Усилитель низкой частоты: Усилитель низкой частоты — Wikiwand

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

Усилители низкой частоты | Интеграл

	Обозначение	Прототип	Функциональное назначение	Основные характеристики	Тип корпуса	PDF
	IL34119N	MC34119	Низковольтный маломощный (0,25 Вт) одноканальный усилитель низкой часто-ты	Ucc=2…16 В Низкий ток потребления Возможность применения в устройствах с автономным источником питания Широкий диапазон нагрузок (8-100 Ом) Выходная мощность более 250 мВт при 32 Ом нагрузки Регулируемое усиление от 0 до 46 дБ Малое количество внешних компонентов	2101. 8-А
	IL34119D	MC34119	Низковольтный маломощный (0,25 Вт) одноканальный усилитель низкой часто-ты	Ucc=2…16 В Низкий ток потребления Возможность применения в устройствах с автономным источником питания Широкий диапазон нагрузок (8-100 Ом) Выходная мощность более 250 мВт при 32 Ом нагрузки Регулируемое усиление от 0 до 46 дБ Малое количество внешних компонентов	4303Ю.8-А
	IL386N	LM386	Низковольтный маломощный (1 Вт) одноканальный усилитель низкой частоты	Ucc=4…12 В Возможность применения в устройствах с автономным источником питания Низкий ток потребления (4 мА) Усиление от 20 до 200 дБ Малое искажение сигнала	2101. 8-А
	IL386D	LM386	Низковольтный маломощный (1 Вт) од-ноканальный усилитель низкой частоты	Ucc=4…12 В Возможность применения в устройствах с автономным источником питания Низкий ток потребления (4 мА) Усиление от 20 до 200 дБ Малое искажение сигнала	4303Ю.8-А
	ILA1519B1	TDA1519B	Двухканальный усилитель низкой частоты с выходной мощностью 2х6 Вт	Малое количество внешних компонентов Фиксированный коэффициент усиления Подавление пульсации Переключатель пауза/режим хранения Встроенные схемы тепловой защиты и от короткого замыкания	1504Ю. 9-А
	ILA1519B1Q		Двухканальный усилитель низкой частоты с выходной мощностью 2х6 Вт	Малое количество внешних компонентов Фиксированный коэффициент усиления Подавление пульсации Переключатель пауза/режим хранения Встроенные схемы тепловой защиты и от короткого замыкания	1504Ю.9-В
	ILA2003	TDA2003H	Усилитель низкой частоты с выходной 10 Вт	Ucc=8…18 В Малое количество внешних компонентов Высокий рабочий выходной ток (до 3,5 А) Защита от короткого замыкания по всем выводам	1501. 5-3
	ILA7050N	TDA7050	Микромощный двухканальный (моно/стерео) усилитель низкой	Ucс=1,6…6,0 B Минимальное количество внешних подключаемых элементов обвязки Подключение RL— нагрузки непосредственно к выводам выходов микросхем Низкая потребляемая мощность в состоянии покоя	2101.8-А
	ILA7052N	TDA7052	Одноканальный (моно) усилитель частоты мощностью 1 Вт	Ucс=3,0…18,0 B Возможность электропитания от автономных источников электропитания Динамическая звукозаписывающая головка для воспроизведения звука Усиление входного сигнала в диапазоне 20 Гц … 20кГц Мостовое подключение нагрузки непосредственно к выводам микросхемы Малое количество внешних компонентов	2101. 8-А
	ILA7056B	TDA7056B	Усилитель низкой частоты с выходной мощностью 5 Вт с регулировкой громкости	Ucс=4,5…18 B Управление уровнем громкости постоянным    напряжением Малое количество внешних компонентов Режим паузы Встроенные схемы тепловой защиты и от короткого замыкания Низкая потребляемая мощность	1506Ю.9-А
	ILA1308D	TDA1308T	Микромощный двухканальный усилитель низкой частоты класса АВ с выходной мощностью 2 х 0,030 Вт	Ucс=3,0…7,0 B Широкий температурный диапазон Подавление пульсаций источника питания Встроенная схема защиты от короткого замыкания Подавление шума Низкий коэффициент искажений Большой размах выходного напряжения	4303Ю. 8-А
	IL34119AN	MC34119	Усилитель мощности низкой частоты для ТА	Ucc=2,0…16,0 В Icc=2,7 мА Возможность применения громкоговорителя с  нагрузочным сопротивлением  8…100 Ом Выходная мощность   (при сопротивлении нагрузки 32 Ом) 300 мВт Коэффициент нелинейных искажений не более 5% Коэффициент усиления 60 дБ  Небольшое количество внешних элементов	2101.8-А
	IL34119AD	MC34119	Аудиоусилитель	Ucc=2,0…16,0 В Icc=2,7 мА Возможность применения громкоговорителя с нагрузочным сопротивлением  8…100 Ом Выходная мощность  (при сопротивлении нагрузки 32 Ом) 300 мВт Коэффициент нелинейных искажений не более 5% Коэффициент усиления 60 дБ Небольшое количество внешних элементов	4303Ю. 8-А
	ЭКФ1436УЕ1	КА1403УЕ2А, БК 513УЕ2А,Б	Истоковый повторитель	Uсс=0,8…5,0 В Iсс=160 мкА Коэффициент усиления напряжения  ≥0,4 Напряжение шумов   ≤3,5 мкВ Допустимое значение статического потенциала ≥200 В Входное сопротивление     20 МОм Выходное сопротивление   2,5 кОм	4303Ю.8-А

Усилитель низкой частоты на микросхеме TDA7294

Собранный модуль УНЧ на микросхеме TDA7294

В комплекте поставки — два модуля. Для стерео усилителя. По описанию товара обещают 85 Вт при двухполярном питании 30 В.

Модули весьма компактного размера:

Мои фото модулей:

На этой фотке видно, что прокладки из комплекта годятся для мощных транзисторов, а не для этой микросхемы:

Аккуратно все собрано, флюс отмыт:

Фото микросхемы:

Электролиты Noname на 50 В, 22 мкФ и 10 мкФ;


Микросхема TDA7294 — мощный УНЧ класса АВ на полевых транзисторах. Есть защита от перегрева, от короткого замыкания выхода. Есть режим Stand by, Mute — тут в этом наборе все это отключено. Весьма популярная микросхема. Микросхема может выдать 100 Ватт при двухполярном питанием 40 В на нагрузку 8 Ом. Обычно на микросхему подают двухполярку в 35-37 В — микросхема может взорваться, если напряжение будет больше 40 В. Для нагрузки в 4 Ома — двухполярное питание в 27 В. Иначе микросхема не успевает отдавать тепло на радиатор, перегревается и срабатывает защита от перегрева. На радиатор устанавливать микросхему нужно обязательно.

На странице товара зачем-то привели мостовую схему включения этой микросхемы. Тут обычное включение. Вот схема — восстановил по плате. Могут быть ошибки:

В микросхеме есть возможность раздельного питания сигнального каскада и силовых транзисторов УНЧ. Тут судя по схеме эта возможность не используется. Цепей Буше и Зобеля тоже нет.

Для тестов использовал двухполярное питание +26/-26 вольт.

Трансформатор 250 ВА, переменка 18 В, диодный мост и две батареи из конденсаторов 18800 мкФ на шину.
После подключения питания проверим постоянку на выходе (тестер одним щупом на выход и вторым — на землю)

Тесты на нагрузку 4 Ом:

Pmax=70.56 Ватт Prms=35.3 Ватт. На входе — напряжение 1.1 В между мин и макс сигнала.
Если подать больше — начинается клиппинг:

Прямоугольник:

Пила:

Нагрузка 8 Ом:

Pmax=50 Ватт Prms=25 Ватт. На входе — напряжение 1.3 В между мин и макс сигнала.

Прямоугольник:

Пила:

Замеры в программе RMAA (8 Ом нагрузка, Pmax=30 Ватт )

Выводы по УНЧ на этой микросхеме:
Как видно по измерениям — очень качественный УНЧ. Послушал на колонках — играет хорошо, чисто. Фона нет, высокие немного цикают. Барабан (например, в композиции Amon Amarth — First Kill (Jomsviking)) звучит как-то не жестко, ватно немного. НЧ-СЧ-ВЧ достаточно сбалансированны. Слушал пару усилителей на конкуренте — LM3886 — там середина выделялась — не комфортно слушать было. Тут все ок.

Вывод — TDA7294 мне понравилась.
На плате есть место для замены конденсаторов-фильтров по питанию на емкость в 220 мкФ.

Компактный размер. Набор из подобных микросхем можно включать параллельно и в мост. Если использовать 6 таких комплектов (по три параллельно и в мост) — то можно получить при соотв. питании мощность под 300 ВТ — УНЧ АB класса.

Хотя знатоки говорят, что древние оригиналы TDA7294 звучали лучше, чем современные китайские.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

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 >

УНЧ и Звукотехника | Усилители мощности низкой частоты | Микросхема

Как много в этой аббревиатуре для сердца радиолюбителя слилось. Каждый, кто когда-нибудь занимался радиотехникой и электроникой, собирал различные усилители низкой частоты. Простые и сложные, маломощные и мощные. Сейчас, с развитием интегральных микросхем, стало вообще всё намного проще. Усилители не содержат каких-то уникальных радиодеталей. Одна микросхема, которая, собственно, и представляет собой уже готовый усилитель мощности низкой частоты, и схема, практически, собрана. Как правило, выходная мощность таких усилителей и качество воспроизведения на высоте. А если прикупить головку динамическую прямого излучения Ватт так на 1500 — 2000 и встроить в корпус с фазоинвертором, выполненный по рассчитанным размерам, то вообще замечательно. Получится сабвуфер не хуже покупного. В большинстве случаев даже лучше.

