственной частоте или выше. целый диапазон разных частот от 0 Гц, (d.c.) до многих тысяч мегагерц (МГц) в зависимости от проектных характеристик схемы.

Как правило, анализ частотной характеристики схемы или системы показан путем построения графика ее усиления, то есть размера ее выходного сигнала по отношению к входному сигналу, выход / вход, в зависимости от шкалы частот, в которой, как ожидается, будет работать схема или система. Затем знание схем усиления (или потерь) в каждой частотной точке помогает нам понять, насколько хорошо (или плохо) схема может различать сигналы разных частот.

Частотная характеристика данной частотно-зависимой схемы может быть отображена в виде графического эскиза величины (усиления) в зависимости от частоты (ƒ). Горизонтальная ось частоты обычно отображается в логарифмическом масштабе, а вертикальная ось, представляющая выходное напряжение или усиление, обычно отображается в виде линейной шкалы с десятичными делениями. Поскольку коэффициент усиления системы может быть как положительным, так и отрицательным, ось Y может иметь как положительные, так и отрицательные значения.

В электронике логарифм , или сокращенно «журнал», определяется как степень, до которой необходимо возвести базовое число, чтобы получить это число.Затем на графике Боде логарифмическая шкала оси x имеет логарифмическую шкалу ₁₀ делений, поэтому каждая декада частоты (например, 0,01, 0,1, 1, 10, 100, 1000 и т. Д.) Равномерно распределяется по оси x. -ось. Противоположность логарифму — это антилогарифм или «антилог».

Графические представления кривых частотной характеристики называются графиками Боде , и как таковые графики Боде обычно называют полулогарифмическими графиками, потому что одна шкала (ось x) является логарифмической, а другая (ось y) — линейной (log -лин сюжет), как показано.

Кривая частотной характеристики

Тогда мы можем видеть, что частотная характеристика любой данной схемы — это изменение ее поведения с изменениями частоты входного сигнала, поскольку она показывает полосу частот, в которой выходной сигнал (и коэффициент усиления) остается довольно постоянным. Диапазон частот между ƒ _L и ƒ _H называется полосой пропускания цепи. Таким образом, мы можем сразу определить коэффициент усиления по напряжению (в дБ) для любого синусоидального входа в заданном диапазоне частот.

Как упоминалось выше, диаграмма Боде представляет собой логарифмическое представление частотной характеристики. Большинство современных усилителей звука имеют плоскую частотную характеристику, как показано выше, во всем звуковом диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Этот диапазон частот для аудиоусилителя называется его полосой пропускания (BW) и в первую очередь определяется частотной характеристикой схемы.

Точки частоты ƒ _L и ƒ _H относятся к нижнему углу или частоте среза и к верхнему углу или точкам частоты среза соответственно, где усиление схемы падает на высоких и низких частотах.Эти точки на кривой частотной характеристики обычно известны как точки -3 дБ (децибел). Таким образом, пропускная способность задается просто как:

.

Децибел (дБ), который составляет 1/10 ^th бела (B), является общей нелинейной единицей измерения усиления и определяется как 20log ₁₀ (A), где A — десятичное усиление, наносится на ось y. Ноль децибел (0 дБ) соответствует функции величины от единицы, дающей максимальный выход. Другими словами, 0 дБ возникает, когда Vout = Vin, поскольку на этом частотном уровне нет затухания, и задается как:

Из графика Боде выше видно, что в двух угловых точках или точках частоты среза выходной сигнал падает с 0 дБ до -3 дБ и продолжает падать с фиксированной скоростью.Это падение или уменьшение усиления обычно называют областью спада кривой частотной характеристики. Во всех основных схемах усилителей и фильтров простого порядка эта скорость спада определяется как 20 дБ / декада, что эквивалентно скорости 6 дБ / октаву. Эти значения умножаются на порядок следования схемы.

Эти точки угловой частоты -3 дБ определяют частоту, при которой выходное усиление уменьшается до 70,71% от максимального значения. Тогда мы можем правильно сказать, что точка -3 дБ — это также частота, на которой коэффициент усиления системы снизился до 0.707 от максимального значения.

Частотная характеристика -3 дБ точка

Точка -3 дБ также известна как точки половинной мощности, поскольку выходная мощность на этих угловых частотах будет вдвое меньше ее максимального значения 0 дБ, как показано.

Следовательно, количество выходной мощности, подаваемой на нагрузку, эффективно «уменьшается вдвое» на частоте среза, и поэтому ширина полосы (BW) кривой частотной характеристики также может быть определена как диапазон частот между этими двумя половинными мощностями. точки.

В то время как для усиления по напряжению мы используем 20log ₁₀ (Av), а для усиления по току 20log ₁₀ (Ai), для усиления по мощности мы используем 10log ₁₀ (Ap). Обратите внимание, что коэффициент умножения 20 не означает, что он вдвое больше 10, поскольку децибел является единицей отношения мощностей, а не мерой фактического уровня мощности. Также усиление в дБ может быть положительным или отрицательным, при этом положительное значение указывает на усиление, а отрицательное значение — на затухание.

Затем мы можем представить соотношение между напряжением, током и усилением мощности в следующей таблице.

эквиваленты усиления в децибелах

дБ Усиление	Коэффициент усиления напряжения или тока 20log 10 (A)	Коэффициент усиления 10log 10 (A)
-6	0,5	0,25
-3	0,7071 или 1 / √2	0,5
0	1	1
3	1,414 или √2	2
6	2	4
10	3.2	10
20	10	100
30	32	1 000
40	100	10 000
60	1 000	1 000 000

Операционные усилители могут иметь коэффициент усиления по напряжению без обратной связи (A _VO ) более 1000000 или 100 дБ.

Децибел Пример №1

Если электронная система выдает выходное напряжение 24 мВ при подаче сигнала 12 мВ, вычислите значение в децибелах выходного напряжения системы.

Децибел Пример No2

Если выходная мощность аудиоусилителя измеряется на уровне 10 Вт при частоте сигнала 1 кГц и 1 Вт при частоте сигнала 10 кГц. Рассчитайте изменение мощности в дБ.

Сводка частотной характеристики

В этом руководстве мы увидели, как диапазон частот, в которых работает электронная схема, определяется ее частотной характеристикой . Частотная характеристика устройства или схемы описывает его работу в заданном диапазоне частот сигнала, показывая, как его усиление или количество сигнала, которое оно пропускает, изменяется в зависимости от частоты.

Графики

Боде представляют собой графические представления частотных характеристик схем и, как таковые, могут использоваться при решении задач проектирования. Как правило, амплитуда и фазовые функции схем показаны на отдельных графиках с использованием логарифмической шкалы частот по оси x.

Полоса пропускания — это диапазон частот, в которых работает схема, между ее верхней и нижней точками отсечки. Эти точки отсечки или угловой частоты указывают частоты, на которых мощность, связанная с выходом, падает до половины своего максимального значения.Эти точки половинной мощности соответствуют падению усиления на 3 дБ (0,7071) относительно максимального значения в дБ.

Большинство усилителей и фильтров имеют плоскую частотную характеристику, при которой полоса пропускания или часть полосы пропускания схемы является плоской и постоянной в широком диапазоне частот. Резонансные цепи предназначены для пропускания одного диапазона частот и блокировки других. Они построены с использованием резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, реактивные сопротивления которых изменяются в зависимости от частоты, их кривые частотной характеристики могут выглядеть как резкий подъем или точка, поскольку на их полосу пропускания влияет резонанс, который зависит от добротности цепи, поскольку более высокая добротность обеспечивает более узкая полоса пропускания.

Анализ низкочастотной характеристики усилителя

Здравствуйте, ребята, надеюсь, у вас все отлично. В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим Анализ низкочастотной характеристики усилителя . Для усилителя с емкостной связью, если частота сигнала меньше критического значения, это повлияет на усиление напряжения и фазовый сдвиг.При меньшем значении частоты реактивное сопротивление разделительного конденсатора становится достаточным, что вызывает уменьшение усиления по напряжению и увеличение фазового сдвига.

В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим частотную характеристику усилителей с емкостной связью BJT и FET и связанные с ними параметры. Итак, давайте начнем с Analyze Low Frequency Response of Amplifier.

Схемы усилителей BJT

• На приведенном ниже рисунке показана конфигурация усилителя с общим эмиттером с емкостной связью.

• Предположим, что конденсаторы связи и байпаса идеально закорочены на средней частоте сигнала, мы можем вычислить усиление напряжения среднего диапазона с использованием приведенного ниже уравнения. В этом уравнении Rc = RCΙΙRL.

Av (средний) = Rc / r’e

• Если используется сопротивление заболачиванию RE1, оно выходит последовательно, и тогда уравнение будет.

Av (средний) = Rc / (r’e + RE1)

• На приведенном выше рисунке показан усилитель BJT с тремя RC-цепями верхних частот, которые влияют на его усиление с уменьшением частоты ниже среднего.
• Это показано на приведенной ниже схеме с меньшей частотой переменного тока.

• Результирующая схема с меньшей частотой сохраняет соединительные и шунтирующие конденсаторы, поскольку XC нельзя игнорировать, когда частота сигнала очень низкая.
• Одна RC-цепь состоит из входного разделительного конденсатора C1 и входного сопротивления усилителя.
• Вторая RC-цепь создается с помощью выходного разделительного конденсатора C3, сопротивление можно увидеть на коллекторе (Rout) и сопротивление нагрузки.
• Третья RC-цепь, которая влияет на низкочастотную характеристику, создается с помощью конденсатора C2 обхода эмиттера и сопротивления, видимого на эмиттере.

