Amplificador de baixa frequência (doravante denominado ULF) é um dispositivo eletrônico projetado para amplificar as oscilações de baixa frequência para aquela que o consumidor necessita. Eles podem ser executados em vários elementos eletrônicos, como diferentes tipos de transistores, válvulas ou amplificadores operacionais. Todos os ULFs possuem uma série de parâmetros que caracterizam a eficácia de seu trabalho.
Este artigo falará sobre o uso de tal dispositivo, seus parâmetros, métodos de construção usando vários componentes eletrônicos. Os circuitos de amplificadores de baixa frequência também serão considerados.
Aplicativo ULF
ULF é mais usado em equipamentos de reprodução de som, pois neste campo da tecnologia muitas vezes é necessário amplificar a frequência do sinal para aquela que o corpo humano pode perceber (de 20 Hz a 20 kHz).
Outras aplicações ULF:
- tecnologia de medição;
- defectoscopia;
- computação analógica.
Em geral, amplificadores de baixo são encontrados como componentes de vários circuitos eletrônicos, como rádios, dispositivos acústicos, televisores ou transmissores de rádio.
Parâmetros
O parâmetro mais importante para um amplificador é o ganho. É calculado como a razão entre a saída e a entrada. Dependendo do valor considerado, eles distinguem:
- ganho de corrente=corrente de saída / corrente de entrada;
- ganho de tensão=tensão de saída / tensão de entrada;
- ganho de potência=potência de saída / potência de entrada.
Para alguns dispositivos, como amplificadores operacionais, o valor desse coeficiente é muito grande, mas é inconveniente trabalhar com números muito grandes (assim como muito pequenos) nos cálculos, então os ganhos são frequentemente expressos em logarítmicos unidades. As seguintes fórmulas se aplicam para isso:
- ganho de potência em unidades logarítmicas=10logaritmo do ganho de potência desejado;
- ganho de corrente em unidades logarítmicas=20logaritmo decimal do ganho de corrente desejado;
- ganho de tensão em unidades logarítmicas=20logaritmo do ganho de tensão desejado.
Coeficientes calculados desta forma são medidos em decibéis. Nome abreviado - dB.
O próximo parâmetro importanteamplificador - coeficiente de distorção do sinal. É importante entender que a amplificação do sinal ocorre como resultado de suas transformações e mudanças. Não o fato de que sempre essas transformações ocorrerão corretamente. Por esta razão, o sinal de saída pode diferir do sinal de entrada, por exemplo, na forma.
Amplificadores ideais não existem, então a distorção está sempre presente. É verdade que em alguns casos eles não ultrapassam os limites permitidos, enquanto em outros o fazem. Se os harmônicos dos sinais na saída do amplificador coincidem com os harmônicos dos sinais de entrada, então a distorção é linear e é reduzida apenas a uma mudança na amplitude e na fase. Se novos harmônicos aparecerem na saída, então a distorção não é linear, porque leva a uma mudança na forma do sinal.
Em outras palavras, se a distorção for linear e houver um sinal “a” na entrada do amplificador, então a saída será um sinal “A”, e se não for linear, então o sinal saída será um sinal “B”.
O último parâmetro importante que caracteriza o funcionamento do amplificador é a potência de saída. Variedades de poder:
- Avaliado.
- Ruído do passaporte.
- Máximo de curto prazo.
- Máximo a longo prazo.
Todos os quatro tipos são padronizados por vários GOSTs e padrões.
Vamplificadores
Historicamente, os primeiros amplificadores foram criados em válvulas a vácuo, que pertencem à classe de dispositivos de vácuo.
Dependendo dos eletrodos localizados dentro do frasco hermético, as lâmpadas são diferenciadas:
- diodos;
- triodo;
- tetrodes;
- pentodos.
Máximoo número de eletrodos é oito. Existem também dispositivos de eletrovácuo como klystrons.
Amplificador Triodo
Primeiro de tudo, vale a pena entender o esquema de comutação. Uma descrição do circuito amplificador triodo de baixa frequência é fornecida abaixo.
