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

Содержание статьи:

• Применение УНЧ
• Параметры
• Усилители на лампах
• Усилитель на триоде
• Усилитель на клистроне
• Особенности электровакуумных усилителей
• Усилитель на биполярном транзисторе
• Усилитель на двух биполярных транзисторах
• Усилитель на полевом транзисторе
• Устройство на операционном усилителе
• Усилитель на микросхеме
• Улучшение схем
• В заключение

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

Схемы усилителей низкой частоты на транзисторах

Часть 1 — Транзисторы и их модели Часть 2 — Стабилизация режима Часть 3 — Вопросы из практики Часть 4 — Что влияет на стабильность Часть 5 — Самостабилизирующиеся схемы Часть 6 — Стабилизация сигнальных параметров Часть 7 — Измерительные схемы Часть 8 — Диапазон уровней Часть 9 — Вопросы из практики Часть 10 — Усилители низкой частоты. Выбор класса усилителя. Сразу предупредим радиолюбителя — делать усилитель класса A 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.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Усилители низкой частоты
• Усилители низкой частоты
• Усилитель низкой частоты на мощных транзисторах
• Искусство схемотехники. Часть 11 — Усилитель низкой частоты на транзисторах. Схема № 1
• Простейший УНЧ на мощность до 10 ватт
• Две схемы УНЧ на транзисторах
• Схема усилителя низкой частоты (УНЧ) на полевых транзисторах (65W)

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Усилитель звука на транзисторах — на старичках МП42 и П214

Усилители низкой частоты

Часть 1 — Транзисторы и их модели Часть 2 — Стабилизация режима Часть 3 — Вопросы из практики Часть 4 — Что влияет на стабильность Часть 5 — Самостабилизирующиеся схемы Часть 6 — Стабилизация сигнальных параметров Часть 7 — Измерительные схемы Часть 8 — Диапазон уровней Часть 9 — Вопросы из практики Часть 10 — Усилители низкой частоты.

Выбор класса усилителя. Сразу предупредим радиолюбителя — делать усилитель класса A 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. Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. 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 C4 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. 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. Для нашего примера она будет около 18 Гц, т. Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать здесь. Видеоролик о работе усилителя в формате MOV скачать для просмотра можно отсюда. Хочу 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!

Внешний вид усилителя приведен на рис. 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 мА. Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0.

Радиаторы для усилителя. Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:. В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:. В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной. Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно.

Имейте ввиду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Каких именно — посчитайте сами! Качество звучания. Собрав схему, вы обнаружите, что звук усилителя не совсем чистый.

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.

Из книги С. Продолжение читайте здесь. Генераторы Игры Измерения Инстр. Сотовая связь Спутник. ТВ Телефон Теория Ук. Схемы Начинающим Искусство схемотехники. Часть 11 …. Продолжение Начало читайте здесь:. Крупнейшее в Китае предприятие по производству прототипов печатных плат, более , клиентов и более 10, онлайн-заказов ежедневно.

Хотите получать уведомления о выходе новых материалов на сайте? Подпишитесь на рассылку! Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться. Публикации по теме. Измерения Микроконтроллеры Силовая Электроника Электронные компоненты. Политика конфиденциальности en Изменить настройки конфиденциальности. Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства. Принципиальная схема УНЧ на транзисторах с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В.

Обратите внимание — последовательно с резистором R3 включен конденсатор C2. Это значит, что делитель напряжения у нас частотно-зависимый.

Усилители низкой частоты

Сигнал требующий усиления через предварительный УНЧ подается на предварительный дифферециальный усилительный каскад построенный на составных транзисторах VT1 и VT2. Использование дифференциальной схемы в усилительном каскаде, снижает шумовые эффекты и обеспечивает работу отрицательной обратной связи. Напряжение ОС поступает на базу транзистора VT2 с выхода усилителя мощности. ОС по постоянному току реализуется через резистор R6. ОС по переменной состовляющей осуществляется через резистор R6, но её величина зависит от номиналов цепочки R7-C3.