Входная RC-цепь

• Входная RC-схема усилителя с биполярным переходом, показанная на первом рисунке, создана с помощью конденсатора C1 и входного сопротивления усилителя, как показано на рисунке ниже.

• С уменьшением частоты сигнала XC1 повышается. Это вызывает меньшее напряжение на входном сопротивлении усилителя на выводе базы, поскольку дополнительное напряжение теряется на конденсаторе C1 и из-за этого общее усиление напряжения усилителя уменьшается.
• Базовое напряжение входной RC-цепи, показанной на рисунке выше, можно объяснить как.

В _база = (Rin / √ (R ² дюйм + X ² _C1 )) Vin

• Как и ранее, обсудим критическую точку отклика выходов усилителя, когда выходное напряжение составляет 70,7% от его среднего значения.
• Эта ситуация возникает во входной RC-цепи, когда XC1 = Rin.

В _{основание} = (Rin / √ (R ² дюйма + R ² _дюйм )) Vin = (Rin / √ (2R ² дюйма)) Vin = (Rin / (√2.Рин)) Ви

В _база = 0,707 Вин

20log (Vbase / Vin) = 20 log (0,707) = -3 дБ

Меньшая критическая частота

• Ситуация, когда усиление меньше трех децибел, логически называется точкой отклика усилителя, чистое усиление на три децибела ниже средней частоты из-за ослабления входной RC-цепи.
• Частота fcl, при превышении которой возникает эта ситуация, известна как меньшая или более низкая критическая частота, также называемая частотой среза или нижней частотой прерывания, и может быть найдена как.

XC1 = 1 / 2pfcl (вход) C1 = Rin

fcl (вход) = 1 / 2ΠRinC1 —- (A)

• Если принять во внимание сопротивление входного источника, тогда уравнение A будет.

fcl (вход) = 1 / 2Π (Rs + Rin) C1

Спад усиления напряжения на низких частотах

• Как мы уже обсуждали, входная RC-схема снижает общий коэффициент усиления по напряжению усилителя на три децибела, когда частота снижается до критического значения fc.
• При уменьшении частоты меньше, чем fc, общий выигрыш по напряжению также уменьшается.
• Скорость, с которой усиление напряжения уменьшается с частотой, известна как спад .
• На каждые 10 раз уменьшения частоты меньше fc происходит уменьшение усиления напряжения на 20 децибел.
• Предположим, что частота составляет одну десятую критической частоты (f = 0,1fc).
• Поскольку XC1 = Rin при fc, то XC1 = 10Rin при 0,1fc из-за обратной зависимости XC1 и f.
• Ослабление входной RC-цепи будет как.
• Затухание = Vbase / Vin = Rin / √ (R ² дюйма + X ² C1) = Rin / √ (R ² дюйма + (10Rin) ² )

= Rin / √ ( ² дюйма + 100R ² дюйма) = Rin / Rin√101 = 0,1

• Затухание в децибелах будет.

20 log (Vbase / Vin) = 20 log (0,1) = -20 дБ

Что такое участок Боде

• Десятикратное изменение частоты во времени известно как декада.Поэтому для входной RC-цепи затухание уменьшается на двадцать децибел на каждую декаду, когда частота снижает критическую частоту.
• Он сводит общий прирост напряжения к потере двадцати децибел за декаду.
• График зависимости усиления напряжения в децибелах от частоты на миллиметровой бумаге или логарифмической оси X и линейной оси Y известен как график Боде .
• Общая диаграмма Боде для входной RC-цепи показана на рисунке ниже.

• Идеальная кривая отклика нарисована синим цветом.Вы можете видеть, что это ровный или нулевой децибел, приближающийся к критической частоте, в этот момент усиление уменьшается на -20 дБ / декаду, как обозначено.
• Над fc находятся средние частоты.
• Фактическая кривая отклика нарисована красным цветом. Обратите внимание, что он медленно снижается, начиная с среднего диапазона, и достигает критической частоты.
• Часто идеальный отклик используется для упрощения анализа усилителя.
• Как обсуждалось выше, значение критической частоты, при которой кривая переходит в спад, известно как -20 дБ / декада, более низкая частота разрыва
• Иногда спад усиления напряжения усилителя указывается в дБ / октава, а не дБ / декада.
• Октава напоминает удвоение или уменьшение частоты вдвое.
• Например, приращение частоты от ста до двухсот герц составляет октаву.
• Точно так же уменьшение частоты от ста до пятидесяти килогерц также является октавой.
• Скорость -20 дБ / декада почти равна скорости -6 дБ / октава, а скорость -40 дБ / декада равна -12 дБ / октава

Фазовый сдвиг во входной RC-цепи

• При уменьшении усиления по напряжению входная RC-схема также вызывает увеличение фазового сдвига через усилитель с уменьшением частоты.
• Для средних частот фазовый сдвиг во входной RC-цепи почти равен 0, поскольку емкостное реактивное сопротивление XC1 почти равно нулю.
• При меньшей частоте большие значения XCq вызывают фазовый сдвиг, а выходное напряжение RC-цепи генерирует входное напряжение.
• Как мы знаем, фазовый угол во входной RC-цепи определяется как.

θ = желто-коричневый ^-1 (XC1 / Rin)

• Для среднего диапазона частоты Xc1 = 0 Ом.

θ = Tan ^-1 (0 Ом / Rin) = 0

• Для критической частоты XC1 = Rin, поэтому

θ = Tan ^-1 (Rin / Rin) = 45

• На декаду меньше критическая частота XC1 = 10Rin, поэтому

θ = Tan ^-1 (10Rin / Rin) = 84.3 °

• Продолжение этой процедуры приведет к тому, что фазовый сдвиг во входной RC-цепи приближается к нулевой степени, когда частота приближается к 0.
• На рисунке ниже показан график зависимости фазового угла от частоты.

• Выход состоит в том, что напряжение на базе транзистора приводит к тому, что напряжение входного сигнала в фазе меньше среднего диапазона, как показано на рисунке ниже.

Выходная RC-цепь

• Вторая высокочастотная RC-цепь в усилителе BJT, показанном на первом рисунке, создается с помощью разделительного конденсатора C3, сопротивление на коллекторе и сопротивление нагрузки обозначено как RL, а на рисунке ниже обозначено как «a».

• Для определения выходного сопротивления, наблюдаемого с коллектора, транзистор работает как идеальный источник тока, а верхняя часть RC находится на заземлении переменного тока, показанном на рисунке, обозначенном как «b».
• Таким образом, при подаче на левую сторону конденсатора C3 результирующего источника напряжения, равного напряжению коллектора, и последовательного резистора, идентичного RC, как показано на рисунке, обозначенного как c.
• Менее критическая частота этой выходной RC-цепи задается как.

fcl (выход) = 1 / 2Π (RC + RL) C3

• Влияние выходной RC-цепи на усиление напряжения усилителя аналогично влиянию входной RC-цепи.
• С уменьшением частоты сигнала XC3 увеличивается.
• Это вызывает меньшие потери напряжения на сопротивлении нагрузки, поскольку большие потери напряжения на конденсаторе C3.
• Напряжение сигнала уменьшается с коэффициентом 0,707, когда частота понижается до менее критического значения fcl. Это соответствует уменьшению усиления по напряжению на три дБ.

Фазовый сдвиг в выходной RC-цепи

• Фазовый угол в выходной RC-цепи имеет вид.

θ = желто-коричневый ^-1 XC3 / (RC + RL)

• θ равно нулю для средней частоты и приближается к девяноста градусам, когда частота приближается к нулю.
• Для критической частоты fc фазовый сдвиг составляет 45 градусов.

Байпасная RC-цепь

• Третья RC-схема, которая влияет на меньшее усиление частоты усилителя с биполярным переходом на первом рисунке, теперь состоит из байпасного конденсатора C2.
• На рисунке ниже показано, что оно обозначено как «a» для средней частоты. Предполагается, что XC2 = 0 Ом закорочил эмиттер с землей, поэтому коэффициент усиления усилителя Rc> r’e.

• С уменьшением частоты увеличивается XC2, и реактивное сопротивление недостаточно меньше для размещения эмиттера на земле переменного тока, как показано на рисунке выше, обозначенном как b ’.

• Поскольку сопротивление эмиттера относительно земли увеличивается, коэффициент усиления уменьшается.
• В этом условии Re в уравнении Av = Rc / (r’e + Re) заменяется импедансом, создаваемым сопротивлением RE, параллельным XC2.
• RC-цепь байпаса создается с помощью конденсатора C2 и сопротивления, видимого на эмиттере Rin (эмиттере), как показано на рисунке, обозначенном как a ’.

• Сопротивление, подключенное к эмиттеру, можно рассчитать с помощью следующей процедуры.
• На рисунке, обозначенном как b ’, теорема Венина применяется, начиная с базы транзистора и заканчивая входным источником Vin.
• Он обеспечивает эквивалентное сопротивление Rth и эквивалентный источник напряжения Vth (1), подключенный последовательно с базой, как показано на рисунке, обозначенном как c ’.
• Сопротивление на эмиттере определяется при подключении эквивалентного источника, подключенного к нему, показанного на рисунке, обозначенного как d ’.