Чистота и качество воспроизведения постоянно совершенствуются. Основные термины в данном разделе:
Бел (Б) — логарифмическая единица, соответствующая (при частоте 1000 Гц) десятикратному изменению силы звука. Логарифмическая единица, соответствующая 1/10 бела, называется децибелом (дБ). Одному дБ соответствует изменение звукового давления в 1,12 раза.
Частота звуковых колебаний воспринимается на слух как высота тона. Самый низкий предел, воспринимаемый человеком, 20 Гц, а самый высокий — 20000 Гц.
Тембр — окраска звука, определяемая количеством, частотой и интенсивностью обертонов.
Уровень звукового давления — отношение данного звукового давления p к нулевому уровню p₀, выраженное в дБ. Вычисляется как N=20 lg(p/p₀).
Болевой порог — звуковое давление, которое вызывает болевое ощущение на коже. Уровень равен 120 дБ.

В радиолюбительской практике принято делить УНЧ на обычные и высокого качества (Hi-Fi класса). Максимальная выходная мощность всех звуковых усилителей определяется по простой формуле: P_вых=U²/R_н. Т.е. замеряете напряжение на выходе УНЧ (обязательно под нагрузкой), возводите в квадрат и делите на сопротивление нагрузки (обычно сопротивление динамика 4-8 Ом). Можно ещё упомянуть о предварительном усилении. К усилителям мощности обязательно нужны такие каскады, чтобы напряжение на его входе было достаточным.

Бывают ещё различные по сложности усилительные каскады. Однотактные, двухтактные, трансформаторные и бестрансформаторные, мостовые схемы включения усилительных элементов. Одна из возможных схем двухтактного трансформаторного каскада усилителя звуковой частоты приведена ниже. Номинальная выходная мощность 4 Вт, максимальная — 6 Вт.

Но такие, я думаю, уже никто не будет собирать. Слишком трудоёмко наматывать трансформатор, плюс ко всему нужно найти подходящий магнитопровод.

Приведу ещё пример двухтактного бестрансформаторного каскада УНЧ. Выходная мощность порядка 10 Вт.

У нас в наличии имеется более 850 схем УНЧ на интегральных микросхемах. По мере необходимости будем выкладывать их на сайт, особенно самые лучшие, на наш взгляд. Если Вам нужен какой-то усилитель и Вы не можете найти его схему, то пишите, пожалуйста, в комментариях или в форме обратной связи. Мы обязательно поможем.

---

Ниже приведены ссылки на различные материалы по данной теме. Особо отметим, что среди них есть полностью опубликованные с полным описанием схемы, входящих радиоэлементов, различных настроек и замеров основных параметров (например, силы тока и напряжения) на разных участках цепи и между элементами. Также есть с кратким описанием, содержащие ссылку на скачивание всего документа в одном архиве, где, в свою очередь, содержится уже полное описание конструкции, печатной платы и прочее. Архивы имеют расширение *.rar (распаковать можно, например, программой WinRAR версии 2.9 и выше) и доступны для скачивания. Примечание: эта мера введена из-за того, что многие запакованные материалы являются целыми пособиями. Подразумевается, что Вам будет удобнее скачать на жесткий диск и просматривать уже локально, нежели листать страницу за страницей, расходуя трафик и время.

---

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.}

Курсовая работа «Усилитель низкой частоты»

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.

Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям.

Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:

Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных периодических  сигналов,  частотный диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.

Усилители постоянного тока – усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую.

Избирательные усилители – усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней. Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается  применением в качестве нагрузки таких усилителей колебательного контура. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными.

Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Часто широкополосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители используются в устройствах автоматики и вычислительной техники.

В курсовом проекте содержится краткое описание усилителей низкой частоты, их классификация, применение, основные технические решения. Также разработана структурная и электрическая принципиальная схема усилителя, и произведен ее расчет.

 

Цель:

— углубить знания студентов по курсам, связанным с темой курсового проекта;

— привить навыки самостоятельной работы с технической литературой;

— научить составлять, рассчитывать и анализировать электронные схемы;

— научить грамотно оформлять техническую документацию.

1. Введение

2. Основная часть

2.1 Аналитический обзор

2.2 Составление структурной схемы усилителя

2.3 Разработка электрической принципиальной

схемы усилителя

2.4  Электрический расчет

2.5 Анализ спроектированного усилителя

3. Заключение

4. Перечень ссылок

5. Приложение

---

Скачать c Letitbit.net

или

Для скачивания файла поделитесь ссылкой с друзьями.

После этого под кнопками появится ссылка на скачивание файла «Усилитель низкой частоты»

• Facebook
• Twitter
• Мой мир
• Вконтакте
• Одноклассники
• Google+

Под этой строчкой в течении 30 секунд появится обещанная Вам ссылка:

Мы с вами на всем пути

Большинство ВЧ-усилителей имеют так называемое «стандартное» выходное сопротивление 50 Ом. ВЧ-усилитель модели 350Ah2A AR RF / Microwave Instrumentation уникален тем, что его выходное сопротивление обычно меньше 1 Ом. С таким низким выходным сопротивлением и широким частотным диапазоном от 10 Гц до 1 МГц можно ошибочно предположить, что 350Ah2A — это просто высококачественный аудиоусилитель. Однако этот усилитель не предназначен для использования в стереосистемах.Он был специально разработан как очень универсальный и прочный настольный прибор для использования в лабораториях в сфере НИОКР, тестирования качества продукции, магнитных исследований и испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС) в соответствии с MIL-STD-461F: CS101, CS109, CS114, RS109, DO160F разделы 18 и 19, а также многие автомобильные стандарты ЭМС. Чрезвычайно прочная конструкция гарантирует, что 350Ah2A будет подавать необходимое напряжение и / или ток на любую нагрузку, не опасаясь отключения или отказа усилителя. В этой инструкции по применению будут рассмотрены характеристики этого уникального усилителя, описаны методы соединения усилителей для повышения производительности, а также рассмотрены некоторые приложения, для которых предназначен этот надежный и универсальный усилитель.

350Ah2A Основные технические характеристики (Полные и обновленные технические характеристики см. В техническом паспорте).
Частотный диапазон:	10 Гц — 1 МГц
Выход:	14 А и 25 В, 10 Гц — 300 кГц Снижение номинальных значений на более высоких частотах с постепенным наклоном до 5,5 ампер и 10 вольт на частоте 1 МГц
Входное сопротивление:	600 & Ом; типичный
Выходное сопротивление:
Допуск несоответствия:	100% номинальное напряжение или ток доступны для любой нагрузки без отключения усилителя или выхода из строя
Дисплей:	Цвет с отображением напряжения и тока или ВА
Интерфейс:	GPIB, последовательный RS232, Ethernet и USB

Ограничение напряжения и тока

Усилитель 350Ах2А отличается от всех остальных Усилители AR в этом гарантирует минимальное значение напряжение и / или ток доставлен в нагрузка, а не выходная мощность.В сопротивление нагрузки определяет, есть ли вывод будет напряжение или ток ограничено способом, аналогичным что у обычного источника питания постоянного тока.

Рисунок 1: Зависимость тока от напряжения

В частности, для импеданса нагрузки, превышающего 1,8 Ом, выходное напряжение ограничено. Обычно можно ожидать минимум 25 вольт, но не более 37 вольт. И наоборот, выходное сопротивление менее 1,8 Ом приводит к ограничению выходного тока. В этой ситуации можно ожидать выходной ток не менее 14 А, но не более 16.5А. На рисунке 1 четко показаны минимальные гарантированные значения напряжения и тока, а также типичные уровни. Обратите внимание, что «серая» область, содержащая типичные значения напряжения и тока, предполагает минимальные потери передачи в выходных проводах.

Выходная мощность обычно считается основным критерием при выборе усилителя мощности. Однако в некоторых приложениях требуется фиксированное напряжение или ток, и в этой ситуации мощность, подаваемая на нагрузку, может быть определена с помощью закона Ома.Круговая диаграмма закона Ома, показанная на рисунке 2, показывает различные комбинации четырех переменных: I, V, Ω и W. Как показано на рисунке 3, идеальный выходной импеданс 1,8 Ом обеспечивает минимальную выходную мощность 350 Вт. Выше этого импеданса усилитель будет ограничивать напряжение, а ниже этого импеданса усилитель будет ограничивать ток. Более подробная информация доступна в разделе «Выходное напряжение, ток, мощность и сопротивление ВЧ-усилителя».

Рисунок 2: Зависимость тока от напряжения

Индуктивность провода

При работе на частоты до примерно 100 кГц усилителя выход очень предсказуем.К сожалению, поскольку частота увеличивается, индуктивная реактивное сопротивление выхода кабели начинают отрицательно влияют на поставленную мощность. При вносимых потерях от 100 кГц до 300 кГц заметно, это не чрезмерно. Тем не мение, потери свыше 300 кГц могут быть значительный, и необходимо уделять особое внимание выходной кабельной разводке, чтобы обеспечить надлежащее мощность передается на нагрузку.