Усилитель низкой частоты на мощных транзисторах Эта схема УНЧ на транзисторах весьма проста, так как в выходном каскаде используется пара .

Усилитель низкой частоты на мощных транзисторах

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются также усилителями звуковой частоты. Кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники. Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности УМ. Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер , иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки потребителя заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы колонки , наушники ; радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры. Усилители низких частот широко используют в сфере автозвука и автоакустики. По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:. Материал из Википедии — свободной энциклопедии.

Искусство схемотехники. Часть 11 — Усилитель низкой частоты на транзисторах. Схема № 1

Этот усилитель можно встроить в любую маломощную аппаратуру с низковольтным питанием: приёмники, рации, слуховые аппараты и другая подобная аппаратура. Усилитель состоит из двух узлов: входной каскад на транзисторе Т1 и выходной двухтактный на транзисторах Т2 — Т5. Сигнал, усиленный транзистором Т1 поступает в нагрузку R1 и выходной каскад. Получается так: Т3 и Т4 усиливают положительные полуволны сигнала, Т2 и Т5 отрицательные.

Заметим, что высокочастотные усилители до частот Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис.

Простейший УНЧ на мощность до 10 ватт

Усилитель низкой частоты УНЧ является составной частью большинства радиотехнических устройств как то телевизора, плеера, радиоприемника и различных приборов бытового назначения. В первом варианте усилитель построен на кремниевых транзисторах n-p-n проводимости. Входной сигнал поступает через переменный резистор R1, который в свою очередь является нагрузочным сопротивлением для схемы источника сигнала. Наушники подсоединены к коллекторной электроцепи транзистора VT2 усилителя. Поступающие на потенциометр R1 колебания НЧ через его движок и емкость С1 идут на базу VT1 1-го каскада в результате чего происходит частичное усиление. Данный резистор еще играет роль регулятора усиления регулятор громкости , поскольку с изменением его сопротивления меняется напряжение, поступающее на базу VT1, и соответственно изменяется уровень усиленного сигнала.

Две схемы УНЧ на транзисторах

Эта схема УНЧ с мощностью до 10 ватт была найдена на буржуйском сайте. Недавно была повторена на отечественных компонентах и с некоторыми заменами. Это достаточно хороший усилитель чистого А класса, доступен для повторения. В схеме использовано всего 3 транзистора. Первый транзистор предварительно усиливает сигнал, он, как и все другие транзисторы в этой схеме не критичен.

Усилитель низкой частоты на биполярном транзисторе. Методиче- схема с использованием быстродействующих транзисторов применяет-.

Схема усилителя низкой частоты (УНЧ) на полевых транзисторах (65W)

Музыка представляет собой один из самых универсальных языков мира. Любой человек может выразить через нее свои мысли и чувства, при этом все остальные смогут это понять, независимо от их расы, национальности, культуры или происхождения. В зависимости от предпочтений человека, он будет наслаждаться музыкой либо на портативном устройстве либо на акустической системе. Лично мне второй вариант нравится больше.

Русский: English:. Бесплатный архив статей статей в Архиве. Справочник бесплатно. Параметры радиодеталей бесплатно. Даташиты бесплатно.

Изготовление хорошего усилителя мощности всегда было одним из нелегких этапов при конструировании аудио-аппаратуры. Качество звучания, мягкость басов и отчетливое звучание средних и высоких частот, детализация музыкальных инструментов — все это пустые слова без качественного усилителя мощности низкой частоты.

Портал QRZ. RU существует только за счет рекламы, поэтому мы были бы Вам благодарны если Вы внесете сайт в список исключений. Мы стараемся размещать только релевантную рекламу, которая будет интересна не только рекламодателям, но и нашим читателям. Отключив Adblock, вы поможете не только нам, но и себе. Схема простого и мощного усилителя низкой частоты с выходным каскадом на полевых транзисторах КП

В настоящей главе рассматриваются усилители звуковой частоты, пригодные для использования в различных радиолюбительских конструкциях. Следует выделить некоторые схемы усилителей. Первая — на микросхеме TDA см. Вторая — на микросхеме КУД1 см.

Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

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

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

Простой усилитель на одном транзисторе

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

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

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

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

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

В семействе усилителей Waft произошло очередное пополнение. Помню, что кто-то из самодельщиков интересовался вариантом подобным WHH, только без темброблока. Вот оно — счастье. [Создать обсуждение статьи на форуме]

Автор: vovchik

В семействе усилителей Waft произошло очередное пополнение. Помню, что кто-то из самодельщиков интересовался вариантом подобным WHH, только без темброблока. Вот оно — счастье.

Предыстория

Предыстория такова — cразу после появления статьи Yooree «Нормирующий усилитель на LT1355» я решил повторить конструкцию. Дело в том, что у моей дочери имеется mp3 плеер — флешка, который питается от пальчиковой батарейки напряжением 1.5 вольта. Она любит подключать плеер к музыкальному центру (он довольно старый и соответственно, mp3 не поддерживает), но размаха сигнала на выходе для наушников явно не хватало для раскачки усилителя, колонки выдавали на максимуме не более 3 ватт на канал, плюс ко всему прослушивались шумы из-за сильного «недогруза». По настоятельной просьбе дочери я не стал «тянуть резину» и быстренько собрал нормирующий усилитель, далее НУ по тексту. При этом номиналы деталей по схеме не изменял, разделительные конденсаторы на входе тоже не устанавливал, в них не было необходимости.. После подключения флешки к муз. центру, через НУ последний «запел во весь голос». Можно было бы на этом месте поставить точку , но как у любого радиолюбителя, возникла мысль : «А может этот «нормировщик» еще куда приладить?» Так и родилась идея. Давно собранный Waft Homehoney, (так, к сожалению и не оформленный в корпус, из-за нехватки опыта изготовления и недостатка времени), мирно работал на полке тумбы под аппаратуру, ощерившись проводами во все стороны. Взглянул я на все это и подумал:» А почему бы и не попробовать?». Отпаял быстренько УМ Waft Homehoney от преда с темброблоком и подключил к нему НУ. Включил питание, вслушался… Звучание имело все » на слух». Максимальная мощность оказалась порядка 7 ватт на канал. Посоветовавшись с Yooree, начал постепенно повышать Кус. «нормализатора», путем увеличения номинала резистора R3 (см. схему НУ). Оптимальной оказалась величина 7. 5-8.2 ком. Громкость возросла и стала примерно одинаковой с громкостью WHH, при величине 9.1 ком уже начиналась перегрузка по входу УМ, это был сигнал остановиться.

Схема нормирующего предусилителя:

Следует заметить, что для каждого конкретного проигрывателя нужно будет индивидуально подобрать номинал R3. У меня дома три разных проигрывателя и в паспорте каждого указано, что размах напряжения на выходе около 1 вольта. На самом деле к примеру, для плеера ВВК пришлось уменьшать R3 до 3 ком, а для ХОRO увеличить до 8.2ком. Elenberg, как и ВВК «орал неслабо», поэтому так же пришлось снижать усиление уменьшением номинала R3 до 3…4 ком, поэтому к каждому CD-DVD-плееру — индивидуальный подход!!!

Cхема оконечного усилителя (УМ):

В схеме УМ никаких особых изменений не производил. Единственное — емкость С1 увеличена до 180 пФ. Конденсатор этот — керамический, маленькая желтая капелька родом из Китая. С2 — это «бутерброд»; К73-17 на 2,2мкФ + К73-16В на 1,5мкФ + МБМ на 0,5мкФ.