O filamento que aquece o cátodo é energizado. A tensão também é aplicada ao ânodo. Sob a ação da temperatura, os elétrons são expulsos do cátodo, que correm para o ânodo, ao qual é aplicado um potencial positivo (os elétrons têm um potencial negativo).
Parte dos elétrons é interceptada pelo terceiro eletrodo - a grade, na qual também é aplicada tensão, apenas alternada. Com a ajuda da rede, a corrente do ânodo (a corrente no circuito como um todo) é regulada. Se um grande potencial negativo for aplicado à grade, todos os elétrons do cátodo se estabelecerão nela e nenhuma corrente fluirá através da lâmpada, porque a corrente é um movimento direcionado de elétrons, e a grade bloqueia esse movimento.
O ganho da lâmpada ajusta o resistor que está conectado entre a fonte de alimentação e o ânodo. Define a posição desejada do ponto de operação na característica corrente-tensão, da qual dependem os parâmetros de ganho.
Por que a posição do ponto de operação é tão importante? Porque depende de quanta corrente e tensão (e, portanto, potência) serão amplificadas no circuito amplificador de baixa frequência.
O sinal de saída no amplificador triodo é obtido da área entre o ânodo e o resistor conectado na frente dele.
Amplificador ligadoklystron
O princípio de funcionamento de um amplificador klystron de baixa frequência é baseado na modulação do sinal primeiro em velocidade e depois em densidade.
O klystron está disposto da seguinte forma: o frasco possui um cátodo aquecido por um filamento e um coletor (análogo ao ânodo). Entre eles estão os ressonadores de entrada e saída. Os elétrons emitidos do cátodo são acelerados por uma voltagem aplicada ao cátodo e correm para o coletor.
Alguns elétrons se movem mais rápido, outros mais devagar - é assim que a modulação de velocidade se parece. Devido à diferença na velocidade do movimento, os elétrons são agrupados em feixes - é assim que a modulação de densidade se manifesta. O sinal modulado em densidade entra no ressonador de saída, onde cria um sinal de mesma frequência, mas com maior potência que o ressonador de entrada.
Acontece que a energia cinética dos elétrons é convertida na energia das oscilações de microondas do campo eletromagnético do ressonador de saída. É assim que o sinal é amplificado no klystron.
Recursos de amplificadores eletrovácuos
Se compararmos a qualidade do mesmo sinal amplificado por um dispositivo de tubo e ULF em transistores, a diferença será visível a olho nu e não a favor deste último.
Qualquer músico profissional lhe dirá que os amplificadores valvulados são muito melhores do que seus equivalentes avançados.
Os aparelhos de eletrovácuo há muito deixaram de ser consumo de massa, foram substituídos por transistores e microcircuitos, mas isso é irrelevante para o campo da reprodução sonora. Devido à estabilidade da temperatura e vácuo interno, os dispositivos da lâmpada amplificam melhor o sinal.
A única desvantagem do tubo ULF é o alto preço, o que é lógico: é caro produzir elementos que não estão em demanda em massa.
Amplificador de transistor bipolar
Muitas vezes os estágios de amplificação são montados usando transistores. Um amplificador simples de baixa frequência pode ser montado a partir de apenas três elementos básicos: um capacitor, um resistor e um transistor n-p-n.
Para montar um amplificador desse tipo, você precisará aterrar o emissor do transistor, conectar um capacitor em série à sua base e um resistor em paralelo. A carga deve ser colocada na frente do coletor. É aconselhável conectar um resistor limitador ao coletor neste circuito.
A tensão de alimentação permitida de tal circuito amplificador de baixa frequência varia de 3 a 12 volts. O valor do resistor deve ser escolhido experimentalmente, levando em consideração que seu valor deve ser pelo menos 100 vezes a resistência da carga. O valor do capacitor pode variar de 1 a 100 microfarads. Sua capacitância afeta a quantidade de frequência na qual o amplificador pode operar. Quanto maior a capacitância, menor a taxa de frequência que o transistor pode amplificar.