Рисунок 3: Зависимость мощности от сопротивления нагрузки

Чтобы свести к минимуму реактивные потери, когда нагрузка близка к усилителю, убедитесь, что проводной выход как можно короче и физически большой.Шины особенно хорошо подходят для этого применения. Сохраняя низкую индуктивность, потери являются допустимыми. Часто применение включает в себя некоторое разделение между усилителем и нагрузкой. В этом случае рекомендуется использовать согласованные коаксиальные кабели, чтобы минимизировать КСВН и максимизировать передаваемую мощность. Поскольку выходное сопротивление усилителя составляет примерно 1,8 Ом, согласованный кабель должен быть

Менее привлекательным методом является использование широкой медной ленты или толстой проволочной оплетки. Чем больше площадь поверхности ремешка лучше.Этот подход хорошо работает на более низких частотах, но может быть ограничен 1 МГц.

Стандартный провод годен только на низких частотах или на коротких расстояниях. Большая часть мощность будет потеряна в результате индуктивного сопротивления на более высоких частотах.

Стабилизация

Для приложений, требующих уровней напряжения или тока, превышающих возможности одного 350Ah2A, выходы от двух и более усилителей 350Ah2A можно комбинировать. В зависимости от в физической конфигурации можно удвоить либо напряжение, либо ток, вчетверо ток или удвоить напряжение и ток.

Примеры «Subampability» 350Ah2A:

Чтобы удвоить выходной ток, соедините оба выхода параллельно.

Рисунок 4: 2x 350Ah2A в параллельной конфигурации

Если приложение требует большего напряжения, чем может обеспечить один 350Ah2A, два усилители могут быть объединены в мостовую конфигурацию. Второй усилитель настроен на инвертируйте выходной сигнал, и нагрузка помещается между двумя выходами. Эффект удвоение выходного напряжения.Этот метод аналогичен жилой линии 220 В переменного тока. (обычно используется в США), где две линии 110 В переменного тока не совпадают по фазе на 180 °. в сочетании, чтобы обеспечить 220 В переменного тока.

Рисунок 5: 2x 350Ah2A в мостовой конфигурации

Комбинируя четыре усилителя, можно в четыре раза увеличить выходной ток через параллельный конфигурации или удвоить напряжение и ток через мостовой и параллельный конфигурация.

Примечание: В параллельной конфигурации можно комбинировать 2, 3, 4, 5… усилители; это не ограничивается всего 2 и 4.

Рисунок 6: 4x 350Ah2A в параллельной конфигурации Рисунок 7: 4x 350Ah2A в мостовой и параллельной конфигурации

Сводка ожидаемых результатов

Параметры, перечисленные в таблице ниже, полезны при работе на частотах

	Напряжение	Текущий	Эффективное выходное сопротивление (EOI)	Мощность при (EOI) *
	Вольт	Амперы	Ом В / А = & Ом;	ВА В * A = ВА
Одноместный 350Ah2A	25	14	1.8	350
2X 350Ah2A параллельно	25	28 год	0,89	700
2X 350Ah2A мостовой	50	14	3,57	700
4X 350Ah2A параллельно	25	56	0.45	1400
4X 350Ah2A мостовой и параллельный	50	28 год	1,8	1400

Приложения

Благодаря универсальности прочной конструкции 350Ah2A, он пригоден для использования в бесчисленном множестве Приложения. Одно из самых многообещающих приложений — тестирование на ЭМС. До введение 350Ah2A, не было инструментальных усилителей для этих требующие испытаний.Инженеры-испытатели были вынуждены пойти на компромисс с усилителями звука и пожертвовать некоторыми из следующих желаемых характеристик: широкая частотная характеристика, долговечность конструкция, допуск полного несоответствия на обрыв и короткое замыкание, а также напряжение и ток выходной дисплей.

• Испытания на ЭМС
  • MIL-STD-461D / E / F
  • CS101 — Звуковая частота, проводимая RF [30 Гц — 150 кГц]
  • CS109 — РЧ звуковой частоты на корпусе [60 Гц — 100 кГц]
  • CS114 — Новое требование MIL-STD-461F, расширяющее тестирование до 4 кГц от 10 кГц.Только для этого нового частотного диапазона есть совершенно новая настройка. (См. Руководство по коаксиальным РЧ разъемам и кабелям)
  • RS101 — Испытание магнитным полем [30 Гц — 100 кГц]
  • DO160D / E / F
  • Раздел 18 Звуковая частота, проводимая RF [10 Гц — 150 кГц]
  • Раздел 19 Восприимчивость к магнитному полю [350 Гц — 32 кГц]
  • Автомобильная промышленность
  • SAE J1113-2 Проводимая звуковая частота RF
  • SAE J1113-22 Испытание магнитным полем
  • ISO 11452-8 Звуковая частота, проводимая RF
  • Крайслер
  • ПФ-9326, ПФ-10540 секция 3.8.2: Аудиочастота, проводимая RF [15 Гц — 250 кГц]
  • PF-9326, PF-10540 раздел 3.8.3: Аудиочастота, проводимая RF [125 Гц — 20 кГц]
  • PF-9326, PF-10540 раздел 3.8.7: Испытание магнитным полем [15 Гц — 30 кГц]
  • DC-10614 (RS101) Испытание магнитным полем [15 Гц — 100 кГц]
  • GM
  • GMW3097 Раздел 3.4.4 MS [16 2/3 Гц — 180 Гц]
  • GMW3100 Раздел 3.2.1.2.5 MS [16 2/3 Гц — 180 Гц]
  • Форд
  • RI140 (RS101) Испытание магнитным полем [50 Гц — 10 кГц]
  • RI150 радиационная восприимчивость [0.6 кГц — 10 кГц]
  • CI210 Звуковая частота, проводимая RF [50 Гц — 10 кГц]
  • CI250 Смещение напряжения [50 Гц — 1 кГц]
• Исследование магнитного поля
• Дезинфекция магнитным полем
• Испытание низкочастотных переходных процессов
• Источник переменного напряжения или тока

Низкочастотные усилители напряжения серии DLPVA

Характеристики

• Переключаемое усиление до 100 дБ (x 100000)
• Полоса пропускания от 0 до 100 кГц
• DC-дрейф 0.6 мкВ / ° C
• Входной шум до 0,4 нВ / √Гц
• Переключаемое соединение переменного / постоянного тока
• Местное и дистанционное управление
• Входное сопротивление до 1 ТОм

Вынос со смещением

Температурный дрейф входного напряжения смещения является одной из решающих характеристик качества усилителя постоянного напряжения. Усилители напряжения FEMTO имеют характеристики постоянного тока прецизионных усилителей. Следовательно, даже усиление 100 дБ хорошо подходит для связи по постоянному току без необходимости постоянной регулировки напряжения смещения.

Пропускная способность

Полоса пропускания идеального усилителя с регулируемым усилением не зависит от настройки усиления, что очень важно для измерения быстрых сигналов и импульсов. Полоса пропускания усилителей DLPVA компании FEMTO остается постоянной на уровне 100 кГц (-3 дБ) вплоть до максимальной настройки усиления. Широкополосный шум можно уменьшить, переключив верхнюю граничную частоту на 1 кГц.

Органы управления

Параметры, например настройками усиления, полосой пропускания и т. д. можно управлять с помощью локальных переключателей непосредственно на усилителе.Операция проста, выбранная настройка усиления отображается с помощью светодиодов. Для дистанционного управления каждый переключатель снабжен соответствующим TTL-битом. Возможна также смешанная работа.

Гибкость

Шесть различных моделей DLPVA обеспечивают высокую степень гибкости. Наши клиенты могут выбрать либо несимметричный, либо истинный дифференциальный вход. Входное сопротивление составляет 1 МОм или ниже для наших биполярных моделей и исключительно высокое 1 ТОм для наших моделей полевых транзисторов, что позволяет измерять сигналы от источников с очень высоким импедансом.Наконец, для модели DLPVA-100-BUN-S уровень шума составляет всего 0,4 нВ / √Гц.

Приложения

• Универсальный усилитель низкой частоты
• Автоматизированные измерения
• Датчики промышленные
• Детекторный предусилитель
• Интегрированные измерительные системы

Модель	DLPVA- 100-BUN-S	DLPVA- 100-BLN-S	DLPVA- 100-B-S	DLPVA- 100-B-D	DLPVA- 100-F-S	DLPVA- 100-F-D
Входной каскад	одинарный оконечный, биполярный	одинарный оконечный, биполярный	одинарный конец, биполярный	True diff., биполярный	Одиночный на конце, FET	Истинный дифференциал, FET
Ввод	1 кОм, BNC	1 МОм, BNC	1 МОм, BNC	1 МОм, Lemo ®	1 ТОм, BNC	1 ТОм, Lemo ®
Типичное сопротивление источника	<50 Ом	<100 Ом	<1 кОм	<1 кОм	<1 ГОм	<1 ГОм
Нижняя Частота среза	1.5 Гц (только переменный ток)	DC / 1,5 Гц	DC / 1,5 Гц	DC / 1,5 Гц	DC / 1,5 Гц	DC / 1,5 Гц
Верхняя Частота среза [кГц]	1/100	1/100	1/100	1/100	1/100	1/100
Усиление [дБ]	40/60/ 80/100	40/60/ 80/100	20/40/90 321 60/80	20/40/90 321 60/80	20/40/90 321 60/80	20/40/90 321 60/80
Входное шумовое напряжение [нВ / √Гц]	0.4	0,7	2,4	3,6	5,5	6,9
Дрейф входного напряжения [мкВ / ° C]	–	0,5	0,7	0,7	1,3	1,3
CMRR	–	–	–	120 дБ макс.	–	120 дБ макс.
Лист данных	291 Кбайт	285 Кбайт	299 Кбайт	299 Кбайт	300 Кбайт	300 Кбайт
Выход	<100 Ом, BNC
Выходное напряжение	± 10 В (при нагрузке 100 кОм)
Цифровое управление	TTL, CMOS, оптоизолированный

Смещение регулируется подстроечным резистором или внешним управляющим напряжением.Индикация выбранной настройки усиления с помощью светодиода. Защита от короткого замыкания на выходе. Питание через 3-контактную розетку Lemo ^® . Ответный разъем входит в комплект поставки устройства. Доступен дополнительный блок питания PS-15. Для получения дополнительной информации просмотрите таблицу.

