El amplificador de baja frecuencia (en adelante, ULF) es un dispositivo electrónico diseñado para amplificar las oscilaciones de baja frecuencia a la que el consumidor necesita. Se pueden realizar sobre diversos elementos electrónicos como distintos tipos de transistores, válvulas o amplificadores operacionales. Todos los ULF tienen una serie de parámetros que caracterizan la eficacia de su trabajo.
Este artículo hablará sobre el uso de dicho dispositivo, sus parámetros, métodos de construcción utilizando varios componentes electrónicos. También se considerarán los circuitos de los amplificadores de baja frecuencia.
Aplicación ULF
ULF se usa con mayor frecuencia en equipos de reproducción de sonido, porque en este campo de la tecnología a menudo es necesario amplificar la frecuencia de la señal a la que el cuerpo humano puede percibir (de 20 Hz a 20 kHz).
Otras aplicaciones ULF:
- tecnología de medición;
- defectoscopia;
- computación analógica.
En general, los amplificadores de bajo se encuentran como componentes de varios circuitos electrónicos, como radios, dispositivos acústicos, televisores o transmisores de radio.
Parámetros
El parámetro más importante de un amplificador es la ganancia. Se calcula como la relación entre la salida y la entrada. Según el valor considerado, distinguen:
- ganancia de corriente=corriente de salida / corriente de entrada;
- ganancia de voltaje=voltaje de salida / voltaje de entrada;
- ganancia de potencia=potencia de salida / potencia de entrada.
Para algunos dispositivos, como los amplificadores operacionales, el valor de este coeficiente es muy grande, pero es un inconveniente trabajar con números demasiado grandes (así como demasiado pequeños) en los cálculos, por lo que las ganancias a menudo se expresan en forma logarítmica unidades. Las siguientes fórmulas se aplican para esto:
- ganancia de potencia en unidades logarítmicas=10logaritmo de la ganancia de potencia deseada;
- ganancia de corriente en unidades logarítmicas=20logaritmo decimal de la ganancia de corriente deseada;
- ganancia de voltaje en unidades logarítmicas=20logaritmo de la ganancia de voltaje deseada.
Los coeficientes calculados de esta manera se miden en decibelios. Nombre abreviado - dB.
El siguiente parámetro importanteamplificador - coeficiente de distorsión de la señal. Es importante entender que la amplificación de la señal ocurre como resultado de sus transformaciones y cambios. No el hecho de que siempre estas transformaciones ocurrirán correctamente. Por este motivo, la señal de salida puede diferir de la señal de entrada, por ejemplo, en forma.
Los amplificadores ideales no existen, por lo que la distorsión siempre está presente. Es cierto que en algunos casos no van más allá de los límites permisibles, mientras que en otros sí. Si los armónicos de las señales a la salida del amplificador coinciden con los armónicos de las señales de entrada, entonces la distorsión es lineal y se reduce solo a un cambio de amplitud y fase. Si aparecen nuevos armónicos en la salida, la distorsión no es lineal, ya que provoca un cambio en la forma de la señal.
En otras palabras, si la distorsión es lineal y había una señal "a" en la entrada del amplificador, entonces la salida será una señal "A", y si no es lineal, entonces la la salida será una señal "B".
El último parámetro importante que caracteriza el funcionamiento del amplificador es la potencia de salida. Variedades de potencia:
- Calificado.
- Ruido de pasaporte.
- Máximo a corto plazo.
- Máximo a largo plazo.
Los cuatro tipos están estandarizados por varios GOST y estándares.
Vamplificadores
Históricamente, los primeros amplificadores se crearon en tubos de vacío, que pertenecen a la clase de dispositivos de vacío.
Dependiendo de los electrodos ubicados dentro del matraz hermético, las lámparas se distinguen:
- diodos;
- triodos;
- tetrodos;
- pentodos.
Máximoel número de electrodos es ocho. También existen dispositivos de electrovacío como los klistrones.
Amplificador triodo
En primer lugar, vale la pena comprender el esquema de conmutación. A continuación se proporciona una descripción del circuito amplificador de triodo de baja frecuencia.