Некоторые эксперименты в предусилителе

Здесь расскажу о чипах, опробованных мной в НУ. У меня в наличии оказались два типа сдвоенных ОУ: МС33078 от Texas Instruments и ОР282GP от Analog Devices, соответственно их я и опробовал. Могу констатировать, что в плане «музыкальности», МС33078 уверенно обошла ОР282, хотя чип от AD сам по себе неплохой. Эти эксперименты производились при питании НУ от БП WHH, с понижением напряжения до 13.5-14 вольт, путем включения в каждое плечо балластного резистора. Так же был испытан вариант питания НУ напряжением 17-17.5 вольт. Здесь надо быть очень осторожным и предельно внимательным. Дело в том, что каждый чип имеет предел по напряжению питания, который превышать нельзя, иначе он быстро «накроется медным тазом». С повышением напряжения питания почти до предельного (по даташиту +/ — 18 вольт) ОР282 немного «реабилитировался», но МС33078 так и не догнал. При запитывании чипа ОР282 стабилизированным напряжением + /-12 вольт получились очень хорошие результаты. В то же время МС33078 при всех вариантах питания показал «неизменно превосходный результат». Именно его и надо использовать по возможности. «Регулятор громкости» в УМ можно поставить и группы «А». Опытный образец «гонялся» почти 12 часов и выявил проблему, о которой я слышал и читал, но сам столкнулся впервые. Это так называемое «кипение» электролитических конденсаторов. Физику этого процесса я не очень себе представляю, проявляется он в » шипении в такт с музыкой» на большой громкости. У меня «закипели» на УМ одного из каналов, т.е., те, которые шунтируют питание 10мкф х 50в (фото «кипящих» прилагаю), до этого они проработали достаточно долго и грехов за ними не водилось.

После замены на другие, «кипение» прекратилось. Я лично для себя сделал такой вывод: Не ставь в схему то, что попалось под руку, а найди нормальные, качественные комплектующие и будет все ОК! Со стабилизированным напряжением тоже произошел небольшой казус. Я собирал стабилизаторы на КРЕН-ках навесным монтажом на выходе поставил электролиты Jamicon 100мкф х 35В, при прослушивании четко выделялся фон переменного тока (что любопытно — в нестабилизированном варианте его вообще не было) , замена их «честными советскими» электролитами К50-35 1000 мкф х 25в , устранила фон полностью. Печатную плату для НУ специально не разрабатывал, да в этом и не было надобности, схема простая, обвел ножки панельки для микросхем маркером и потом подрисовал дорожки, на все ушло не более 3 минут. Технология изготовления такая же как и платки преда WHH, т.е. одна сторона — экран, который в последствии соединяется с «массой».

Заключение

В заключение хочу выразить благодарность Юрию (Yooree) за его всестороннюю помощь в подготовке и написании данной статьи, также благодарен Михаилу (Lektor) за его наработки по блоку питания с использованием НИ электролитических конденсаторов и конденсаторов «советского» производства и по использованию «бутербродов» из конденсаторов разных типов на входе УМ. Всем желаю удачи на монтаже и хорошего настроения!

Печатная плата усилителя мощности WBB(WHH).lay

Создать обсуждение статьи на форуме

*Название темы на форуме должно соответствовать виду: Заголовок статьи [обсуждение статьи]

Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя

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

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

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

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

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

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

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

Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

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

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

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

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

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

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

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

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

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

Функционал.

Первая проблема при проектировании предварительного усилителя связана с коммутатором входов. Считается, что меньше искажений получается при использовании галетного переключателя. Но, если расположить переключатель на лицевой панели, то от входных разъёмов, установленных на задней панели усилителя, к переключателю будут идти длинные проводники, что ухудшит уровень шумов. Если переключатель расположить ближе к задней стенке усилителя, то потребуется механический удлинитель для переключения. Это усложнит конструкцию и сделает невозможным использование дистанционного управления.

Поэтому было решено в коммутаторе входов использовать качественные электро-механические реле. Если для каждого входа использовать отдельное реле, это даст минимальные перекрёстные искажения и шумы.

Мы также решили снабдить предварительный усилитель модулем усилителя для наушников. Обычно для прослушивания через наушники используют (основной) усилитель мощности. Но зачем задействовать мощный аппарат, если требуется всего несколько миллиВатт?

В нашей конструкции усилитель для наушников выполнен в виде отдельного модуля (устанавливается по желанию), а выход предварительного усилителя переключается на него с помощью реле.

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

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

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

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

Приложения датчиков

Для каждого приложения приводится перечень наиболее часто используемых сенсоров. Много полезной информации по данному вопросу можно найти в руководствах OMEGA® Engineering [1, 2].