Типовые рабочие характеристики

Транзисторы

— Усилитель с низкочастотным вопросом?

Для анализа сигналов переменного тока существует в основном два шага для получения модели h-параметра

Шаг 1: Замкните все источники питания постоянного тока и разделительные конденсаторы.

Шаг 2: Замените BJT его моделью h-параметра.

Следуя шагу 1, мы должны заземлить источник питания Vcc (здесь нет разделительных конденсаторов). Результирующая схема показана ниже.

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Теперь нам нужно заменить BJT моделью h-параметра. Итоговая цифра приведена ниже.

^{смоделировать эту схему}

Примечание. Резистор Rb находится между выводами коллектора и базы.В вашей модели одна из клемм заземлена, и это неправильно. hoe — это выходная крутизна , и она также присутствует в модели h-параметра (мы можем избежать этого в некоторых случаях, поскольку СОПРОТИВЛЕНИЕ КОЛЛЕКТОРА почти равно Rc )

Теперь нужно использовать теорему Миллера , чтобы убрать сопротивление Rb С текущего положения. Наличие Rb и затрудняет анализ схемы. Чтобы применить теорему Миллера, нам понадобится схема усиления напряжения.Но, к сожалению, у нас есть схема усиления по току. Мы можем преобразовать источник усиления по току в источник усиления по напряжению следующим образом

\ $ i_b = \ cfrac {V_b} {h_ {ie}} \

Следовательно, \ $ {h_ {fe}} {{i_b}} = {h_ {fe}} {\ cfrac {V_b} {h_ {ie}}} = (\ cfrac {h_ {fe}} {hie}) .Vb = 0,0454V_b \

долл. США

Теперь применим теорему Миллера, получим следующую схему

^{смоделировать эту схему}

Анализ

Примечание: , поскольку значение мотыги не указано, мы можем пренебречь им из схемы замещения малых сигналов

Согласно теореме Миллера ,

Влияние резистора Rb на входной клемме

\ $ R_ {bi} = \ cfrac {R_b} {(1-A)}; А = 0.0454; \ $ коэффициент усиления цепи

\ $ R_ {bi} = \ cfrac {R_b} {(1-0.045)} = 1.048R_b = 209.6k \ Omega \

Аналогично, влияние резистора Rb на входной клемме

.

\ $ R_ {bo} = \ cfrac {{A} {R_b}} {(1-A)}; A = 0,0454 \

долл. США

\ $ R_ {bo} = \ cfrac {{0,0454} {R_b}} {(1-0.045)} = {0,048} {R_b} = 9,6 тыс. \ Omega \

Полное сопротивление на клемме передатчика

\ $ Z_b = h_ {ie} = 1.1k \ Omega \ $

Входное сопротивление цепи

\ $ Z_i = R_ {bi} || h_ {ie} = 1.094k \ Omega (прибл.) \

$

Выходное сопротивление цепи

\ $ Z_o = R_ {bo} || R_c = 4.9k \ Omega (примерно половина Rc) \

$

Коэффициент усиления напряжения

\ $ A_v = \ cfrac {V_o} {V_i} = \ cfrac {({-} {i_c} {R_c})} {({i_b} {h_ {ie}})} \ $

\ $ A_v = \ cfrac {({-} {h_ {fe}} {i_b}. \ Cfrac {R_ {bo}} {(R_ {bo} + R_c)}). R_c} {i_b.h_ {ie }} \ $

\ $ A_v = \ cfrac {{-} {h_ {fe}} {R_ {bo}} {R_c}} {({h_ {ie}} (R_ {bo} + R_c))} = — 222.634 \ $

Текущий прирост

\ $ A_i = \ cfrac {i_c} {i_i} = \ cfrac {{({h_ {fe}} {i_b} {\ cfrac {(R_ {bo}} {(R_ {bo} + R_ {c})) }}))}} {\ cfrac {{i_b} {h_ {ie}}} {Z_i}} = \ cfrac {{h_ {fe}} {R_ {bo}} {Z_i}} {{h_ {ie} } {(R_ {bo} + R_c)}} = 24.36 \ $

Частотная характеристика

усилителя BJT с общим эмиттером [Analog Devices Wiki]

1 Топология цепи

Схема типичного усилителя с общим эмиттером показана на рисунке 1. Конденсаторы C _B и C _C используются для блокировки точки смещения постоянного тока усилителя от входа и выхода (связь по переменному току). Конденсатор C _E — это шунтирующий конденсатор переменного тока, используемый для заземления низкочастотного переменного тока на эмиттере Q ₁ .Конденсатор Миллера C _F представляет собой небольшую емкость, которая будет использоваться для управления высокочастотной характеристикой усилителя 3- дБ .

Рисунок 1: Усилитель BJT с общим эмиттером.

1.1 Смещение постоянного тока и среднечастотная характеристика

Для этого раздела предположим, что C _B = C _C = C _E = 1 Фарад и C _F = C _Π = C _µ = 0. Вы можете найти постоянный ток коллектора (I _C ) и номиналы резисторов после анализа, приведенного в вашем учебнике.Поскольку топология и требования могут немного отличаться от текста, вам нужно будет внести незначительные изменения в процедуру проектирования и уравнения.

1.2 Низкочастотная характеристика

На рис. 2 показана низкочастотная малосигнальная эквивалентная схема усилителя. Обратите внимание, что C _F игнорируется, поскольку предполагается, что его импеданс на этих частотах очень высок. R _B — это параллельная комбинация R _B1 и R _B2 .

Рисунок 2: Низкочастотная эквивалентная схема.

Используя анализ постоянной времени короткого замыкания, нижняя частота 3- дБ (ω _L ) может быть найдена как:

Где

1.3 Высокочастотная характеристика

На рис.3 показана эквивалентная высокочастотная малосигнальная схема усилителя. На высоких частотах C _B , C _C и C _E могут быть заменены короткими замыканиями, поскольку их полное сопротивление становится очень маленьким по сравнению с R _S , R _L и R _E .

Рисунок 3: Высокочастотная эквивалентная схема.

Более высокая частота 3- дБ (ω _H ) может быть получена как:

Где

Таким образом, если мы предположим, что усилитель с общим эмиттером должным образом характеризуется этими доминирующими полюсами низких и высоких частот, то частотная характеристика усилителя может быть аппроксимирована следующим образом:

2 Предварительная лаборатория

Предполагая, что C _B = C _C = C _E = 1 Фарад и C _F = C _Π = C _µ = 0, и используя транзистор 2N3904, спроектируйте усилитель с общим эмиттером с следующие характеристики:

В _CC = 5 В
R _S = 50 Ом
R _L = 1 кОм
R _IN > 250
Isupply <8 мА
A _В , пик. -пиковое колебание выхода без фиксации> 3 В

1.Покажите все свои расчеты, процедуры проектирования и окончательные значения компонентов.
2. Проверьте свои результаты с помощью симулятора цепи LTSpice. Отправьте все необходимые графики моделирования, подтверждающие соответствие спецификациям. Также предоставьте принципиальную схему с аннотациями точек смещения постоянного тока.
3. Используя симулятор LTSpice, найдите более высокую частоту 3- дБ (f _H ), в то время как C _F = 0.
4. Определите Cp, Cµ и r _b транзистора из смоделированной работы. точечные данные (обратитесь к документации вашего симулятора, чтобы узнать, как получить данные о рабочих точках).Вычислите f _H , используя уравнение из раздела 1.3, и сравните его с результатом моделирования, полученным на шаге 3. Помните, что уравнение дает вам частоту в радианах, и вам необходимо преобразовать ее в Гц.
5. Вычислите значение C _F , чтобы получить f _H = 50 кГц . Смоделируйте схему, чтобы проверить свой результат, и при необходимости отрегулируйте значение C _F .
6. Вычислите C _B , C _C , C _E , чтобы получить f _L = 500 Гц.Смоделируйте схему, чтобы проверить результат, и при необходимости отрегулируйте номиналы конденсаторов.
7. Будьте готовы обсудить свой дизайн в начале лабораторного периода со своим техническим специалистом.

3 Лабораторная процедура

Цель:

Целью этого раздела лабораторной работы является проверка ваших предварительных проектных значений путем создания реальной схемы и измерения ее частотной характеристики.

Материалы:

Модуль активного обучения ADALM2000
Макетная плата без пайки
6 — Резисторы различных номиналов из комплекта аналоговых деталей ADALP2000
4 — Конденсаторы различных номиналов из комплекта аналоговых деталей ADALP2000
1 — Малосигнальный NPN-транзистор (2N3904)

Обратите внимание на резистор истока R _S и выход AWG ADALM2000.Выход AWG имеет последовательное выходное сопротивление 50 Ом, и вам необходимо включить его вместе с внешним сопротивлением последовательно с его выходом. Также из-за относительно высокого коэффициента усиления вашей конструкции вам понадобится входной сигнал с небольшой амплитудой около 100 мВ от пика до пика. Вместо того, чтобы программно уменьшать AWG, было бы лучше с точки зрения шума вставить резисторный делитель напряжения между выходом AWG и входом вашей схемы для ослабления сигнала. Использование чего-то вроде того, что показано на рисунке 4, обеспечит коэффициент затухания 1/8 и эквивалентное сопротивление источника 60 Ом.Конечно, возможны и другие комбинации номиналов резисторов в зависимости от того, что у вас есть.