El filamento que calienta el cátodo está energizado. También se aplica voltaje al ánodo. Bajo la acción de la temperatura, los electrones son eliminados del cátodo, que corren hacia el ánodo, al que se aplica un potencial positivo (los electrones tienen un potencial negativo).
Parte de los electrones son interceptados por el tercer electrodo: la rejilla, a la que también se aplica voltaje, solo que alterna. Con la ayuda de la red, se regula la corriente del ánodo (la corriente en el circuito como un todo). Si se aplica un gran potencial negativo a la rejilla, todos los electrones del cátodo se depositarán en ella y no fluirá corriente a través de la lámpara, porque la corriente es un movimiento dirigido de electrones y la rejilla bloquea este movimiento.
La ganancia de la lámpara ajusta la resistencia que está conectada entre la fuente de alimentación y el ánodo. Establece la posición deseada del punto de funcionamiento sobre la característica corriente-tensión, de la que dependen los parámetros de ganancia.
¿Por qué es tan importante la posición del punto de operación? Porque depende de la cantidad de corriente y voltaje (y, por lo tanto, de potencia) que se amplifique en el circuito amplificador de baja frecuencia.
La señal de salida del amplificador triodo se toma del área entre el ánodo y la resistencia conectada frente a él.
Amplificador activadoklystron
El principio de funcionamiento de un amplificador klystron de baja frecuencia se basa en la modulación de la señal primero en velocidad y luego en densidad.
El klystron está dispuesto de la siguiente manera: el matraz tiene un cátodo calentado por un filamento y un colector (análogo al ánodo). Entre ellos están los resonadores de entrada y salida. Los electrones emitidos por el cátodo son acelerados por un voltaje aplicado al cátodo y corren hacia el colector.
Algunos electrones se moverán más rápido, otros más lento: así es como se ve la modulación de velocidad. Debido a la diferencia en la velocidad de movimiento, los electrones se agrupan en haces; así es como se manifiesta la modulación de densidad. La señal modulada por densidad ingresa al resonador de salida, donde crea una señal de la misma frecuencia, pero con mayor potencia que el resonador de entrada.
Resulta que la energía cinética de los electrones se convierte en la energía de las oscilaciones de microondas del campo electromagnético del resonador de salida. Así se amplifica la señal en el klystron.
Características de los amplificadores de electrovacío
Si comparamos la calidad de la misma señal amplificada por un dispositivo de tubo y ULF en transistores, la diferencia será visible a simple vista, no a favor de este último.
Cualquier músico profesional te dirá que los amplificadores de válvulas son mucho mejores que sus equivalentes avanzados.
Los dispositivos de electrovacío hace tiempo que dejaron de ser de consumo masivo, fueron reemplazados por transistores y microcircuitos, pero esto es irrelevante para el campo de la reproducción de sonido. Debido a la estabilidad de la temperatura y al vacío en el interior, los dispositivos de lámpara amplifican mejor la señal.
El único inconveniente del tubo ULF es el alto precio, lo cual es lógico: es caro producir elementos que no están en demanda masiva.
Amplificador de transistor bipolar
A menudo, las etapas amplificadoras se ensamblan con transistores. Un amplificador simple de baja frecuencia se puede ensamblar a partir de solo tres elementos básicos: un capacitor, una resistencia y un transistor n-p-n.
Para ensamblar un amplificador de este tipo, deberá conectar a tierra el emisor del transistor, conectar un capacitor en serie a su base y una resistencia en paralelo. La carga debe colocarse frente al colector. Es recomendable conectar una resistencia limitadora al colector en este circuito.
La tensión de alimentación permitida de un circuito amplificador de baja frecuencia de este tipo varía de 3 a 12 voltios. El valor de la resistencia debe elegirse experimentalmente, teniendo en cuenta que su valor debe ser al menos 100 veces la resistencia de carga. El valor del condensador puede variar de 1 a 100 microfaradios. Su capacitancia afecta la cantidad de frecuencia a la que puede operar el amplificador. Cuanto mayor sea la capacitancia, menor será la clasificación de frecuencia que el transistor puede amplificar.