В данной статье приведены далеко не все типы аналоговых датчиков, их существует гораздо больше, например:

• счетчики времени/частоты [14];
• дальномеры [25];
• измерительные трансформаторы тока [6].

Информация о поведении электрических характеристик различных сенсоров необходима для правильного выбора оптимальной схемы нормирования.

Датчики электрических характеристик

Данная группа сенсоров (таблица 1) необходима для измерения электрических параметров цепи. Эти датчики используются в различных приложениях, например, для мониторинга критически важных характеристик источников питания.

Таблица 1. Датчики электрических параметров

Датчик	Выходной сигнал
Напряжения	Напряжение
Тока	Ток
Заряда	Заряд

Магнитные датчики

Эти датчики (таблица 2) используются для определения напряженности магнитного поля и/или его направления. Они широко применяются в компасах и системах управления электродвигателями [6].

Таблица 2. Магнитные датчики

Датчик	Выходной сигнал
Датчик Холла [6]	Напряжение
Магниторезистивный	Сопротивление

Датчики температуры

Чаще всего датчики температуры используются по прямому назначению, то есть для измерения температуры. Некоторые распространенные виды датчиков температуры перечислены в таблице 3. Обзор датчиков температуры можно найти в документации [14, 15].

Таблица 3. Датчики температуры

Датчик	Выходной сигнал
Термопары [19, 20]	Напряжение
Резистивные датчики температуры (RTD) [18]	Сопротивление
Термисторы [16, 17]	Сопротивление
Интегральные	Напряжение
ИК-сенсоры	Ток
Термогенераторы (Thermo Piles)	Напряжение

Датчики влажности

Существуют два основных типа датчиков влажности: емкостные и инфракрасные (таблица 4). Датчики влажности очень часто требуют дополнительной компенсации температурной погрешности.

Таблица 4. Датчики влажности

Датчик	Выходной сигнал
Емкостной	Емкость
ИК-датчик	Ток

Датчики усилия, веса, крутящего момента и давления

Данная группа датчиков используется для измерения механических усилий или деформации. Наиболее распространенные типы датчиков перечислены в таблице 5.

Таблица 5. Датчики усилия, веса, крутящего момента и давления

Датчик	Выходной сигнал
Тензометрические [8, 9, 10]	Сопротивление
Тензорезисторы	Сопротивление
Пьезоэлектрические	Напряжение или заряд
Механические трансдьюсеры	Сопротивление, напряжение и прочее

Датчики движения и вибрации

Некоторые распространенные аналоговые датчики движения и вибрации представлены в таблице 6. Для решения многих задач могут быть использованы интегральные сенсоры.

Таблица 6. Датчики движения и вибрации

Датчик	Выходной сигнал
Дифференциальные трансформаторы для измерения линейных перемещений LVDT [10]	Переменное напряжение
Пьезоэлектрические	Напряжение или заряд
Микрофоны	Напряжение
Датчики двигателя [6]	Напряжение, сопротивление, ток и так далее
Ультразвуковые датчики расстояния [25]	Время
Интегральные акселерометры	Напряжение

Датчики потока

Существуют различные способы измерения скорости потока жидкостей и газов. Краткий перечень датчиков, используемых для решения этой задачи, представлен в таблице 7.

Таблица 7. Датчики потока

Датчик	Выходной сигнал
Магнитные датчики потока	Переменное напряжение
Кориолисовы расходомеры	Сопротивление
Ультразвуковые/доплеровские датчики	Частота
Анемометры с нагреваемым проводом [24]	Сопротивление
Механические трансдьюсеры, например, турбины	Напряжение и прочее

Датчики уровня жидкости и объема

В таблице 8 приведены примеры датчиков уровня жидкости. Объем жидкости в баке известного сечения можно определить по ее уровню.