Рисунок 4 Аттенюатор сигнала с сопротивлением источника 60 Ом

Настройка оборудования

Постройте схему на своей макетной плате.

Рисунок 5 Подключение макетной платы усилителя BJT с общим эмиттером

Направления:

1. Постройте усилитель на основе схемы на рис. 1, которую вы разработали в предварительной лаборатории.Основываясь на ваших проектных значениях из предварительной лаборатории, используйте ближайшее стандартное значение из вашего набора. Помните, что вы можете комбинировать стандартные значения последовательно или параллельно, чтобы получить комбинированное значение, близкое к вашему расчетному номеру.
2. Проверьте рабочую точку постоянного тока, измерив I _C , V _E , V _C и V _B . Если какое-либо значение смещения постоянного тока значительно отличается от значения, полученного при моделировании, измените схему, чтобы получить желаемое смещение постоянного тока, прежде чем переходить к следующему шагу.
3. Измерьте Isupply.
4. Используйте инструмент Network Analyzer в программном обеспечении Scopy, чтобы получить амплитуду частотной характеристики усилителя от 10 Гц до 5 МГц и определить нижнюю и верхнюю 3- дБ частоты f _L и f _H .
5. На средних частотах измерьте A _V , R _IN и R _OUT .
6. Измерьте максимальную амплитуду выходного сигнала без ограничений.
7. Подготовьте лист данных, в котором показаны смоделированные и измеренные значения.
8. Будьте готовы обсудить свой эксперимент со своим TA. Перед отправкой лабораторного отчета ваш технический специалист должен проверить лист данных вашей лаборатории.

Рис. 6. График Scopy Network Analyzer с C _F = 0

Рис.7. График осциллографа Scopy с C _F = 0 при частоте = 500 Гц.

Для дальнейших экспериментов замените каждый конденсатор на конденсатор, который в 2 и 10 раз больше и меньше ваших проектных значений, и повторно измерьте кривую отклика с помощью прибора Network Analyzer.Делайте это только с одним конденсатором за раз, чтобы наблюдать его индивидуальное влияние на отклик. Объясните изменения в ответе, который вы видите.

Вернуться к лабораторной работе Содержание

университет / курсы / электроника / электроника-лаборатория-5fr.txt · Последнее изменение: 25 июня 2020 г., 22:07 (внешнее редактирование)

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, приступим к работе с Analyze Low Frequency Response of Amplifier.

Схемы усилителей BJT

• На рисунке ниже 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, который имеет три RC-цепи 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 обхода эмиттера C2 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 клемме 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.

V _база = (Rin / √ (R ² in + X ² _C1 )) Vin

• Как и ранее, обсудим критическую точку отклика выходов усилителя, когда выходное напряжение равно 70.7 процентов от среднего значения.
• Эта ситуация возникает во входной RC-цепи, когда XC1 = Rin.

V _{основание} = (Rin / √ (R ² дюйм + R ² _дюйм )) Vin = (Rin / √ (2R ² дюймов)) Vin = (Rin / (√2. Рин)) Ви

В _база = 0,707 Вин

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

Менее 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 меньшая 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 источника входного сигнала, тогда уравнение A будет.

fcl (вход) = 1 / 2Π (Rs + Rin) C1

Спад усиления напряжения на низких частотах

• Как мы уже говорили, 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 коэффициент усиления 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.
• Затухание входной RC-цепи будет как.
• Затухание = Vbase / Vin = Rin / √ (R ² дюйм + X ² C1) = Rin / √ (R ² дюйм + (10Rin) ² )

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

• Затухание в децибелах будет.

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

Что такое участок Боде

• Десятилетнее изменение частоты 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

• С уменьшением 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 критической частоты 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 вызывает 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, обозначенное на рисунке ниже 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 возникают 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 обозначение «a» для средних частот. 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 ’.

• Так как сопротивление эмиттера относительно земли увеличивается, усиление 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 ‘.

• Сопротивление, подключенное к эмиттеру, можно рассчитать с помощью следующей процедуры.
• На рисунке, обозначенном 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 эмиттера определяется при подключении эквивалентного источника тока, 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

• Конденсатор C2 r’e + Rth / βac находится в параллельной комбинации с сопротивлением RE, которое показано на рисунке и обозначено 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 входной и выходной сторонах 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 емкостные сопротивления почти равны 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.
• 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 выходного сигнала усилителя на полевых транзисторах

• Вторая RC-схема, которая влияет на низкочастотную характеристику усилителя на полевых транзисторах, создана 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 в левой части 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 меньше среднего уровня аналогично входной RC-схеме.
• Схема с наибольшей критической частотой преобладает, 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)

• Мы снова 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 остальных 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 вот 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 / декаду непрерывный, пока не будет достигнута критическая частота схемы байпаса RC.
• RC-схема обхода добавила еще -20 дБ / декаду в этой точке излома, создав спад усиления на -60 дБ / декаду.
• Если все RC-схемы 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, задавайте их 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.

Частотная характеристика усилителей

— Electronics-Lab.com

Введение

Как и любая электронная схема, на поведение усилителей влияет частота сигнала на их входных клеммах. Эта характеристика известна как частотная характеристика .

Частотная характеристика — одно из важнейших свойств усилителей. В частотном диапазоне, для которого были разработаны усилители, они должны обеспечивать постоянный и приемлемый уровень усиления. Частотная характеристика напрямую зависит от компонентов и архитектуры, выбранной для конструкции усилителя.

В этом руководстве мы сосредоточимся на этой важной особенности усилителей. Прежде всего, подробно описывается понятие частотной характеристики вместе с некоторыми базовыми связанными понятиями, и мы представим, как ее количественно оценить.Во втором разделе мы разберемся, какой компонент влияет на АЧХ и как. В оставшейся части статьи представлен метод определения низкочастотных и высокочастотных характеристик. Эти результаты, наконец, будут обобщены в заключении, чтобы построить глобальную частотную характеристику усилителя с общим эмиттером.

Определения

Прежде чем подробно определять частотную характеристику, нам необходимо представить единицу измерения децибел (дБ) и относящуюся к ней логарифмическую шкалу.При изучении частотной характеристики действительно более целесообразно преобразовать коэффициент усиления по мощности или напряжению в дБ и представить шкалу частот в логарифмической (логарифмической) шкале.

Если мы рассмотрим усилитель с коэффициентом усиления по мощности A _P и коэффициентом усиления по напряжению A _V , коэффициент усиления по мощности и напряжению в дБ определяется как:

уравнение 1: усиление по мощности и напряжению в дБ

Хотя коэффициенты усиления в линейном масштабе всегда положительны (A _P , A _V ≥0), их эквивалент в дБ может быть положительным, если осуществляется усиление (A _P , A _V > 1) или отрицательный, если входной сигнал ослаблен (A _P , A _V <1).

Часто исследуется не усиление A _V (дБ) , а скорее нормализованное отношение A _V / A _{V , mid} (дБ) = 20log (A _V / A _{V, середина} ) . Где _{V, средний} называется средним усилением и представляет максимальное усиление усилителя в его рабочем диапазоне частот, например 20 Гц — 20 кГц для аудиоусилителя.

Следовательно, когда A _V = A _{V, середина} , нормализованное усиление (равное A _V ) будет A _V (дБ) = 0 _. Устанавливает опорное значение 0 дБ при максимальном усилении. Важно отметить, что когда мощность делится на два, мы видим, что A _P (дБ) = 10log (0,5) = — 3 дБ .

Частота, при которой мощность падает до 50% от среднего значения, известна как частота среза и отмечена как f _c . Каждый раз, когда мощность уменьшается вдвое, наблюдается уменьшение нормализованного усиления на 3 дБ. Следовательно, A _P = -3 дБ соответствует A _{V, середина} /2 , A _P = -6 дБ соответствует A _{V , mid} /4 и так далее…

Для этой же частоты напряжение (или ток) умножается на коэффициент √2 = 0.7. Уменьшение наполовину сигнала напряжения соответствует уменьшению на 6 дБ и следует той же схеме, что и для усиления мощности.

Наиболее распространенным инструментом, используемым для представления частотной характеристики любой системы, является график Боде . Он состоит из нормализованного усиления A _V (дБ) как функции частоты в логарифмической шкале. Упрощенный график Боде усилителя показан на Рис. 1 ниже:

рис 1: Типичный график Боде усилителя

Голубая кривая называется асимптотическим представлением, а синяя кривая — реальной частотной характеристикой схемы.

На рис. 1 можно выделить две разные частоты среза: f _lc для «низкой отсечки» и f _hc для «высокой отсечки». Величина f _hc -f _lc называется шириной полосы и представляет собой частотный диапазон, в котором усиление выше плато -3 дБ.

Последнее наблюдение можно сделать о крутизне частотной характеристики вне полосы пропускания. Во-первых, они не обязательно должны быть идентичными для низких и высоких частот.Более того, как мы увидим позже, наклон имеет значение, которое зависит от реактивного сопротивления компонентов, которые вызывают зависимость от частоты.