La señal de entrada del amplificador de transistor bipolar de baja frecuencia se aplica al condensador. El polo positivo de potencia debe estar conectado al punto de conexión de la carga y la resistencia conectada en paralelo con la base y el capacitor.
Para mejorar la calidad de dicha señal, puede conectar un capacitor y una resistencia conectados en paralelo al emisor, que desempeñan el papel de retroalimentación negativa.
Amplificador con dos transistores bipolares
Para aumentar la ganancia, puede conectar dos transistores ULF individuales en uno. Entonces las ganancias de estos dispositivos se pueden multiplicar.
Aunque si continúa aumentando el número de etapas amplificadoras, la posibilidad de autoexcitación de los amplificadores aumentará.
Amplificador de transistor de efecto de campo
Los amplificadores de baja frecuencia también se ensamblan en transistores de efecto de campo (en lo sucesivo, PT). Los circuitos de tales dispositivos no son muy diferentes de los que se ensamblan en transistores bipolares.
Se considerará como ejemplo un amplificador FET de puerta aislada de n canales (tipo ITF).
Un capacitor está conectado en serie al sustrato de este transistor y un divisor de voltaje está conectado en paralelo. Se conecta una resistencia a la fuente del FET (también puede usar una conexión en paralelo de un capacitor y una resistencia, como se describe arriba). Se conectan una resistencia limitadora y la alimentación al drenaje, y se crea un terminal de carga entre la resistencia y el drenaje.
La señal de entrada a los amplificadores de transistores de efecto de campo de baja frecuencia se aplica a la puerta. Esto también se hace a través de un capacitor.
Como puede ver en la explicación, el circuito amplificador de transistor de efecto de campo más simple no es diferente del circuito amplificador de transistor bipolar de baja frecuencia.
Sin embargo, al trabajar con PT, se deben tener en cuenta las siguientes características de estos elementos:
- FET alto Rentrada=I / Upuerta-fuente. Los transistores de efecto de campo están controlados por un campo eléctrico,que se genera por el estrés. Por lo tanto, los FET están controlados por voltaje, no por corriente.
- Los FET casi no consumen corriente, lo que implica una ligera distorsión de la señal original.
- No hay inyección de carga en los transistores de efecto de campo, por lo que el nivel de ruido de estos elementos es muy bajo.
- Son resistentes a la temperatura.
La principal desventaja de los FET es su alta sensibilidad a la electricidad estática.
Muchos están familiarizados con la situación en la que cosas aparentemente no conductoras impactan a una persona. Esta es la manifestación de la electricidad estática. Si dicho impulso se aplica a uno de los contactos del transistor de efecto de campo, el elemento puede desactivarse.
Por lo tanto, cuando se trabaja con el PT, es mejor no tomar los contactos con las manos para no dañar accidentalmente el elemento.
Dispositivo OpAmp
El amplificador operacional (en adelante, op-amp) es un dispositivo con entradas diferenciadas, que tiene una ganancia muy alta.
La amplificación de señal no es la única función de este elemento. También puede funcionar como generador de señales. Sin embargo, son sus propiedades amplificadoras las que interesan para trabajar con bajas frecuencias.
Para hacer un amplificador de señal a partir de un amplificador operacional, debe conectarle correctamente un circuito de retroalimentación, que es una resistencia regular. ¿Cómo entender dónde conectar este circuito? Para hacer esto, debe consultar la característica de transferencia del amplificador operacional. Tiene dos tramos horizontales y uno lineal. Si el punto de operacióndispositivo está ubicado en una de las secciones horizontales, entonces el amplificador operacional opera en modo generador (modo de pulso), si está ubicado en una sección lineal, entonces el amplificador operacional amplifica la señal.
Para transferir el amplificador operacional al modo lineal, debe conectar la resistencia de retroalimentación con un contacto a la salida del dispositivo y el otro a la entrada inversora. Esta inclusión se denomina retroalimentación negativa (NFB).