Таблица 8. Датчики уровня жидкости и объема

Датчик	Выходной сигнал
Ультразвуковые	Время
Механические трансдьюсоры	Сопротивление, Напряжение
Емкостные	Емкость
Механические переключатели	Вкл/Выкл
Термальные	Сопротивление

Датчики света и ИК-излучения

Датчики света и ИК-излучения (таблица 9) используются для обнаружения объектов, в том числе в условиях плохой видимости.

Таблица 9. Датчики света и ИК-излучения

Датчик	Выходной сигнал
Фотодиод [22, 23]	Ток

Электрохимические датчики

В таблице 10 приводится краткий список электрохимических датчиков, которые применяются для измерения различных химических свойств.

Таблица 10. Электрохимические датчики

Датчик	Выходной сигнал
pH-электрод	Напряжение (большое внутреннее сопротивление)
Проводимость	Сопротивление
Датчик CO	Напряжение или заряд
Датчик мутности (фотодиод)	Ток
Колориметр (фотодиод)	Ток

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

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

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

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

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

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

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

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

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

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

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит — напряжение питания в Вольтах (В).

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

Литература

Основные источники

1. “The OMEGA® Made in the USA Handbook™,” Vol. 1, OMEGA Engineering, Inc., 2002.
2. “The OMEGA® Made in the USA Handbook™,” Vol. 2, OMEGA Engineering, Inc., 2002.
3. AN682, “Using Single Supply Operational Amplifiers in Embedded Systems,” Bonnie Baker; Microchip Technology Inc., DS00682, 2000.
4. AN866, “Designing Operational Amplifier Oscillator Circuits For Sensor Applications,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00866, 2003.

Датчики тока

1. AN951, “Amplifying High-Impedance Sensors – Photodiode Example,” Kumen Blake and Steven Bible; Microchip Technology Inc., DS00951, 2004.
2. AN894, “Motor Control Sensor Feedback Circuits,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00894, 2003.

Резистивные датчики

1. AN863, “A Comparator Based Slope ADC,” Joseph Julicher; Microchip Technology Inc., DS00863, 2003.
2. AN251, “Bridge Sensing with the MCP6S2X PGAs,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00251, 2003.
3. AN717, “Building a 10-bit Bridge Sensing Circuit using the PIC16C6XX and MCP601 Operational Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc. , DS00717, 1999.
4. AN695, “Interfacing Pressure Sensors to Microchip’s Analog Peripherals,” Bonnie Baker; Microchip Technology Inc., DS00695, 2000.
5. AN512, “Implementing Ohmmeter/Temperature Sensor,” Doug Cox; Microchip Technology Inc., DS00512, 1997.
6. AN895 “Oscillator Circuits For RTD Temperature Sensors,” Ezana Haile and Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00895, 2004.

Емкостные датчики

1. AN611, “Resistance and Capacitance Meter Using a PIC16C622,” Rodger Richie; Microchip Technology Inc., DS00611, 1997.

Датчики температуры

1. AN929, “Temperature Measurement Circuits for Embedded Applications,” Jim Lepkowski; Microchip Technology Inc., DS00929, 2004.
2. AN679, “Temperature Sensing Technologies,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00679, 1998.
3. AN897; “Thermistor Temperature Sensing with MCP6SX2 PGAs,” Kumen Blake and Steven Bible; Microchip Technology Inc., DS00897, 2004.
4. AN685, “Thermistors in Single Supply Temperature Sensing Circuits,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00685, 1999.
5. AN687, “Precision Temperature-Sensing With RTD Circuits,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00687, 2003.
6. AN684, “Single Supply Temperature Sensing with Thermocouples,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00684, 1998.
7. AN844, “Simplified Thermocouple Interfaces and PICmicro® MCUs,” Joseph Julicher; Microchip Technology Inc., DS00844, 2002.
8. AN867, “Temperature Sensing With A Programmable Gain Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00867, 2003.

Другие датчики

1. AN865, “Sensing Light with a Programmable Gain Amplifier,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00865, 2003.
2. AN692, “Using a Digital Potentiometer to Optimize a Precision Single-Supply Photo Detection Circuit,” Bonnie C. Baker; Microchip Technology Inc., DS00692, 2004.
3. TB044, “Sensing Air Flow with the PIC16C781,” Ward Brown; Microchip Technology Inc., DS91044, 2002.
4. AN597, “Implementing Ultrasonic Ranging,” Robert Schreiber; Microchip Technology Inc., DS00597, 1997.