O sinal de entrada do amplificador de transistor bipolar de baixa frequência é aplicado ao capacitor. O pólo positivo de energia deve ser conectado ao ponto de conexão da carga e o resistor conectado em paralelo com a base e o capacitor.
Para melhorar a qualidade de tal sinal, você pode conectar um capacitor e um resistor conectados em paralelo ao emissor, que desempenham o papel de feedback negativo.
Amplificador com dois transistores bipolares
Para aumentar o ganho, você pode conectar dois transistores ULF em um. Em seguida, os ganhos desses dispositivos podem ser multiplicados.
Embora se você continuar a aumentar o número de estágios de amplificação, a chance de auto-excitação dos amplificadores aumentará.
Amplificador transistorizado de efeito de campo
Amplificadores de baixa frequência também são montados em transistores de efeito de campo (doravante denominados PT). Os circuitos de tais dispositivos não são muito diferentes daqueles que são montados em transistores bipolares.
Um amplificador FET de porta isolada de canal n (tipo ITF) será considerado como um exemplo.
Um capacitor é conectado em série ao substrato deste transistor, e um divisor de tensão é conectado em paralelo. Um resistor é conectado à fonte do FET (você também pode usar uma conexão paralela de um capacitor e um resistor, conforme descrito acima). Um resistor limitador e energia são conectados ao dreno e um terminal de carga é criado entre o resistor e o dreno.
O sinal de entrada para amplificadores de transistor de efeito de campo de baixa frequência é aplicado à porta. Isso também é feito através de um capacitor.
Como você pode ver na explicação, o circuito amplificador de transistor de efeito de campo mais simples não é diferente do circuito amplificador de transistor bipolar de baixa frequência.
No entanto, ao trabalhar com PT, as seguintes características desses elementos devem ser levadas em consideração:
- FET high Rinput=I / Ugate-source. Os transistores de efeito de campo são controlados por um campo elétrico,que é gerado pelo estresse. Portanto, os FETs são controlados pela tensão, não pela corrente.
- FETs quase não consomem corrente, o que acarreta uma ligeira distorção do sinal original.
- Não há injeção de carga nos transistores de efeito de campo, então o nível de ruído desses elementos é muito baixo.
- Eles são resistentes à temperatura.
A principal desvantagem dos FETs é sua alta sensibilidade à eletricidade estática.
Muitos estão familiarizados com a situação quando coisas aparentemente não condutoras chocam uma pessoa. Esta é a manifestação da eletricidade estática. Se tal impulso for aplicado a um dos contatos do transistor de efeito de campo, o elemento pode ser desabilitado.
Assim, ao trabalhar com o PT, é melhor não pegar os contatos com as mãos para não danificar acidentalmente o elemento.
OpAmp device
Amplificador operacional (doravante denominado op-amp) é um dispositivo com entradas diferenciadas, que possui um ganho muito alto.
A amplificação do sinal não é a única função deste elemento. Ele também pode funcionar como um gerador de sinal. No entanto, são suas propriedades amplificadoras que são de interesse para trabalhar com baixas frequências.
Para fazer um amplificador de sinal de um amplificador operacional, você precisa conectar corretamente um circuito de feedback a ele, que é um resistor regular. Como entender onde conectar este circuito? Para fazer isso, você precisa consultar a característica de transferência do op-amp. Possui duas seções horizontais e uma linear. Se o ponto de operaçãodispositivo está localizado em uma das seções horizontais, então o op-amp opera no modo gerador (modo de pulso), se estiver localizado em uma seção linear, então o op-amp amplifica o sinal.
Para transferir o amplificador operacional para o modo linear, você precisa conectar o resistor de feedback com um contato à saída do dispositivo e o outro - à entrada inversora. Essa inclusão é chamada de feedback negativo (NFB).