Влияние конденсаторов

Рассмотрим усилитель с общим эмиттером (CEA), конфигурация которого показана на рис. 2 :

Рис 2: Усилитель с общим эмиттером

Структура вокруг BJT-транзистора состоит из цепи делителя напряжения (R ₁ и R ₂ ), нагрузки (R _L ), конденсаторов связи (C ₁ и C ₃ ) и байпасный конденсатор C ₂ .

Важно помнить, что у конденсаторов есть свойство, называемое реактивным сопротивлением , , которое является эквивалентом сопротивления. Реактивное сопротивление (X _C ) конденсаторов зависит от частоты и номинала конденсатора, оно удовлетворяет следующей формуле:

уравнение 2: Реактивность конденсаторов

Независимо от номинала конденсатора, когда частота низкая, X _C имеет тенденцию быть высокой. Таким образом, вблизи сигналов постоянного тока конденсаторы ведут себя как разомкнутые цепи.С другой стороны, при увеличении частоты X _C стремится к нулю, и конденсаторы действуют как короткие замыкания.

На низких входных частотах конденсаторы связи с большей вероятностью будут блокировать сигнал, поскольку X _{C 1} и X _C3 выше, большее падение напряжения будет наблюдаться на C ₁ и C ₃ . Это приводит к более низкому усилению напряжения.

На высоких входных частотах байпасный конденсатор C ₂ укорачивает эмиттерную ветвь до земли, а коэффициент усиления по напряжению усилителя составляет A _В = (R _C // R _L ) / r _e , где r _e — малое сопротивление эмиттера диода.Когда частоты ниже, сопротивление между эмиттером и землей больше не только r _e , но R _E + r _e , и, следовательно, коэффициент усиления по напряжению уменьшается до A _V = (R _C // R _L ) / (R _E + r _e ) .

Существует еще один тип конденсаторов, который влияет на частотную характеристику усилителя и не представлен на рис. 2 . Они известны как внутренние транзисторные конденсаторы и представлены на рис. 3 ниже:

Рис. 3: Внутренние конденсаторы транзистора

В то время как конденсаторы связи и байпаса действуют как фильтр верхних частот (они блокируют низкие частоты), эти внутренние конденсаторы ведут себя по-другому.Действительно, если частота низкая, C _BC и C _BE действуют как разомкнутая цепь, и на транзистор это никак не влияет. Однако, если частота увеличивается, через них проходит больше сигнала, а не через базовую ветвь транзистора, что снижает коэффициент усиления по напряжению.

Очень важная формула дается в Уравнение 3 и связывает частоту среза RC-фильтра:

уравнение 3: Частота среза RC-фильтра

Низкочастотная характеристика

Имея в виду всю эту информацию, давайте вычислим и построим график низкочастотной характеристики CEA , рис. 2, , со следующими параметрами:

• R _S = 500 Ом; R ₁ = 80 кОм; R ₂ = 30 кОм; R _C = 5 кОм; R _E = 2 кОм; R _L = 6 кОм; r _e = 25 Ом
• C ₁ = 100 нФ; C ₂ = 150 мкФ; C ₃ = 400 нФ; C _BC = 5 пФ; C _BE = 30 пФ
• Коэффициент усиления транзистора β = 100; В _{питание} = 10 В

В первую очередь рассмотрим входной фильтр верхних частот R _в C ₁ .Как объяснялось в предыдущих руководствах, R _в — это полное входное сопротивление усилителя. В нашем примере это может быть определено как]

R _дюйм = R _S + (R ₁ // R ₂ // βR _E ) = 20,2 кОм .

Таким образом, нижняя частота среза входа будет: f _{cl, in} = 1 / (2πR _in C ₁ ) = 79 Гц .

Та же процедура может быть проделана для выхода, у которого выходное сопротивление составляет R _выход = R _C // R _L = 2.7 кОм . Нижняя частота среза выходного фильтра: f _{cl, out} = 1 / (2πR _out C ₃ ) = 147 Гц .

Наконец, для байпасного конденсатора формула сопротивления более сложна и задается следующим образом: R _bypass = R _E // ((r _e + (R _S // βR _E ) / β )) = 30 Ом . Таким образом, нижняя частота среза байпасной структуры:

f _{cl, байпас} = 1 / (2πR _байпас C ₂ ) = 35 Гц .

И последнее, что нам нужно понять перед построением графика Боде, — это крутизна наклона средних значений. Уменьшение A _{V, середина} с частотой называется спадом , и его значение для каждого простого RC-фильтра составляет -20 дБ / декаду (дБ / дек). Это значение означает для фильтров верхних частот (соответственно фильтров нижних частот), что каждый раз, когда частота делится на 10 (соответственно умножается на 10), коэффициент усиления усилителя уменьшается на -20 дБ.

Когда несколько фильтров блокируют один и тот же диапазон частот, спад увеличивается.В нашем примере три фильтра одновременно блокируют частоты ниже 35 Гц, поэтому спад составляет 3 * (- 20 дБ / дек) = — 60 дБ / дек.

Эта информация может быть синтезирована на графике Боде, показывающем низкочастотную характеристику CEA в асимптотическом представлении:

рис. 4: Низкочастотная характеристика CEA

Высокочастотная характеристика

Как указывалось ранее, именно внутренние конденсаторы транзистора ограничивают усиление на высоких частотах, действуя как фильтры нижних частот.Можно показать, что эквивалентную схему , рис. 2, на высокой частоте, можно нарисовать так, как показано на рис. 5 , :

. рис. 5: Эквивалент CEA на высокой частоте

Можно отметить, что конденсаторы связи не представлены, поскольку они ведут себя как короткие замыкания на высоких частотах. Кроме того, эмиттерная ветвь укорачивается до земли по той же причине, что и байпасный конденсатор.

Внутренний конденсатор C _BC преобразуется с помощью теоремы Миллера в эквивалентные C _{в конденсаторах} и C _из конденсаторов.Более того, эта теорема утверждает, что C _в = C _BC (A _{V, середина} +1) и C _out = C _BC (A _{V, середина} +1) / A _{V, середина} .

Общая входная емкость этой цепи составляет C _IN = C _BE + C _в ; общее входное сопротивление составляет R _IN = R _S // R ₁ // R ₂ // βr _e . Числовое приложение к нашему примеру дает A _{V, mid} = (R _C // R _L ) / r _e = 108, C _IN = 575 пФ и R _IN = 409 Ом. Таким образом, верхняя частота среза входа равна f _{hc, in} = 1 / (2πR _IN C _IN ) = 677 кГц .

С точки зрения выхода, высокая частота среза просто задается фильтром (R _C // R _L ) C _out с C _out = 5,3 пФ : f _{hc, выход} = 1 / (2π (R _C // R _L ) C _выход ) = 1,1 МГц .

Приведенная здесь информация суммирована на графике Боде, представляющем высокочастотную характеристику CEA в асимптотическом представлении:

рис 6: Высокочастотная характеристика CEA

Заключение

Мы представили некоторые ключевые концепции, такие как блок децибел и частота среза , чтобы понять идею частотной характеристики.

Мы видели, что множество различных типов конденсаторов влияют как на низкочастотную, так и на высокочастотную характеристику усилителей. Конденсаторы связи и байпаса действительно ограничивают низкочастотную характеристику, тогда как внутренние конденсаторы транзистора ограничивают высокочастотную характеристику.

В двух последних разделах мы показываем пошаговый метод для отдельного определения низкочастотной и высокочастотной характеристики типичной конфигурации CEA.

Объединив два графика Боде, полученные для низкочастотных и высокочастотных характеристик на рис. 4 и рис. 6 , мы теперь можем построить общую частотную характеристику конфигурации CEA:

Рис. 7: Общая частотная характеристика CEA

Refine Biasing Networks for High PA Low Frequency Stability

Загрузите эту статью в формате PDF.

Характеристики высокочастотного активного устройства во многом зависят от условий смещения постоянного тока. Для оптимальной производительности твердотельному устройству (SSD) требуется сеть смещения для конкретного приложения. Такие сети смещения являются не только важными частями ВЧ / СВЧ-цепей с твердотельными накопителями, но и правильно спроектированные сети смещения вносят большой вклад в производительность и стабильность высокочастотных цепей с твердотельными накопителями.

Коэффициент усиления SSD

обратно пропорционален частоте, с более высоким коэффициентом усиления на более низких частотах, поэтому следует обратить внимание на схему SSD из-за сильной связи между усилением устройства и стабильностью.Например, отклик усилителя мощности ВЧ / СВЧ (PA) должен быть тщательно скомпенсирован, чтобы предотвратить колебания из-за более высокого усиления на более низких частотах.

На более низких частотах влияние цепей смещения преобладает по сравнению с цепями согласования импеданса. Это связано с тем, что блокирующий конденсатор небольшого размера по постоянному току имеет высокий импеданс на более низких частотах и ​​нейтрализует влияние согласующих цепей. Таким образом, правильно спроектированная сеть смещения может использоваться для улучшения низкочастотной стабильности SSD.

Хотя анализ стабильности ВЧ / СВЧ-цепей является основной темой, частичный анализ позволяет вывести некоторые идеи о проблемах стабильности на низких частотах, вызванных смещением сетей. Влияние схем смещения PA на низкочастотную стабильность можно показать, проанализировав упрощенный низкочастотный эквивалент мощного полевого транзистора (FET) и его схем смещения.