Rin (излучатель) = r’e + Ve / Ie = r’e + Vb / βacIb = r’e + IbRth / βacIb

Rin (излучатель) = r’e + Rth / βac

• Измерение конденсатора C2 r’e + Rth / βac в параллельной комбинации с сопротивлением RE, показанным на рисунке, обозначенным как e ’.
• Применяя их снова, мы получаем эквивалентную RC-схему, показанную на рисунке, обозначенную буквой f ’.
• Нижняя критическая частота для этой результирующей RC-цепи байпаса задается как.

fcl (байпас) = 1 / 2Π [(r’e + Rth / βac) ΙΙRE] C2

• Если мы используем сопротивление затоплению, окончательное уравнение для Rin (излучателя) будет.

Rin (излучатель) = r’e + RE1 + Rth / βac

Усилители на полевых транзисторах

• Конфигурация усилителя D-MOSFET с нулевым смещением и емкостной связью на обеих сторонах входа и выхода показана на рисунке ниже.

• Коэффициент усиления по напряжению среднего диапазона усилителя с нулевым смещением равен.

Av (средний) = gmRd

• Коэффициент усиления по частоте достаточно велик, поэтому емкостное сопротивление почти 0.
• Усилитель, показанный на рисунке выше, имеет только 2 RC цепи верхних частот, что влияет на его низкочастотную характеристику.
• Одна RC-цепь состоит из входного разделительного конденсатора C1 и входного сопротивления.
• Вторая схема состоит из входного разделительного конденсатора C2 и выходного сопротивления, соединенного со стоком.

RC-цепь входного усилителя на полевых транзисторах

• Входная RC-схема усилителя на полевых транзисторах, показанная на рисунке выше, создана на рисунке ниже.

• Как мы уже говорили, в усилителе BJT реактивное сопротивление входного конденсатора связи увеличивается с уменьшением частоты.
• Когда XC1 = Rin, усиление на три децибела меньше его среднего значения vlaue.
• Нижняя критическая частота задается как.

fcl (вход) = 1 / 2ΠRinC1

• Входное сопротивление задано как.

Rin = RGΙΙRin (ворота)

• В этом уравнении Rin (вентиль) находится из чтения таблицы.

Рин (ворота) = ΙVGS / IGSSΙ

• Нижняя критическая частота задается как.

fcl (вход) = 1 / 2Π (RG || Rin (вентиль)) C1

RC-цепь выхода усилителя на полевых транзисторах

• Вторая RC-схема, которая влияет на низкочастотную характеристику усилителя на полевых транзисторах, создается с помощью разделительного конденсатора C2, а выходное сопротивление, соединенное со стоком, показано на рисунке ниже и обозначено как a ’.

• Добавляется сопротивление нагрузки Rl. Для BJT полевой транзистор работает как источник тока, а верхняя часть сопротивления RD является землей по переменному току, как показано на рисунке выше и обозначено как b ’.
• Результирующая thevenin слева от C2 показана на рисункеr и обозначена как c.
• Нижняя критическая частота для этой RC-цепи обозначена как.

fcl (выход) = 1 / 2Π (RD + RL) C2

• Влияние выходной RC-схемы на усиление по напряжению усилителя ниже среднего уровня аналогично входной RC-схеме.
• Схема с наибольшей критической частотой доминирует, поскольку именно она вызывает спад усиления, когда частота меньше ее средних значений.
• Фазовый угол в схеме менее частотного выхода Rc задается как.

θ = желто-коричневый ^-1 XC2 / (RD + RL)

• Снова мы говорим, что на критической частоте фазовый угол составляет сорок пять градусов и приближается к нескольким градусам, когда частота приближается к 0 градусам.
• Несмотря на то, что фаза начинается с критической частоты, фазовый угол уменьшается с сорока пяти градусов и становится очень меньше по мере увеличения частоты.

Общая низкочастотная характеристика усилителя

• До сих пор мы обсуждали отдельно RC-схему верхних частот, которая влияет на усиление напряжения усилителя BJT или FET на меньшей частоте, теперь давайте обсудим общий эффект 3 RC-схемы в усилителе BJT.
• Каждая схема имеет круговую частоту, рассчитанную с параметрами R и C,
• Критическая частота 3 RC цепей не одинакова.
• критическая частота одной RC-цепи больше, чем у других 3-х, то это доминирующая RC-схема.
• Доминирующая схема находит частоту, при которой общий коэффициент усиления по напряжению усилителя начинает уменьшаться до -20 дБ / декаду.
• Каждая другая схема вызывает дополнительный спад на -20 дБ / декаду за вычетом соответствующей критической частоты.
• Чтобы получить хороший результат с меньшей частотой, мы построим график Боде на рисунке ниже.

• Он отображает наложенные идеальные отклики для 3 RC цепей в зеленых линиях усилителя BJT.
• В этом примере каждая RC-цепь имеет разную критическую частоту.Входная RC-схема является доминирующей в этом состоянии, а RC-схема байпаса имеет меньшую fc.
• Идеальный общий ответ показан синими цветными линиями.
• На данный момент происходит что. При уменьшении частоты от mirange первая точка разрыва возникает на критической частоте входной RC-цепи, fcl или входа, и усиление начинает уменьшаться на -20 дБ / декаду.
• Эта постоянная скорость нарастания продолжается до тех пор, пока не будет достигнута критическая частота выходной RC-цепи fcl (выход).
• Для этой точки торможения выходная RC-схема добавила еще -20 дБ / декаду, чтобы создать общий спад -40 дБ / декаду.
• этот постоянный спад -40 дБ / декада непрерывен до достижения критической частоты схемы байпаса RC.
• RC-схема обхода добавила еще -20 дБ / декаду в этой точке разрыва, создавая спад усиления на -60 дБ / декаду.
• Если все RC-цепи имеют одинаковое значение критической частоты, кривая отклика имеет одну точку излома при этом значении fcl, а коэффициент усиления по напряжению падает на -60 дБ / декаду меньше этого значения, что показано на рисунке ниже с идеальной кривой синим цветом. .

• В действительности усиление по напряжению в среднем диапазоне не распространяется на доминирующую критическую частоту, но на -9 дБ меньше коэффициента усиления по напряжению в среднем диапазоне, что показано на рисунке выше красной кривой.

Это подробный пост об анализе низкочастотной характеристики усилителя, если у вас есть какие-либо вопросы, спрашивайте в комментариях. Спасибо за прочтение. Хорошего дня.

Автор: Генри

http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях.Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

(a) Схема усилителя сигнала напряжения низкой частоты с …

Контекст 1

… полевые транзисторы BN / G / BN были также испытаны для применения в схемах усилителя низкой частоты. На рис. 5 (а) показана простая схема низкочастотного усилителя в схеме резистивной нагрузки, которая использовалась для оценки характеристик усиления внешнего напряжения этих устройств.Несколько устройств были измерены с входным частотным сигналом 1 кГц, приложенным к затвору с резистивной нагрузкой 10 кОм, установленной на конце стока. На рис. 5 (b) показаны приложения схемы …

Контекст 2

… На рис. 5 (а) показана простая схема низкочастотного усилителя в схеме резистивной нагрузки, которая использовалась для оценки характеристик усиления внешнего напряжения этих устройств. Несколько устройств были измерены с входным частотным сигналом 1 кГц, приложенным к затвору с резистивной нагрузкой 10 кОм, установленной на конце стока.На рис. 5 (b) показана фотография осциллографа с высоким сопротивлением, используемого для контроля выходного напряжения. Наибольшее измеренное усиление напряжения ∼6 дБ наблюдалось для устройства с L G = 10 мкм и W = 10 мкм, когда приложенное входное напряжение переменного тока составляло 20 мВ PP, а измеренное выходное напряжение составляло 40 мВ PP. Этот результат демонстрирует потенциальные возможности …

Контекст 3

… с использованием метода короткого замыкания-открытия-сквозной загрузки и двухпортовые измерения S-параметров были выполнены с использованием зондов GSG на пластине.Наибольшая (внешняя) максимальная частота колебаний f Max ~ 0,54 ГГц и самая высокая (внешняя) частота отсечки f T ~ 0,26 ГГц для устройства с LG = 10 мкм и W = 30 мкм наблюдались при V TG = 1 В и V DS = 4 В [Рис. 5 (c)]. Наивысшее отношение f Max / f T составляло ~ 2,21 для устройства с L G = 12 мкм и W = 30 мкм при V TG = 0 В и V DS = 4 В [Рис. 5 (d)]. Среднее значение отношения f Max / f T в этих устройствах было приблизительно 2. Современное соотношение f Max / f T, равное 3,2, было продемонстрировано для аналогичных устройств микрометрового размера с областью доступа…

Контекст 4

… самая высокая (внешняя) максимальная частота колебаний f Макс ∼0,54 ГГц и самая высокая (внешняя) частота отсечки f T ∼0,26 ГГц для устройства с LG = 10 мкм и Вт = 30 мкм наблюдалось при V TG = 1 В и V DS = 4 В [Рис. 5 (c)]. Наивысшее отношение f Max / f T составляло ~ 2,21 для устройства с L G = 12 мкм и W = 30 мкм при V TG = 0 В и V DS = 4 В [Рис. 5 (d)]. Среднее значение отношения f Max / f T в этих устройствах было приблизительно 2. Современное соотношение f Max / f T равняется 3.2 был продемонстрирован для аналогичных устройств микрометрового размера с длиной области доступа ~ 100 нм [51], таким образом минимизируя влияние паразитного сопротивления доступа. Мы сравнили наши RF GFET с контактом по краю …