Se for necessário que o sinal de baixa frequência seja amplificado e não mude de fase, então a entrada inversora com OOS deve ser aterrada e o sinal amplificado deve ser aplicado à entrada não inversora. Se for necessário amplificar o sinal e alterar sua fase em 180 graus, a entrada não inversora deve ser aterrada e o sinal de entrada deve ser conectado à inversora.
Neste caso, não devemos esquecer que o amplificador operacional deve ser alimentado com potência de polaridades opostas. Para isso, ele conta com contatos especiais.
É importante notar que trabalhar com tais dispositivos às vezes é difícil selecionar elementos para o circuito amplificador de baixa frequência. A sua coordenação cuidadosa é necessária não apenas em termos de valores nominais, mas também em termos dos materiais de que são feitos, para atingir os parâmetros de ganho desejados.
Amplificador em um chip
ULF pode ser montado em elementos de eletrovácuo, transistores e amplificadores operacionais, apenas válvulas de vácuo são do século passado, e o restante dos circuitos não está isento de falhas, cuja correção inevitavelmente implica complicar o design do amplificador. Isso é inconveniente.
Os engenheiros há muito encontraram uma opção mais conveniente para criar ULF: a indústria produz microcircuitos prontos que atuam como amplificadores.
Cada um desses circuitos é um conjunto de amplificadores operacionais, transistores e outros elementos conectados de uma determinada maneira.
Exemplos de algumas séries ULF na forma de circuitos integrados:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Todas as séries acima são usadas em equipamentos de áudio. Cada modelo tem características diferentes: tensão de alimentação, potência de saída, ganho.
Eles são feitos na forma de pequenos elementos com muitos pinos, que são convenientes para colocar na placa e montar.
Para trabalhar com um amplificador de baixa frequência em um microcircuito, é útil conhecer os fundamentos da álgebra lógica, bem como os princípios de operação dos elementos lógicos AND-NOT, OR-NOT.
Quase qualquer dispositivo eletrônico pode ser montado em elementos lógicos, mas neste caso, muitos circuitos se tornarão volumosos e inconvenientes para instalação.
Portanto, o uso de circuitos integrados prontos que executam a função ULF parece ser a opção prática mais conveniente.
Melhoria do esquema
O exemplo acima foi um exemplo de como você pode melhorar o sinal amplificado ao trabalhar com transistores bipolares e de efeito de campo (conectando um capacitor e um resistor em paralelo).
Tais atualizações estruturais podem ser feitas com quase qualquer esquema. Claro, a introdução de novos elementos aumentaqueda de tensão (perdas), mas graças a isso, as propriedades de vários circuitos podem ser melhoradas. Por exemplo, os capacitores são excelentes filtros de frequência.
Em elementos resistivos, capacitivos ou indutivos, recomenda-se coletar os filtros mais simples que filtram as frequências que não devem cair no circuito. Combinando elementos resistivos e capacitivos com amplificadores operacionais, podem ser montados filtros mais eficientes (integradores, diferenciais Sallen-Key, filtros notch e bandpass).
Em conclusão
Os parâmetros mais importantes dos amplificadores de frequência são:
- ganho;
- fator de distorção do sinal;
- saída de potência.
Os amplificadores de baixa frequência são mais usados em equipamentos de áudio. Você pode coletar dados do dispositivo praticamente nos seguintes elementos:
- em tubos de vácuo;
- nos transistores;
- em amplificadores operacionais;
- em fichas acabadas.
As características dos amplificadores de baixa frequência podem ser melhoradas pela introdução de elementos resistivos, capacitivos ou indutivos.
Cada um dos esquemas acima tem suas próprias vantagens e desvantagens: alguns amplificadores são caros para montar, alguns podem entrar em saturação, para alguns é difícil coordenar os elementos usados. Sempre há recursos com os quais o designer de amplificadores precisa lidar.
Usando todas as recomendações fornecidas neste artigo, você pode construir seu próprio amplificador para uso domésticoem vez de comprar este dispositivo, que pode custar muito dinheiro quando se trata de dispositivos de alta qualidade.