Смещение типа AB будет учитываться при анализе низкочастотной стабильности.После анализа будут представлены предложения по конструкции, касающиеся смещения затвора и стока, с уделением внимания параметрам производительности ВЧ / СВЧ, таким как вносимые потери и эффективность. Наконец, будет представлено исследование резонанса PA и результаты его измерений.

Усилитель мощности ABC

Типичный усилитель мощности состоит из активного устройства и по крайней мере четырех пассивных подсхем: согласования входного импеданса, смещения затвора, согласования выходного импеданса и смещения стока. На рисунке 1 изображена такая структура. Предполагается, что номиналы разделительных конденсаторов постоянного тока достаточно малы, чтобы игнорировать влияние согласующих цепей на анализ низкочастотной характеристики УМ.

1. Это обычная структура смещения для ВЧ / СВЧ-усилителя мощности (УМ).

Чтобы лучше понять проблемы достижения стабильности низкочастотного усилителя, внутренние компоненты транзистора и структура смещения стока будут использоваться, чтобы показать начальные условия низкочастотной стабильности в отношении входного импеданса и передаточной функции.Сложность схемы будет постепенно увеличиваться, чтобы продемонстрировать влияние компонентов смещения затвора.

Этапы анализа заключаются в определении анализа входного импеданса без компонентов смещения затвора; включить последовательный резистор смещения на затворе с идеальным байпасом RF; и замените идеальные шунтирующие конденсаторы RF реалистичными моделями конденсаторов. Этот анализ будет выполнен для узкополосного высокочастотного PA, при этом термин «низкая частота» будет применяться к частотам до нескольких сотен мегагерц.

Обычная структура смещения УМ включает в себя резистор на затворе и катушку индуктивности на стоке (снова фиг. 1) . Эти компоненты закорочены по ВЧ-сигналу в точке питания постоянного тока с помощью пары шунтирующих ВЧ-конденсаторов. Значения разделительных конденсаторов постоянного тока часто выбираются на уровне пикофарад из-за их низкого эффективного последовательного сопротивления (ESR) на основной частоте и высокой частоты собственного резонанса (SRF). Таким образом, влиянием согласующих цепей можно пренебречь из-за высокого импеданса блокирующих конденсаторов постоянного тока в области низких частот.

Если предполагается идеальный обход РЧ на стоке, то индуктор смещения L _bias имеет идеальное РЧ заземление. Значения собственных конденсаторов затвор-исток и сток-исток, C _gs и C _ds , соответственно, находятся в диапазоне пикофарад, так что ими также можно пренебречь на низких частотах. Емкость C _gd — это собственная емкость затвор-сток транзистора. Хотя C _gd даже меньше, чем C _gs и C _ds , он является компонентом обратной связи схемы, поэтому он играет важную роль в стабильности.

2. Показана низкочастотная эквивалентная схема ВЧ / СВЧ УМ без схемы смещения или компонентов смещения.

С этими предположениями, низкочастотный эквивалент PA без схемы смещения затвора может быть изображен (рис. 2) . Импеданс Z _{затвора} — это импеданс, наблюдаемый на затворе транзистора:

Z _{вентиль} = (Z _Cgd + Z _Lbias ) / (1 + g _m Z _Lbias ) (1)

Z _ворота (с)

= 1 / sC _gd + sL _{смещение} ) / (1 + g _m sL _{смещение} )

= (1 + s ² L _{смещение} C _gd ) / (sC _dg + s ² g _m L _{смещение} C _gd ) (2)

Z _{вентиль} (jω)

= (1 — ω ² L _{смещение} C _gd ) / (jωC _gd — ω ² g _m L _{смещение} C _gd ) где s = jω (3)

Поскольку ω находится в мегагерцовом диапазоне частот, а емкость затвор-сток C _gd меньше нескольких пикофарад, ω ² L _{смещение} C _gd

Z _{вентиль} (jω) = 1 / (jωC _gd — ω ² g _м L _{смещение} C _gd ) (4)

и

Re {Z _затвор } ≈ 1 / (ω ² g _м L _{смещение} C _gd ) (5)

Условия запуска колебаний на определенной частоте можно описать как ¹ :

Re {Z, ω}

(∂Im {Z, ω}) / ∂ωǀ _{ω = ω0} ˃ 0 (7)

Ур.5 показывает, что действительная часть импеданса отрицательна на низких частотах. Хотя отрицательное сопротивление — не единственное условие, необходимое для того, чтобы вызвать колебания (уравнения 6 и 7), его устранение является важным шагом в переводе УМ в безопасную зону против низкочастотных колебаний. Очевидно, что сделать положительную действительную часть импеданса конфигурацией, показанной на рис. 2, невозможно.

Поскольку емкость затвор-сток C _gd и крутизна g _m являются внутренними параметрами устройства, которые зависят от рабочих точек транзистора по постоянному току, их изменение влияет на характеристики схемы, использующей этот транзистор.Следовательно, разработчик может изменить значение индуктивности смещения стока только для уменьшения отрицательного сопротивления.

Тем не менее, индуктивность смещения стока не может быть просто изменена без учета других параметров схемы. Например, если линия передачи со смещением стока является линией четверти длины волны (λ / 4), низкочастотная индуктивность линии определяется выражением ² :

L = Z ₀ (л / с) (8)

где c — скорость света; l — длина микрополосковой линии; и Z ₀ — характеристический импеданс микрополосковой линии.Ширину микрополосковой линии следует уменьшить, чтобы увеличить Z ₀ и индуктивность микрополосковой линии. Но микрополосковая линия передачи с уменьшенной шириной не подходит для приложений с большой мощностью, поскольку она имеет пониженную пропускную способность по току и повышенное сопротивление.

Помимо анализа импеданса, передаточная функция цепи также может дать ценную информацию о стабильности. Положения полюса и нуля передаточной функции могут быть проанализированы, чтобы понять поведение устойчивости схемы.Передаточная функция напряжения схемы, изображенной на рис. 2, показана в уравнениях. 9 и 10:

υ _d (с) / υ _г (с)

= (1 — g _м Z C _dg ) / (1 + ZC / ZL _{смещение} ) (9)

υ _d (с) / υ _г (с)

= (s ² L _{смещение} C _dg –sg _m L _{смещение} ) / (s ² L _{смещение} C _dg + 1)

= s (s — g _m / C _dg ) / (s ² + 1 / L _{смещение} C _dg )) (10)

Из уравнения.10 видно, что передаточная функция схемы имеет нули при s = 0 и s = g _m / C _gd и полюсы при s = ± j / (смещение L C _gd ). Схема незначительно устойчива, потому что полюса находятся на мнимой оси Y. Стабильность минимально стабильной системы зависит от типа входного сигнала, так что конкретный сигнал может вызывать колебания. С другой стороны, поскольку полюса на оси Y наклонены к смещению из-за изменений температуры, нелинейного поведения компонентов и т. Д., минимально устойчивая система практически не реализуема.

3. Вот низкочастотная эквивалентная схема ВЧ / СВЧ УМ с резистором смещения.

Вставка последовательного резистора в схему смещения затвора — часто используемый метод повышения стабильности. В этом разделе анализируется вклад резистора смещения затвора в стабильность низких частот. На рисунке 3 показана низкочастотная эквивалентная схема усилителя мощности с резистором смещения затвора.

Если уравнение. 4 используется для получения полного импеданса, включая резистор затвора, тогда Z _всего составляет:

Z _всего = R // Z _{вентиль} = RZ _{вентиль} / (R + Z _{вентиль} ) (11)

Z _всего = [R (1 — ω ² L _{смещение} C _gd )] / (1 — ω ² L _{смещение} C _gd + jωRC _gd — jω ² г _м RL _{смещение} C _gd ) (12)

Поскольку рассматриваемая частота находится в диапазоне мегагерц, емкость затвор-сток C _gd очень мала, а индуктор смещения L _{смещение} имеет значение нанофарад, ω ² L _{смещение} C _gd член в числителе меньше единицы.Следовательно, Z _всего почти равно R для малых значений R. Например, если предположить, что R = 10 Ом, частота 200 МГц, L _{смещение} 10 нГн, C _gd 0,3 пФ и g _м из 1000 мСм, Z _всего = 9,9 + j0,44 Ом. Однако это предположение неверно для больших значений R. Например, если R = 1 кОм, то Z _всего = 49,5 + j217 Ом.

Ур. 12 показывает, что подходящий резистор смещения на затворе обеспечивает положительное входное сопротивление в низкочастотной области.Хотя затворный резистор R может показаться разновидностью «волшебного» компонента для достижения стабильности на низких частотах, предположение справедливо для идеальной схемы обхода радиочастот. Конденсаторы емкостью в микрофарад и нанофарад, как правило, имеют высокие значения паразитной последовательной индуктивности и сопротивления, вызывая сильные резонансы в низкочастотной области. Любая значительная индуктивность из-за ВЧ-дросселя или микрополосковой линии передачи может повлиять на низкочастотные резонансы.

4. Изменение входного импеданса SSD в низкочастотной области; без резистора, с резистором и идеальным байпасом ВЧ, с резистором и реалистичной моделью компонентов (C _dg = 23 фФ / Вт, g _м = 30 мСм / Вт [исх.3], L = 10 нГн, R = 10 Ом, P = 30 Вт).

Рисунок 4 показывает Z _затвор и Z _{общее входное сопротивление} , с резистором смещения затвора и без него, а также при рассмотрении реальных моделей конденсаторов (100 пФ и 33 мкФ с последовательной индуктивностью 10 нГн) вместо идеального Шунтирующий конденсатор RF. Сильные резонансы в цепи смещения могут вызвать низкочастотные колебания в дополнение к уменьшению полосы пропускания видеосигнала и ухудшению характеристик интермодуляционных искажений (IMD) усилителя.