Контекст 5

… полевые транзисторы BN / G / BN также были протестированы для применения в схемах усилителя низкой частоты. На рис. 5 (а) показана простая схема низкочастотного усилителя в схеме резистивной нагрузки, которая использовалась для оценки характеристик усиления внешнего напряжения этих устройств.Несколько устройств были измерены с входным частотным сигналом 1 кГц, приложенным к затвору с резистивной нагрузкой 10 кОм, установленной на конце стока. На рис. 5 (b) показаны приложения схемы …

Контекст 6

… На рис. 5 (а) показана простая схема низкочастотного усилителя в схеме резистивной нагрузки, которая использовалась для оценки характеристик усиления внешнего напряжения этих устройств. Несколько устройств были измерены с входным частотным сигналом 1 кГц, приложенным к затвору с резистивной нагрузкой 10 кОм, установленной на конце стока.На рис. 5 (b) показана фотография осциллографа с высоким сопротивлением, используемого для контроля выходного напряжения. Наибольшее измеренное усиление напряжения ∼6 дБ наблюдалось для устройства с L G = 10 мкм и W = 10 мкм, когда приложенное входное напряжение переменного тока составляло 20 мВ PP, а измеренное выходное напряжение составляло 40 мВ PP. Этот результат демонстрирует потенциальные возможности …

Контекст 7

… с использованием метода короткого замыкания, открытия и сквозной загрузки, а измерения S-параметров с двумя портами были выполнены с использованием зондов GSG на пластине.Наибольшая (внешняя) максимальная частота колебаний f Max ~ 0,54 ГГц и самая высокая (внешняя) частота отсечки f T ~ 0,26 ГГц для устройства с LG = 10 мкм и W = 30 мкм наблюдались при V TG = 1 В и V DS = 4 В [Рис. 5 (c)]. Наивысшее отношение f Max / f T составляло ~ 2,21 для устройства с L G = 12 мкм и W = 30 мкм при V TG = 0 В и V DS = 4 В [Рис. 5 (d)]. Среднее значение отношения f Max / f T в этих устройствах было приблизительно 2. Современное соотношение f Max / f T, равное 3,2, было продемонстрировано для аналогичных устройств микрометрового размера с областью доступа…

Контекст 8

… самая высокая (внешняя) максимальная частота колебаний f Макс ∼0,54 ГГц и самая высокая (внешняя) частота отсечки f T ∼0,26 ГГц для устройства с LG = 10 мкм и Вт = 30 мкм наблюдалась при V TG = 1 В и V DS = 4 В [Рис. 5 (c)]. Наивысшее отношение f Max / f T составляло ~ 2,21 для устройства с L G = 12 мкм и W = 30 мкм при V TG = 0 В и V DS = 4 В [Рис. 5 (d)]. Среднее значение отношения f Max / f T в этих устройствах было приблизительно 2. Современное соотношение f Max / f T равняется 3.2 был продемонстрирован для аналогичных устройств микрометрового размера с длиной области доступа ~ 100 нм [51], таким образом минимизируя влияние паразитного сопротивления доступа. Мы сравнили наши RF GFET с контактом по краю …

Коэффициент усиления — обзор

Радиочастота

RF — это высокочастотные электромагнитные сигналы переменного тока, которые проходят по медному проводу и излучаются антенной через воздух как передатчик и приемник. Эти сигналы переменного тока, попав в эфир, превращаются в радиоволны или формы волны.То, как эти радиоволны распространяются, зависит от типа антенны (см. Раздел «Антенны»).

Радиочастотный усилитель и / или мощная антенна используются для увеличения радиочастотного усиления или амплитуды. Потери радиочастот возникают, когда в сигнале присутствует сопротивление, такое как прохождение через радиочастотный кабель и разъемы, или импеданс при несовпадении кабелей и разъемов.

Гц и длина волны

Длина волны RF измеряется в километрах, сантиметрах или миллиметрах. Это расстояние между двумя точками для завершения одного цикла на определенной частоте:

1 Герц (Гц) = Один цикл (длина волны) в секунду

Длина волны = Расстояние между двумя соседними соответствующими точками на волновом цуге

Измерение в герцах — это период цикла, а 1 Гц — длина волны за одну секунду, тогда как 1 ГГц (1 000 000 000 Гц) — это 1 миллиард циклов в секунду; чем ниже частота, тем больше длина волны.

При измерении радиочастотных потерь назначается порог чувствительности для каждого диапазона, который определяет точку, в которой радиостанция может различать сигнал и просто фоновый шум. Ключ в том, чтобы настроиться на правильный канал и получить максимально четкий сигнал, чтобы четко понять сообщение, аналогично настройке FM-радио на определенный канал. Чем дальше от передатчика, тем труднее получить четкий сигнал, потому что расстояние создает дополнительные помехи, ухудшающие сигнал.

Отражение RF может увеличить мощность сигнала, добавив отраженный сигнал к исходному сигналу, но это не обязательно хорошо. Это явление называется «многолучевым распространением» и может ухудшить основной сигнал и даже вызвать пробелы в зоне покрытия. Многолучевость вызывается любым количеством поверхностей в зависимости от частоты. Несмотря на то, что более низкие частоты с более крупными формами волны могут лучше проходить через твердые объекты, они будут немедленно затухать. Они все еще могут отражаться от металла и воды, что вызывает многолучевые помехи.Даже дождь может повлиять на радиосигнал. Хотя наиболее сильно затронутые частоты выше 11 ГГц, дождь все же может уменьшить полосу пропускания.

Федеральная комиссия по связи (FCC) регулирует и контролирует использование радиочастотной электромагнитной энергии, проходящей через атмосферу. Можно использовать как нелицензионные, так и лицензионные диапазоны. Хотя производители радиооборудования должны соблюдать строгие правила FCC, они не контролируют, кто использует эти радиочастоты.

Часть радиочастотного пирога, предназначенная для приложений WLAN, попадает в микроволновый диапазон (см. Рисунок 5-1), который начинается с 1 ГГц и достигает 300 ГГц.WLAN использует диапазон ISM 2,4 ГГц, который не требует лицензии и используется микроволновыми печами, беспроводными телефонами и Bluetooth. Также есть WLAN 802.11b (Wi-Fi), 4,9 ГГц для общественной безопасности, 5,5-5,7 ГГц для WLAN 802.11a, диапазон ISM U-NII 5,725-5,85 ГГц (без лицензии), WLAN 802.11a на 54 Мбит / с и 108 Мбит / с плюс для 802.11n с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) (подробнее в разделе MIMO далее в этой главе). Полосы 700 и 900 МГц перемещены в целях общественной безопасности, но для их использования требуются лицензии.

Рисунок 5-1.Радиочастотный спектр и расположение частот WLAN.

Наша часть радиочастотного пирога

Вы можете загрузить полную таблицу радиочастотных требований Федеральной комиссии связи США по адресу www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf.

Существуют и другие типы искажения сигнала и эффектов, которые могут изменить поведение радиочастотного сигнала, но для целей этой книги они будут определены по мере необходимости, а любую другую информацию, которая может вам понадобиться, можно найти на сайте www.ieee.org или более подробные учебники РФ.

Радиочастотные сигналы могут искажаться преломлением, дифракцией, рассеянием (при отражении от волн турбулентной воды) и поглощением, все зависит от вещества поверхности и / или атмосферы.Коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) — это искусственный эффект, вызванный несовпадением импеданса (сопротивления току, измеряемого в омах) между устройствами в ВЧ-системе, что может неосознанно ухудшить мощность и качество сигнала. Единственный раз, когда это кажется проблемой, — это когда такая же конфигурация и установка выполняются в другом месте, а амплитуда значительно выше или ниже, чем в предыдущем месте. Нет ничего лучше, чем опыт, чтобы заставить вас проверять оборудование, закупленное и отправленное на место, для реализации (особенно при работе в отрицательную погоду).

Стандарт беспроводной связи 802.11 определяет физический подуровень, подуровень управления доступом к среде (MAC) и управление MAC-адресами в двух основных наборах услуг: одноранговом и инфраструктурном. Специальная услуга известна как независимый базовый набор услуг (IBSS), в то время как набор услуг инфраструктуры управляется точкой доступа.

Низкочастотный анализ BJT

Низкочастотный анализ BJT:

От на рисунке выше, он имеет три RC-цепи, которые влияют на его усиление, поскольку частота понижается ниже среднего.Это,

· RC-цепь, образованная входным разделительным конденсатором C ₁ и входное сопротивление усилителя.

· RC-цепь, образованная выходным разделительным конденсатором C ₂ , сопротивление со стороны коллектора и сопротивление нагрузки.

· RC-цепь образована эмиттерным шунтирующим конденсатором C _E и сопротивление, смотрящее на эмиттер.

Входная RC-сеть :

На следующем рисунке показана входная RC-сеть, образованная C ₁ и входное сопротивление усилителя.

значение сопротивления составляет _RR = R ₁ || R ₂ || R _дюйм (базовый)

А критическая точка в отклике усилителя обычно возникает, когда выходное напряжение 70.7% от ввода. В критической точке

При этом состояние, R _в = X _c1

Всего усиление уменьшается из-за затухания, обеспечиваемого входной RC-цепью. В снижение общего прироста составляет,

частота f _c в этом состоянии называется нижней критической частотой и это дается как,

Если сопротивление входного источника с учетом приведенного выше уравнения становится,

Фаза угол во входной RC-цепи выражается как

Выход RC-сети:

Вышеуказанное На рисунке показана выходная RC-цепь, образованная C ₂ , сопротивление выглядит на коллекторе и сопротивлении нагрузки.