Si se requiere que la señal de baja frecuencia se amplifique y no cambie de fase, la entrada inversora con OOS se debe conectar a tierra y la señal amplificada se debe aplicar a la entrada no inversora. Si es necesario amplificar la señal y cambiar su fase en 180 grados, entonces la entrada no inversora debe conectarse a tierra y la señal de entrada debe conectarse a la inversora.
En este caso, no debemos olvidar que el amplificador operacional debe ser alimentado con potencia de polaridades opuestas. Para ello dispone de pistas de contacto especiales.
Es importante tener en cuenta que trabajar con tales dispositivos a veces es difícil seleccionar elementos para el circuito amplificador de baja frecuencia. Se requiere su cuidadosa coordinación no solo en términos de valores nominales, sino también en términos de los materiales de los que están hechos, para lograr los parámetros de ganancia deseados.
Amplificador en un chip
ULF se puede ensamblar en elementos de electrovacío, en transistores y en amplificadores operacionales, solo los tubos de vacío son del siglo pasado, y el resto de los circuitos no están exentos de fallas, cuya corrección inevitablemente implica complicar el diseño del amplificador Esto es un inconveniente.
Los ingenieros han encontrado durante mucho tiempo una opción más conveniente para crear ULF: la industria produce microcircuitos listos para usar que actúan como amplificadores.
Cada uno de estos circuitos es un conjunto de amplificadores operacionales, transistores y otros elementos conectados de cierta manera.
Ejemplos de algunas series ULF en forma de circuitos integrados:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Todas las series anteriores se utilizan en equipos de audio. Cada modelo tiene características diferentes: tensión de alimentación, potencia de salida, ganancia.
Están hechos en forma de pequeños elementos con muchos pines, que son convenientes para colocar en el tablero y montar.
Para trabajar con un amplificador de baja frecuencia en un microcircuito, es útil conocer los conceptos básicos del álgebra lógica, así como los principios de funcionamiento de los elementos lógicos Y-NO, O-NO.
Casi cualquier dispositivo electrónico se puede ensamblar en elementos lógicos, pero en este caso, muchos circuitos resultarán voluminosos e inconvenientes para la instalación.
Por lo tanto, el uso de circuitos integrados listos para usar que realizan la función ULF parece ser la opción práctica más conveniente.
Mejora del esquema
Lo anterior fue un ejemplo de cómo puede mejorar la señal amplificada cuando se trabaja con transistores bipolares y de efecto de campo (conectando un condensador y una resistencia en paralelo).
Estas mejoras estructurales se pueden hacer con casi cualquier esquema. Por supuesto, la introducción de nuevos elementos aumentacaída de voltaje (pérdidas), pero gracias a esto, se pueden mejorar las propiedades de varios circuitos. Por ejemplo, los capacitores son excelentes filtros de frecuencia.
En elementos resistivos, capacitivos o inductivos, se recomienda recolectar los filtros más simples que filtran las frecuencias que no deben caer en el circuito. Al combinar elementos resistivos y capacitivos con amplificadores operacionales, se pueden ensamblar filtros más eficientes (integradores, diferenciadores Sallen-Key, filtros de muesca y de paso de banda).
En conclusión
Los parámetros más importantes de los amplificadores de frecuencia son:
- ganancia;
- factor de distorsión de la señal;
- salida de potencia.
Los amplificadores de baja frecuencia se utilizan con mayor frecuencia en equipos de audio. Puede recopilar datos del dispositivo prácticamente en los siguientes elementos:
- en tubos de vacío;
- sobre transistores;
- sobre amplificadores operacionales;
- en chips terminados.
Las características de los amplificadores de baja frecuencia se pueden mejorar introduciendo elementos resistivos, capacitivos o inductivos.
Cada uno de los esquemas anteriores tiene sus propias ventajas y desventajas: algunos amplificadores son costosos de ensamblar, algunos pueden saturarse, para algunos es difícil coordinar los elementos utilizados. Siempre hay características con las que el diseñador de amplificadores tiene que lidiar.
Usando todas las recomendaciones dadas en este artículo, puede construir su propio amplificador para uso domésticoen lugar de comprar este dispositivo, que puede costar mucho dinero cuando se trata de dispositivos de alta calidad.