Структура сети смещения PA будет включать компромисс между стабильностью, линейностью и сложностью. Сети со смещением затвора и стока должны способствовать повышению общей производительности и надежности. Понимая некоторые основные правила смещения сетей, можно достичь желаемого компромисса между ключевыми целями проектирования, включая стабильность низких частот, для РЧ / СВЧ PA.

В поисках стабильных сетей смещения

Как было показано, последовательный резистор в схеме смещения затвора является жизненно важным компонентом для достижения стабильности на низких частотах.Номинал резистора зависит от ряда факторов, включая класс работы, уровень насыщения, технологию транзистора и размер устройства. У резистора меньшего размера может не хватить сопротивления, чтобы обеспечить положительный входной импеданс в широком диапазоне. И наоборот, резистор большего номинала может вызвать нежелательные резонансы и колебания напряжения при смещении затвора из-за тока затвора в различных устройствах, например, в HEMT.

Небольшой ток, например 1-2 мА, может протекать по затвору транзистора в режиме сжатия мощного HEMT.Пиковое значение тока затвора будет зависеть от технологии SSD и будет пропорционально физическому размеру SSD. Например, ток затвора GaN HEMT-устройства мощностью 100 Вт и 50 В составляет несколько миллиампер. ⁴ Размах напряжения на смещении затвора, вызванный резистором смещения, изменяет рабочую точку постоянного тока PA, что приводит к колебаниям тока стока и амплитудной модуляции сигнала.

5. Часто используемые схемы смещения затвора для демонстрационных печатных плат Ampleon PA.

Рисунок 5 и Таблица 1 показывает некоторые структуры смещения затвора и значения компонентов для нескольких уровней мощности и частот, обычно используемых для демонстрационных плат Ampleon PA. Схема смещения «A» на основе резисторов на рис. 5 подходит для приложений с частотой ниже 1 ГГц. Сеть смещения «C» хорошо подходит для высокочастотных приложений. В некоторых случаях схема смещения затвора также является частью сети согласования импеданса, а схема смещения «D» является примером конфигурации такого типа.Шунтирующий резистор, такой как R2 в цепях смещения «A» и «C» на рис. 5, снимает проблемы со стабильностью, но не подходит для HEMT в режиме обеднения из-за их требования к отрицательному смещению. В некоторых случаях может потребоваться блокирующий конденсатор постоянного тока, такой как C2 в цепи смещения «B» на фиг. 5.

Как показано на рис. 4, широкополосный отклик всех компонентов в цепи смещения затвора следует проверять на наличие резонансов. Однако такое исследование может быть громоздким, а иногда и невозможным из-за недостаточного количества моделей смещающих компонентов.Анализ на основе измерений может быть полезным и сэкономить время, как будет показано в примере, в котором резонансы удаляются с помощью измерений и моделирования S-параметров.

Схема смещения стока напрямую влияет на общую эффективность и ВЧ характеристики усилителя мощности. Более того, при его разработке требуется дополнительное внимание, чтобы повысить надежность УМ из-за наличия высокого напряжения и тока на линии смещения сток. Для достижения желаемых характеристик PA, а также стабильной и надежной работы необходимо одновременно учитывать условия постоянного тока, низких и высоких частот.

Компромиссы между этими условиями формируют структуру сети смещения:

• Токовая нагрузка и сопротивление постоянному току в характеристиках постоянного тока.
• Низкочастотная стабильность и смещение вызывают эффекты памяти его низкочастотных характеристик.
• Изоляция и ВЧ-утечка его высокочастотных характеристик.

Ур. 5 показывает, что большее значение индуктивности смещения стока способствует стабильности низкой частоты.Но более узкая микрополосковая линия необходима для увеличения характеристического импеданса линии смещения для большей индуктивности (уравнение 8). Уменьшение ширины микрополосковой линии увеличивает ее сопротивление и снижает ее способность выдерживать ток. Микрополосковая линия с высоким сопротивлением постоянному току приводит не только к потерям мощности и эффектам нагрева, но и к колебаниям напряжения на стоке, вызывая искажение огибающей сигнала, ухудшение линейности PA и асимметрию в соседних каналах. Это усложняет попытки цифрового предыскажения (DPD) и может вызвать сбой при попытке DPD.

Расчет надлежащей ширины и толщины микрополоски, используемой для линии смещения стока, с учетом требований к максимальному току, имеет решающее значение для достижения низкой индуктивности на низких частотах для повышения стабильности, а также для минимизации вызванных смещением эффектов памяти. полное сопротивление в основном рабочем диапазоне частот для минимальных потерь радиочастотного / микроволнового сигнала. Таблица 2 предлагает сравнение полосы пропускания, изоляции и тепловыделения в связи с шириной микрополосковых линий смещения.

Широкополосный обход RF в схеме смещения стока также необходим для улучшения характеристик сети смещения. Для широкополосного обхода РЧ сеть смещения стока обычно включает комбинацию конденсаторов со значениями пикофарад, нанофарад и микрофарад. Конденсаторы пикофарад обеспечивают низкий импеданс на более высоких частотах, в то время как конденсаторы двух других номиналов включены для обхода и развязки более низких частот. Выбор подходящих типов и номиналов конденсаторов также важен, чтобы избежать нежелательных потерь и резонансов. ⁶

6. Когда на печатной плате усилителя имеется достаточно места, можно использовать сеть с двойным смещением, как показано здесь с выходным каскадом усилителя.

Существует несколько методов увеличения пропускной способности линии смещения. При наличии достаточного места на печатной плате (PCB) сеть с двойным смещением может использоваться для уменьшения общей индуктивности на низкой частоте и увеличения пропускной способности (рис. 6) . Уменьшение сопротивления постоянному току с незначительным изменением характеристического импеданса микрополосковой линии также может быть достигнуто путем пайки тонкой металлической пластины на микрополосковой линии. ⁷

Использование пары шунтирующий резистор-конденсатор от точки питания стока до земли параллельно с шунтирующими ВЧ конденсаторами является еще одним способом повышения стабильности. ⁸ Рекомендуемые номиналы резистора и конденсатора составляют около 50 Ом и 1 нФ соответственно.

Конденсаторы ВЧ обхода и развязки в цепях смещения, особенно конденсаторы нанофарад и микрофарад, могут вызывать нежелательные резонансы из-за их низких значений SRF. Следовательно, для обнаружения любых возможных проблем требуется моделирование импедансов и вносимых потерь входного и выходного каскадов, включая цепи смещения от постоянного тока до, по крайней мере, рабочего диапазона частот (f ₀ ).

К сожалению, такой анализ низкочастотных резонансов с помощью компьютерного моделирования часто оказывается невозможным или точным из-за отсутствия широкополосных моделей для конденсаторов нанофарад и микрофарад. Следовательно, измерения на основе S-параметров без SSD полезны и легко определяют резонансы.

7. Измерено | S ₂₁ | значения выходного каскада до и после настройки цепи смещения, широкополосного пробника S-параметров и выходного каскада (фотография).

На рисунке 7 показан | S ₂₁ | измерения выходного каскада PA от контактной площадки до выхода.УМ разработан для корпусного двухкаскадного устройства GaN MMIC на частоте 2,14 ГГц. ⁹ Для измерений использовался широкополосный микрополосковый зонд. Выходной каскад был смещен микрополосковой линией четверти длины волны (λ / 4), включая конденсаторы обхода ВЧ-сигнала. Сначала наблюдался сильный резонанс около 340 МГц. После замены конденсатора типа X5R 10 нФ конденсатором типа X7R и замены конденсатора 180 нФ компонентом 220 нФ резонанс был устранен.

8. Компоновка и компоненты реализованного PA.

На рисунке 8 показана окончательная схема и значения ее компонентов. Устранение начального резонанса для этого усилителя также расширило его полосу пропускания видеосигнала.

Список литературы

1. K.-W. Yeom, Microwave Circuit Design , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 2015.

.

2. С. К. Криппс, ВЧ-усилители мощности для беспроводной связи , 2-е изд., Artech House, Норвуд, Массачусетс, 2006.

3. Л. К. Нунес, П.М. Кабрал и Дж. К. Педро, «Механизмы генерации искажений AM / AM и AM / PM в усилителях мощности RF на основе Si LDMOS и GaN HEMT», IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques , Vol. 62, No. 4, 2014, pp. 799-809.

4. Р. Бейкер, «Методы смещения и развязки усилителя мощности GaN», IMS 2016 Microwave Applications , 2016.

5. М. Дж. Франко, «Эффекты памяти, вызванные смещением в усилителях мощности ВЧ». по адресу: https://lintech.com.

6. Р. Фиоре, «Конденсаторы в широкополосных приложениях», Applied Microwaves & Wireless , май 2001 г.

7. L. B. Walker, Ed., Справочник по усилителям мощности ВЧ и СВЧ , Cambridge University Press, Кембридж, 2012.

8. Р. Бассет, «Рекомендации по смещению мощных GaAs полевых транзисторов», Fujitsu Compound Semiconductor Inc., Application Note, No. 10, 2008, pp. 1–7.

9. М. Акар, О. Джейлан, Ф. Киблер, С. Пирес и С. Марольдт, «Высокоэффективный GaN RF-усилитель мощности MMIC с использованием низковольтного драйвера», 47-я Европейская микроволновая конференция, 2017.

.