критическая частота для этой RC-сети равна,

Фаза угол в выходной RC-цепи задается как,

Обходная сеть:

От рисунок выше,

— это сопротивление, смотрящее на эмиттер.Он выводится следующим образом: R = (V _b / βI _b ) + h _т.е. / β

Где R _TH = _{рэнд 1} || R ₂ || Р _с . Это thevenin’s эквивалентное сопротивление, если смотреть от базы транзистора к Вход.

критическая частота для байпасной сети

Проблема:

Определить Низкочастотная характеристика схемы усилителя показана на рисунке.

Решение:

Это необходимо проанализировать каждую сеть, чтобы определить критическую частоту усилитель звука.

Вышеуказанное Анализ показывает, что входная сеть производит доминирующую более низкую критическую частоту.Тогда низкочастотная характеристика данного усилителя показана в следующий рисунок.

Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах

Частотная характеристика усилителя на полевых транзисторах:

Низкочастотная характеристика — Низкочастотная характеристика схем усилителя на полевых транзисторах определяется точно такими же соображениями, как и для схем BJT.Нижняя частота среза обычно устанавливается шунтирующим конденсатором источника, и на нее могут влиять разделительные конденсаторы.

Высокочастотная характеристика:

В отличие от BJT, частота среза устройства обычно не указывается для полевого транзистора. Вместо этого полевые транзисторы, предназначенные для высокочастотной работы, имеют параметры, перечисленные как измеренные на указанной высокой частоте. Также обычно указываются низкочастотные параметры. Например, полевой транзистор 2N5484 имеет следующие параметры:

Межконтактные емкости устройства (C _gs , C _gd и C _ds ) являются важными величинами при определении рабочих характеристик схемы полевого транзистора, и они используются так же, как емкости BJT.Можно вычислить частоту среза, ограниченную входной емкостью (f _{2 (i)} ), и частоту среза, ограниченную выходной емкостью (f _{2 (o)} ). Входная емкость усиливается эффектом Миллера в случае схемы CS (инвертирующий усилитель). Уравнение для схемы на полевом транзисторе,

Емкости полевого транзистора определяются как входная емкость (C _iss ), емкость обратной передачи (C _rss ) и выходная емкость (C _oss ).Емкость обратной передачи — это еще одно название емкости затвор-сток. Входная емкость — это сумма емкости затвор-исток и емкости затвор-сток. Выходная емкость — это просто емкость сток-исток.

Типичные значения входной емкости для высокочастотного полевого транзистора 2N5484: C _rss = 1 пФ, C _iss = 5 пФ, C _oss = 2 пФ. Поскольку они очень малы, паразитная емкость может легко повлиять на характеристики схемы.

Дифференциальный сверхмалошумящий усилитель для измерения низкочастотного шума: AIP Advances: Том 1, № 2

I. ВВЕДЕНИЕ

Раздел:

ВыберитеВверху страницыАБРАКТЫ.ВВЕДЕНИЕ << II.НИЗКИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВХОД ... III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. ..IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ Исследование качества и надежности полупроводниковых материалов и устройств является важнейшим аспектом микроэлектроники. Среди нескольких методов, которые используются в этом контексте, общепризнано, что измерения низкочастотного шума (LFNM) являются одними из наиболее чувствительных инструментов, доступных для исследования почти всех механизмов ухудшения, влияющих на пассивные и активные интегрированные устройства. ^1–3 1. Л. К. Дж. Вандамм, IEEE Trans. Электронные устройства 41 , 2176 (1994). https://doi.org/10.1109/16.333839 2. C. Ciofi, B. Neri, J. Phys. D: Прил. Phys. 33 , 199 (2000). https://doi.org/10.1088/0022-3727/33/21/201 3. N. Labat, N. Malbert, C. Maneux, A. Touboul, Microelectron. Надежный. 44 , 1361 (2004). https://doi.org/10.1016/j.microrel.2004.07.035 Помимо приложений в области надежности, измерения шума могут быть полезны для исследования механизмов проводимости в современных устройствах. ⁴ 4. Р. Ландауэр, Nature 392 , 658 (1998). https://doi.org/10.1038/33551 Измерения шума также можно использовать для проектирования первичных термометров (шумовая термометрия Джонсона) ⁵ 5. Д. Р. Уайт, Р. Галлеано, А. Актис, Х. Брикси, М. ДеГрут, Дж. Дуббелдам, А. Л. Рисинк, Ф. Эдлер, Х. Сакураи, Р. Л. Шепард, Дж. К. Галлоп, Metrologia 33 , 325 (1996). https://doi.org/10.1088/0026-1394/33/4/6 или для разработки передовых методов зондирования (зондирование с усилением шума). ⁶ 6. Л. Б. Киш, Г. Шмера, гл. Kwan, J. Smulko, P. Heszler, C. G. Granqvist, Proc. шума и колебаний в схемах, устройствах и материалах SPIE, Флоренция, ИТ (май 2007 г.) 66000V. Однако из-за чрезвычайно низких уровней колебаний напряжения или тока, которые необходимо обнаруживать, выполнение ощутимых измерений шума, особенно на очень низких частотах ( f система измерения шума, присутствует несколько источников шума и помех, которые способствуют установлению минимально обнаруживаемого шума. уровень на любой заданной частоте.Такие источники помех могут быть классифицированы как внешние, то есть помехи, вызванные помехами из окружающей среды, и внутренние, то есть те, которые возникают из-за шума, вносимого самими приборами, используемыми для настройки цепочки измерения шума. Поскольку внешние помехи могут быть полностью устранены, по крайней мере в принципе, путем обращения к надлежащему экранированию, остаточный фоновый шум системы задается шумом, вносимым системой смещения устройства и малошумящим предусилителем, подключенным к тестируемому устройству (DUT). .Вкладом шума сети смещения можно пренебречь, если использовать в качестве источника питания батареи большой емкости. В этой ситуации предельная чувствительность системы измерения шума устанавливается эквивалентными входным напряжением и током источников шума предусилителей. Поэтому наличие предусилителя с очень низким эквивалентным входным шумом является решающим требованием в любой системе измерения низкочастотного шума. Несмотря на это, особенно в области измерения напряжения низкочастотного шума, за последние годы не наблюдалось значительных улучшений в коммерческом оборудовании, и действительно, относительно старые приборы, такие как SR560 от Stanford Research или EG&G PAR113, по-прежнему являются предпочтительными. выбор для многих исследовательских групп, заинтересованных в применении измерений низкочастотного шума. ^7–9 7. Vas. П. Кунец, Т. Ал. Морган Ю. И. Мазур, В. Г. Дороган, П. М. Литвин, М. Э. Вэр, Д. Гузун, Дж. Л. Шульц, Г. Дж. Саламо, J. Applied Physics 104 , 103709 (2008). https://doi.org/10.1063/1.3020532 8. В. Круппа, Дж. Б. Боос, Б. Р. Беннет, Н. А. Папаниколау, Д. Парк, Р. Басс, IEEE Trans. Электронные устройства 54 , 1193 (2007). https://doi.org/10.1109/TED.2007.893658 9. З. Челик-Батлер, С. П. Девиредди, Х. Ценг, П. Тобин, А. Злотницка, Microelectron.Надежный. 49 , 103 (2009). https://doi.org/10.1016/j.microrel.2008.12.005 Типичные значения шума входного напряжения, эквивалентного SR560, составляют 300, 40 и 13 нВ / √Гц при f = 100 мГц, 1 Гц и 10 Гц соответственно , а для EG&G PAR113 130, 40 и 18 нВ / √Гц на тех же частотах. Гораздо лучшие шумовые характеристики можно получить с помощью специально разработанных предусилителей, ^10–12 10. К. Чофи, Дж. Джузи, Г. Скандурра, Б. Нери, Fluct. Noise Lett. 4 , L385 (2004).https://doi.org/10.1142/S0219477504001963 11. Б. Нери, Б. Пеллегрини, Р. Салетти, IEEE Trans. Instrum. Измер. 40 , 2 (1991). https://doi.org/10.1109/19.69939 12. Ф. А. Левинзон, IEEE Trans. Circ. Sys. Я 55 , 1815 (2008). https://doi.org/10.1109/TCSI.2008.3 и тем не менее, возможно, из-за сложности их конструкции, они часто используются только той исследовательской группой, которая их разработала. Пытаясь устранить это препятствие, мы недавно предложили новый предусилитель напряжения со сверхмалым шумом, который в то же время отличается превосходными шумовыми характеристиками и чрезвычайно простой конструкцией. ¹³ 13. Г. Канната, Г. Скандурра, К. Чиофи ,. Rev. Sci. Instrum. 80 , 114702 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3258197 Однако большинство конструкций, которые предлагались в литературе, включая нашу собственную, характеризуются односторонним входным портом. Этот факт означает, что измерения напряжения и шума могут выполняться только между одним узлом и общей землей системы, если для смещения ИУ и усилителя используется одна система питания. Если используются независимые батареи для смещения устройства и усилителя, измерения шума на выводах напряжений ИУ, снабженного соединениями Кельвина ^14–16 14.А. М. Яссин, Цонг М. Чен, Брюс А. Бейтман, IEEE Electron Devices Letters, 12 , 200 (1991). https://doi.org/10.1109/55.79555 15. J. Scofield, Rev. Sci. Instrum. 58, , 985 (1987). https://doi.org/10.1063/1.1139587 16. C. Ciofi, M. De Marinis, B. Neri, Microelectron. Надежный. 36 , 1851 (1996). https://doi.org/10.1016/0026-2714(96)00213-2 можно выполнить. Однако очевидно, что наличие предусилителя с дифференциальным входом значительно упростило бы настройку измерения, поскольку, помимо других преимуществ, не было бы необходимости использовать другой набор батарей для схемы смещения и для предварительного усилителя.Наконец, есть случаи, когда наличие предусилителей с дифференциальным входом позволяет измерять конфигурации, которые в противном случае было бы чрезвычайно сложно, если вообще возможно, реализовать. Предположим, как показано на рисунке 1, что ИУ, питаемое постоянным током, размещено на некотором расстоянии от усилителей измерения шума. Это может быть связано, например, с тем, что образец необходимо поддерживать при криогенной температуре, в то время как предварительный усилитель шума должен работать при комнатной температуре.Предположим, кроме того, что провода, используемые для подключения ИУ к предусилителю шума, характеризуются значительным сопротивлением. При использовании одной пары проводов шум, создаваемый проводами (из-за сопротивления проводов), будет неотличим от шума, создаваемого ИУ. Если имеется пара малошумящих усилителей с дифференциальным входом, то можно использовать две пары проводов для подключения концов ИУ к каждому из двух дифференциальных входов усилителей. Таким образом, выполняя кросс-корреляцию на выходах усилителя, можно полностью устранить шум, вносимый проводами.Более того, оба усилителя и цепь смещения могут питаться от одного набора батарей, что значительно уменьшает размер всей системы. Принимая во внимание все эти потенциальные преимущества, мы специально рассмотрели проблему разработки сверхмалошумящего усилителя с дифференциальным входом. Целью разработки было получение эквивалентного входного шума, сравнимого с шумом несимметричного усилителя, с меньшей сложностью схемы.

II. НИЗКОШУМНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ВХОДА

Раздел:

ВыберитеВверху страницыABSTRACTI.ВВЕДЕНИЕ II. НИЗКИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВХОД … << III.РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ... IV. ВЫВОДЫ СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ Схема предлагаемого малошумящего усилителя с дифференциальным входом показана на рис. 2. Полный список компонентов вместе с их соответствующими характеристиками представлен в Таблица I. Усилитель состоит из двух каскадов усиления. Первый каскад представляет собой полностью дифференциальный усилитель с дифференциальным усилением по напряжению 100. Второй каскад принимает в качестве входа дифференциальный выход первого каскада и производит несимметричный выход с дополнительным усилением 100.Таким образом, результирующий общий дифференциальный коэффициент усиления составляет 80 дБ. Из-за симметрии конструкции в дальнейшем мы будем использовать индекс x , когда будем ссылаться на компонент, который присутствует с одинаковым значением как в левой, так и в правой части схемы. Поэтому, например, R _1x будет использоваться для ссылки на R _{1 L} или R _{1 R} .Второй каскад состоит из связанного по переменному току ( C _O , R _O ) инструментального усилителя с низким входным током смещения (INA 131 от Texas Instruments) с фиксированным усилением 100. Этот каскад имеет роль повышения уровня сигнала до оцифровки для спектрального анализа. Фильтры верхних частот на его входе характеризуются низкой частотой излома около 24 мГц и обеспечивают устранение большого смещения постоянного тока на выходе первого каскада, который, как мы обсудим ниже, является результатом большого входного сигнала. смещение, вносимое дифференциальным усилителем на дискретных полевых транзисторах.Выбор значений для C _O и R _O важен, поскольку рассматривается вклад эквивалентного источника шума входного тока IA 3 в общий шум, как это будет обсуждаться более подробно позже. Что касается вклада эквивалентных источников входного напряжения IA 3 в эквивалентный входной шум всего усилителя, то из-за большого усиления первого каскада (40 дБ) мы можем легко проверить, что им можно пренебречь. .Действительно, спектр мощности шума эквивалентного входного напряжения (EIVN) IA 3 составляет около 30 нВ / √Гц при f = 1 Гц и 12 нВ / √Гц для f > 30 Гц. Следовательно, с учетом усиления первого каскада вклад в EIVN всего усилителя составляет порядка 300 пВ / √Гц и 120 пВ / √Гц при f = 1 Гц и для f > 30 Гц соответственно. Чтобы получить очень низкий EIVN для первого каскада, мы прибегаем к паре транзисторов JFET очень большой площади IF3602 от Interfet в качестве первого каскада усилителя дифференциального входного и дифференциального выходного напряжения со связью по переменному току.Коэффициент усиления 100 устанавливается, как это будет показано ниже, соотношением R _2x / R _1x . Полевые транзисторы IF3602 характеризуются очень низким EIVN (0,4 нВ / √Гц и ниже 0,3 нВ / √Гц при f = 10 Гц и для f > 100 Гц, соответственно, согласно данным производителя) и высоким Коэффициент усиления крутизны ( г _м = 70 мА / В для тока стока I _D = 4 мА). Типичное напряжение отсечки для IF3602 находится в диапазоне от -1.5 В и -0,5 В, а обратный ток затвора в активной области работы при комнатной температуре ниже 10 пА при условии, что напряжение сток-исток поддерживается ниже 4 В. Мы начнем анализ схемы на рис. обсуждая поляризацию полевых транзисторов. В идеальных условиях (идеальная симметрия между полевыми транзисторами) и при отсутствии какого-либо сигнала на входах усилителя выходные напряжения В _Ox равны 0 и, следовательно, ток I _Dx смещения каждого JFET можно рассчитать следующим образом:

IDx = IC2 − VGSxR2x; IC = VSS − VBERSS

(1)

, где I _C — ток коллектора Q1.С R _SS = 1,5 кОм, В _SS = В _DD = 12 В, R _{2 x} = 1 кОм, В _BE ≈0,7 В и принимая типичное значение В _GS около -1 В, мы можем оценить ток смещения I _Dx около 4,5 мА. При таком токе смещения напряжение стока JFET составляет около 3 В ( В _DS ≈2 В).Когда мы принимаем во внимание смещение пары JFET, которое, по словам производителя, может составлять порядка нескольких десятков мВ (максимум 100 мВ), обратная связь смещения постоянного тока с выходов В _Ox к источникам JFET обеспечивает компенсацию смещения. Контур дифференциальной обратной связи спроектирован так, чтобы напряжения стока были достаточно близкими друг к другу, так что I _DL ≈ I _DR даже при наличии больших смещений.Действительно, предположим, что I _DL ≈ I _DR можно получить с V _GSL = V _GS + Δ V 900 GS и V _GSR = V _GS -Δ V _GS . Поскольку, что касается вычисления точки смещения, мы можем принять V _GL = V _GR = 0, это означает, что значения V _SL и V _SR должны быть изменены относительно идеального значения в случае симметричных полевых транзисторов на -Δ V _GS и Δ V _GS соответственно .Теперь мы можем обратиться к эквивалентной схеме слабого сигнала на рис. 3, чтобы оценить изменения напряжения Δ В _OL и Δ В _OR , которые необходимы для получения Δ В. _SL = — Δ V _SR = -Δ V _GS . Так как:

ΔVSL = ΔVOLR1L || 1 / gmR2L + R1L || 1 / гм; ΔVSR = ΔVORR1R || 1 / gmR2R + R1R || 1 / г

(2)

и с R 900 1x = 10 Ом и для токов смещения порядка 4-5 мА крутизна g _м IF3602 составляет порядка 70 мА / В, можно легко оценить, что максимальный требуемое смещение (100 мВ = | ΔV _SL — ΔV _SR |) можно компенсировать с помощью | ΔV _OL | = | ΔV _OR | ≈ 8 В, что хорошо в диапазоне выходных напряжений (± 10 В) инструментальных усилителей INA131 IA 1 e IA 2.Даже с такими большими значениями V _Ox разница | V _DL — V _DR | между стоками полевых транзисторов JFET будет всего 80 мВ (| Δ V _OL | / G , G = 100 — коэффициент усиления IA 1 и IA 2), таким образом подтверждая первоначальное предположение о работе с I _DL ≈ I _DR даже при наличии максимально возможного смещения между полевыми транзисторами JFET.Обратите внимание, что, как будет показано ниже, соотношение R _2x / R _1x устанавливает дифференциальное усиление первого каскада. С R _2x = 1 кОм и R _1x = 10 Ом мы получаем коэффициент усиления 100. Большее усиление может быть желательно для уменьшения влияния шума следующего каскада. Однако из-за ограничений, описанных выше, большее соотношение R _2x / R _1x не гарантирует, что компенсация смещения будет достигнута, если IA 1 и IA 2 остаются в линейной области работы. .Также будет показано, что на частотах выше нескольких Гц наиболее важный вклад шума, помимо шума эквивалентного входного напряжения полевых транзисторов, вносят сопротивления R _1x . Еще раз, сеть компенсации смещения устанавливает ограничение до самого низкого значения R _1x . Действительно, ток, который может выдаваться IA 1 и IA 2, ограничен примерно 10 мА и, следовательно, более низкими значениями для R _1x (для того же отношения R _2x / R _1x ) мы рискуем преодолеть ограничения максимального выходного тока INA131 в случае полевых транзисторов с большим смещением.Таблица I. Список компонентов схемы на рис.2

Компонент	Тип компонента	Значение компонента
J , J R	Дифференциальная пара JFET с низким уровнем шума	Interfet IF3602
IAx	Инструментальный усилитель	INA131 (усиление = 100)
72 908 , R 1 R	0.1%, 1/4 Вт, проволочная	10 Ом
R 2 L , R 2 R	0,1%, 1/4 Вт, проволочная	1 кОм
R DL , R DR	5 × 10 кОм, 0,1%, 1/8 Вт, параллельно, металлическая пленка	2 кОм
R SS	металлическая пленка	1.5 кОм
R Ax , R O	––	3,3 МОм, 680 кОм
C Ax O	Полиэстер	22 мкФ, 10 мкФ
Q 1	Биполярный транзистор	2N1711
R C C	––	68 Ом, 33 нФ

Что касается обсуждения усиления и шума первого каскада, мы можем сослаться на эквивалентную схему слабого сигнала на рис.4. Чтобы упростить обсуждение, на рис. 4 мы предполагаем, что в диапазоне низких и средних частот можно пренебречь влиянием входных фильтров верхних частот C _Ax — R _Ax и эффект серии R _C C _C , который используется для частотной компенсации. Однако роль и влияние этих компонентов на характеристики усилителя будут обсуждаться ниже.Предполагается, что все источники шума на рис. 4 некоррелированы. Источники шума e _Rx представляют шум, производимый каждым сопротивлением R _x . Источники шума e _IAx представляют собой эквивалентные источники входного шума IAx . Предполагается, что влиянием эквивалентных источников шума входного тока инструментальных усилителей можно пренебречь из-за относительно низкого значения импеданса источника (порядка R _Dx как для IA1 , так и для IA2 ).Наконец, e _Jx представляют собой эквивалентные источники шума входного напряжения полевых транзисторов. Влияние инструментальных усилителей IA 1 и IA 2 полностью учитывается с помощью двух источников напряжения, управляемых напряжением В _Ox в нижней части чертежа на рис. 4. Он должен быть отметил, что INA131 характеризуется полосой пропускания около 70 кГц, и поэтому коэффициент усиления G фактически должен быть записан как:

G = G011 + sτPINA; G0 = 100; 12πτPINA = 70 кГц

(3)

Дифференциальное напряжение V _DLR = V _DL — V _DR можно записать следующим образом:

VDLR = VDL − VDR = eR−DL − eR gmRDVGL − VGR + gmRDVSL − VSR

(4)

с

VGL − VGR = VINL − VINR + eJL − eJRRD = RDL = RDR

(5)

Из равновесия 908 в узлах 72 _L и S _{908 69 R} (1 ^st KCL) имеем:

GVDR − VDL + eIA1 + eR2L − VSLR2 = VSL − eR1L − V1R1 − gmVGL − VSLGVDL − VDR + eIA2 + eR2R − VSRR1 = −VSR − VSRR1 −gmVGR − VSR

(6)

с R ₁ = R _{1 L} = R _{1 R} и R ₂ = R _{2 R} = R _{2 L} .Из (6) можно получить выражение разности В _SL — В _SR (вклад напряжения В ₁ компенсируется):

VSL− VSR = G − 2VDL − VDR + eIA1 − eIA2 + eR2L − eR2R + R2xR1xeR1L − eR1R + gmR2xVGL − VGR1 + R2xR1x + gmR2x

(7)

Подставляя (7) в выражение дифференциала напряжения, V _DLR = V _DL — V _DR как функция источников шума и напряжения затвора V _GL и V _GR можно получить.Эквивалентную схему на рисунке 4 и полученные до сих пор уравнения можно использовать для оценки коэффициента усиления дифференциального контура T _D системы путем вычисления дифференциального напряжения V _DLR на стоках. JFET в гипотезе, что независимый дифференциальный источник V _P используется вместо V _DLR в выражении источников напряжения V _OL и V _ИЛИ .Если активен только V _P , мы имеем:

TD = VDLRVP = −2gmRDG1 + R2R1 + gmR2 = TD011 + sτPINA

(8)

Использование значений из списка компонентов, приведенных в таблице I и с г _м = 70 мА / В мы можем оценить | T _{D 0} | порядка 165. В (8) мы не учли наличие паразитных емкостей, которые вносят другие полюса в усиление контура.Действительно, без надлежащей компенсации система не будет стабильной, что подтверждается симуляциями SPICE. Для обеспечения стабильности мы используем серию R _C C _C для получения компенсации полюс-ноль. Частота нуля выбрана равной частоте полюса INA131, а частота полюса f _pc установлена ​​примерно на 1,2 кГц (τ _pc ≈2 C _C R _D = 132 мкс).Фактическое выражение коэффициента усиления разомкнутого контура T _DC с компенсацией, таким образом:

TDC = TD011 + sτPINA × 1 + sτPINA1 + sτPC = TD011 + sτPC

(9)

Частота при котором | T _DC | близкое к 0 дБ дает нам оценку полосы пропускания системы, которая в нашем случае превышает 10 кГц, что более чем достаточно для приложений измерения низкочастотного шума. В дальнейшем, чтобы не усложнять обсуждение и если не указано иное, мы будем предполагать, что мы работаем на частотах, намного меньших, чем предел полосы пропускания системы, так что мы можем предположить, что G = G ₀ , T _DC = T _{D 0} и мы можем пренебречь наличием компенсационной сети ( R _C C _C ) как что касается анализа шума.Однако, как мы обсудим ниже, нам необходимо будет принять во внимание эффект компенсации, чтобы правильно оценить вклад шума IA 1 и IA 2 на частотах около и выше 1 кГц.

Чтобы оценить дифференциальное усиление по отношению к дифференциальному входу, предположим, что все источники шума равны 0 на рисунке 4. В этой ситуации при Vd = V _GL — V _GR , мы имеем:

VDLRVd = ADLR = −gmRD1 + R2R11 + R2R1 + gmR2 + 2Ggm TD01 − TD01 + R2R12G≈ − 1 + R2R12G

(10)

, поскольку | T _{D 0} | >> 1.Дифференциальное усиление В _OX / В _d на выходе IA 1 и IA 2, следовательно:

VOLVd = −VORVd = −GVDLRVd = 1 + R2R12 ≈50

(11)

Суммарное дифференциальное усиление первой ступени A _{DO 1} = ( V _OL — V _OR ) / V _d = V _{O 1 D} / V _d , таким образом, в два раза больше, чем указано в (11), и очень близко к R ₂ / R ₁ = 100.Чтобы оценить эквивалентный спектр входного дифференциального шума первого каскада, мы можем использовать (4) и (7) для расчета общего шума на выходе В _DLR в гипотезе некоррелированных источников шума на рис. .4, а затем разделить полученный спектр мощности на коэффициент усиления A _DLR в квадрате. Однако обратите внимание, что расчет вклада эквивалентного шума входного напряжения инструментальных усилителей потребует другого подхода.Мы можем упростить расчет, приняв во внимание несколько источников шума одновременно. Мы начнем со вклада S ^J _в эквивалентных источников входного шума JFET e _JL и e _JR в эквивалентный входной шум. Этот расчет легко выполнить, поскольку разница напряжений e _JL — e _JR , очевидно, имеет тот же эффект, что и дифференциальное напряжение на входе усилителя.Следовательно, мы имеем: где S _enJ — спектр мощности эквивалентного источника шума входного напряжения каждого JFET. Что касается вклада S ^RD _в из-за сопротивлений R _Dx (то есть с e _RDL и e _RDR «включено» и все остальные источники «выключены») имеем:

SinRD = SeRDL + SeRDL11 − TD022G1 + R2R12

(13)

Так как:

G≈1 + R2R1; SeRDL = SeRDR = 4KTRD; TD0 >> 1

(14)

имеем:

SinRD = 24KTRDTD02≈7 × 10-5 × 4KTRD≈2.4 × 10-21 В2 / Гц = 50 пВ / Гц

(15)

Таким образом, можно сделать вывод, что вклад шума, вносимого сопротивлениями R _Dx , незначителен по сравнению с вносимым шумом. Теперь давайте рассмотрим влияние шума, вносимого сопротивлениями R _{1 x} и R _{2 x} . С теми же приближениями, которые использовались до сих пор, мы получаем для вклада S ^{R 12} _в в эквивалентный спектр шума входного напряжения:

SinR12 = 2 × 4KTR1 + 4KTR2R12R22≈8KTR1 = 0.33 × 10–18 В2 / Гц ≈0,6 нВ / Гц

(16)

Наконец, мы должны принять во внимание вклад эквивалентных источников шума входного напряжения инструментальных усилителей. При этом необходимо отметить, что на (дифференциальном) выходе первой ступени имеем:

VOL − VOR = G − 2VDLR + eIA1 − eIA2

(17)

В том случае, когда только e _{IA 1} и e _{IA 2} активны, из (4) и (7) имеем:

VDLR = −TD01 − TD0eIA1 − eIA22

(18)

и при подстановке в (17):

VOL − VOR = G1 − TD0eIA1 − eIA2

(19)

Следовательно, для вклада в эквивалентный спектр входного шума мы имеем:

SinIA = 11 + R2R12G21 − TD022SINA≈7 × 10−5SINA (f << fpc)

(20)

На частотах значительно ниже f _pc можно легко продемонстрировать, что вклад инструментальных усилителей к эквивалентному входному шуму усилителя пренебрежимо мало по отношению к шуму i Поставляется полевыми транзисторами и резисторами R _{1 x} .Например, при f = 100 Гц спектр эквивалентного источника входного напряжения INA131 составляет S _INA = 144 × 10 ^-18 В ² / Гц, что соответствует S ^IA _дюйм = 11 × 10 ^-21 В ² / Гц, а у нас S ^{R 12} _дюйм = 330 × 10 ^{— 21} В ² / Гц. Однако по мере приближения и преодоления полюсной частоты T _D выражение (20) перестает быть правильным, и следует использовать полное выражение (8).Действительно, на частотах выше f _pc вклад S ^IA _в , из-за частотной зависимости T _D , увеличивается пропорционально f ² . Например, на частоте 10 кГц (все еще в пределах полосы пропускания усилителя) S ^IA _в составляет около 0,8 × 10 ^-18 В ² / Гц, что делает его наиболее важным шумом. вклад в фоновый шум системы.Мы можем резюмировать обсуждение эквивалентного входного шума усилителя следующим образом:

•	на частотах ниже нескольких Гц, наиболее важный вклад в эквивалентный входной шум усилителя вносит фликкер-шум полевых транзисторов JFET. . Действительно, на частотах ниже 1 Гц мы ожидаем, что эквивалентный входной шум будет совпадать с S J в = 2S enJ ;
•	на частотах от нескольких Гц до примерно 4 кГц, вклад шума от JFET и сопротивлений R 1x того же порядка, в то время как другие источники шума можно пренебречь.Мы ожидаем постоянного уровня шума порядка 1 нВ / √Гц;
•	на частотах выше f pc , из-за уменьшения петлевого усиления шум, вносимый инструментальными усилителями, увеличивается, пока на частотах выше 10 кГц он не становится наиболее важный источник шума, спектр шума которого увеличивается пропорционально f 2 .

В предыдущем обсуждении мы предположили, что входные фильтры и второй каскад усилителя не вносят вклад в эквивалентный входной шум всего усилителя.Из-за необходимости связи по переменному току на входе и между первым и вторым каскадом это может быть получено только выше определенной минимальной частоты f _l , которую мы принимаем в качестве самой низкой частоты, представляющей интерес для измерений. Для разработки таких фильтров мы выбрали f _l = 100 мГц в качестве минимальной интересующей частоты. Что касается входных фильтров, мы должны поэтому получить угол высоких частот намного ниже, чем f _l .Более того, мы должны обеспечить высокий входной импеданс в полосе пропускания усилителя. Входное сопротивление на низких частотах действительно установлено R _Ax . Конденсаторы C _Ax должны гарантировать, что шум, создаваемый большими сопротивлениями R _Ax , фильтруется таким образом, чтобы давать незначительный вклад в эквивалентный входной шум, начиная с минимальной частоты. представляющие интерес f _l .Как было замечено в (1313). Г. Канната, Г. Скандурра, К. Чиофи ,. Rev. Sci. Instrum. 80 , 114702 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3258197, мы ожидаем, что вклад эквивалентного входного шума полевых транзисторов будет порядка 2 × 10 ^-16 В ² / Гц на частоте 100 мГц. С R _Ax = 3,3 МОм и C _Ax = 22 мкФ, мы можем оценить, что, когда оба входа закорочены на землю, вклад шума в эквивалентный входной шум усилителя составляет порядка 5 × 10 ^-17 В ² / Гц, что примерно в четыре раза ниже шума, вносимого полевыми транзисторами.Более крупные резисторы и / или более крупные конденсаторы могут быть использованы для дальнейшего уменьшения этого вклада за счет, однако, более длительного времени установления для первого каскада. Что касается конструкции фильтра верхних частот между первым и вторым каскадом, то это касается , как мы наблюдали ранее, из-за большого коэффициента усиления (100) первого каскада нам не нужно беспокоиться о шумах, вносимых сопротивлениями, и эквивалентном шуме входного напряжения инструментального усилителя, пока частотный угол фильтра ниже 100 мГц.Однако в этом случае необходимо учитывать влияние эквивалентного входного токового шума инструментального усилителя. Импеданс, видимый каждым входом инструментального усилителя IA 3, на частотах выше полюсной частоты, установленной R ₀ и C ₀ , установлен C ₀ . Из нескольких данных, представленных в техническом паспорте INA131 относительно эквивалентных источников входного шума, мы можем оценить, что в диапазоне очень низких частот ( f S _iin можно записать как:

Siin = AIf; AI = 1.2 × 10−24A2

(21)

Предполагая, что источники шума тока на каждом входе некоррелированы, из (21) мы можем оценить, что их вклад в эквивалентный шум входного напряжения всего усилителя на самой низкой частоте проценты f _l :

SinIA3 = 2AIfl × 12πflCO2 × 1ADO12

(22)

где A _{DO 1} = 100 — усиление первой ступени .Из (22) и из условия S ^IA3 _в пренебрежимо малым по отношению к шуму, вносимому полевыми транзисторами, мы получаем, что мы должны использовать емкости, намного превышающие 5 мкФ. При C _O = 33 мкФ вклад эквивалентных источников входного тока IA 3 действительно незначителен по сравнению с другими источниками шума на самой низкой интересующей частоте.

III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ОБСУЖДЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI.ВВЕДЕНИЕ II. НИЗКИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВХОД … III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ … << IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Усилитель, показанный на рис. .

Для сбора сигналов и оценки спектров мы использовали анализатор спектра, в котором используется двухканальная плата DSA National Instruments PCI-4451.

В первом эксперименте мы замкнули на землю оба входа усилителя, чтобы оценить эквивалентный входной шум.Полученные спектры на выходе были разделены на квадрат усиления усилителя (80 дБ). Результаты таких измерений представлены на рисунках 5 и 6 для двух разных частотных диапазонов. Как видно из рисунка 5, в диапазоне низких частот (от 0,1 до 20 Гц) в спектре шума S _BN преобладает шум, вносимый полевыми транзисторами. В диапазоне частот от 10 Гц до примерно 2 кГц (рис.6) спектр плоский и, как и ожидалось, по существу совпадает с тепловым шумом, вносимым полевыми транзисторами и сопротивлениями R _1x .Выше 2 кГц мы замечаем, что спектр шума растет, как и ожидалось, из-за эффекта частотной компенсации. Во второй серии экспериментов мы использовали резистор 10 кОм в качестве ИУ. Конфигурации измерений представлены на рис. 7. Результаты этих измерений подтверждают, что коэффициент усиления усилителя составляет 80 дБ (с погрешностью менее 1% во всей полосе пропускания усилителя). Когда мы подключаем ИУ между двумя входами в полностью дифференциальной конфигурации, мы получаем тепловой шум, создаваемый резистором 10 кОм (рис.5, (а) спектр). Когда один вход закорочен на землю, а тестируемое устройство подключено к другому входу и земле, мы по-прежнему получаем шум ИУ (рис. 5, (b) спектр). В третьем эксперименте мы подключили по два сопротивления 10 кОм от каждого входа к земле. В этом случае, как и ожидалось, из-за некорреляции шума, создаваемого двумя ИУ, на выходе мы получаем шум, соответствующий резистору 20 кОм (рис. 5, (c) спектр).

Наконец, мы соединили два входа и подключили резистор 100 кОм между входами и землей.В этом случае шум, создаваемый ИУ, является синфазным сигналом, и фактически мы получаем только фоновый шум системы. Это означает, что в полосе пропускания, в которой фоновый шум плоский, мы можем оценить коэффициент подавления синфазного сигнала более 40 дБ.

На рисунке 6 мы представляем результат измерений сопротивления 10 кОм, подключенного между входами, чтобы оценить полосу пропускания системы. Как и ожидалось, полоса пропускания превышает 30 кГц. Однако для больших сопротивлений ИУ полоса пропускания устанавливается эквивалентной входной дифференциальной емкостью.Действительно, когда 100 кОм используется в качестве ИУ в дифференциальных измерениях, полоса пропускания составляет около 20 кГц, что позволяет нам оценить дифференциальную входную емкость порядка 80 пФ, что согласуется со значением, которое можно оценить по паразитным емкостям. полевого транзистора в схеме, используемой для первого каскада усилителя. Таким образом, можно сделать вывод, что дифференциальный входной импеданс Z _в усилителя для частот выше f _l представляет собой серию из двух сопротивлений R _Ax , включенных параллельно емкости C _IN = 80 пФ, как показано в эквивалентной схеме на рис.8, где также показаны эквивалентные источники входного шума e _BN и i _в вместе с общим сопротивлением источника входного сигнала R _S . Спектр мощности S _BN из e _BN уже был представлен в предыдущих измерениях. С помощью эквивалентной схемы на рис.8 и зная входной импеданс, мы также можем оценить спектр мощности S _Iin эквивалентного источника шума входного тока i _в .Действительно, мы можем оценить эквивалентный шум входного напряжения S _VIOP , когда вход открыт ( R _S → ∞), и получить S _Iin как: Результат результаты измерения S _VIOP и соответствующего S _Iin , оцененные в соответствии с (23), представлены на рис. 9. Обратите внимание, что для покрытия всего интересующего диапазона частот от 100 мГц до 30 кГц (более 5 декад) с достаточным разрешением в любом частотном диапазоне, нам пришлось выполнить два отдельных измерения, одно с частотой дискретизации около 200 Гц (частотный диапазон ниже 80 Гц), а другое — с частотой дискретизации. 100 кГц (частотный диапазон выше 80 Гц).Как видно из рисунка 9, до нескольких кГц S _Iin совпадает с тепловым шумом, вносимым сопротивлениями R _AL и R _AR ( R _AL + R _AR = 6,6 МОм, с шумом теплового тока при комнатной температуре около 2,5 × 10 ^-27 A ² / Гц или 50 фА / √Гц).