Схемы нормирования

1. FilterLab® 2.0 User’s Guide;” Microchip Technology Inc., DS51419, 2003.
2. AN942, “Piecewise Linear Interpolation on PIC12/14/16 Series Microcontrollers,” John Day and Steven Bible; Microchip Technology Inc., 2004.

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

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

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

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

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

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

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

Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

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

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

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

Лабораторная работа 3: Частотная характеристика усилителя

Эта лабораторная работа знакомит студентов с важностью частотной характеристики при проектировании схем. Учащиеся исследуют частотную характеристику двух схем усилителей, одна из которых состоит из транзисторов, а другая — из операционных усилителей. Сравнивая, как различаются их частотные характеристики при сохранении одной и той же общей функции, учащиеся узнают, как различные диапазоны входных частот влияют на конструктивные особенности. Продвинутые студенты могут бросить себе вызов, исследуя быстродействующие операционные усилители и сравнивая их конструкции и характеристики с обычными операционными усилителями.

---

Введение

Анализ частотной характеристики используется для понимания того, как схема ведет себя в различных диапазонах частот. В первых двух лабораторных работах мы увидели, как частотная характеристика учитывается при разработке активных и пассивных фильтров. На самом деле, частотная характеристика схемы является не только важным компонентом схем фильтров, но применима к любой схемотехнике. Кроме того, две разные схемы, выполняющие одну и ту же функцию, могут иметь совершенно разные частотные характеристики. В этом случае важно понимать частотную характеристику каждой схемы, чтобы выбрать наилучшую конструкцию для любого частотного применения. В этой лабораторной работе вы рассмотрите две схемы усилителя напряжения, с общим эмиттером (CE) и инвертирующим операционным усилителем (ОУ), и исследуете их частотные характеристики.

Усилитель напряжения представляет собой схему, которая принимает входной сигнал напряжения и выдает сигнал большего напряжения. Усилитель CE, который вы будете исследовать, использует транзистор NPN с резисторами и конденсаторами, используемыми для установки коэффициента усиления и частотной характеристики. В этой лабораторной работе вы не узнаете, как выбрать номинал резистора или конденсатора для желаемого коэффициента усиления по напряжению, а скорее узнаете, как CE-усилитель ведет себя в различных частотных диапазонах и как это отражается на анализе частотной характеристики схемы.

Операционный усилитель — популярный метод усиления напряжения; он намного проще в использовании по сравнению с усилителем CE и требует меньшего количества компонентов. Для этой лабораторной работы мы сконфигурировали операционный усилитель в конфигурации инвертирующего усилителя и изучим частотную характеристику операционного усилителя, чтобы увидеть, как она соотносится с различными параметрами ИС операционного усилителя.

Цели обучения

В этом разделе студенты будут:

• Смоделируйте усилитель CE и усиление разомкнутого контура операционного усилителя с помощью Multisim.

• Соберите усилитель CE и инвертирующий усилитель на операционных усилителях и измерьте коэффициент усиления на выходе и частотную характеристику с помощью инструментов от WaveForms.

Список деталей

Для эксперимента необходимо следующее оборудование:

Оборудование

• Студия аналоговых открытий

• Холст макетной платы

• 2N3904 или совместимый транзистор NPN

• 741 или совместимый операционный усилитель

• Электролитический конденсатор 22 мкФ

• Электролитический конденсатор 10 мкФ

• Электролитический конденсатор 4,7 мкФ

• Резистор 10 кОм

• Резистор 5,6 кОм

• Резистор 2,2 кОм

• Резистор 1,8 кОм

• 2 резистора 1 кОм

• Резистор 680 Ом

---

Теория цепей и моделирование

Усилитель с общим эмиттером

Схема на изображении представляет собой усилитель CE, в котором используется NPN-транзистор. В усилителе СЕ коэффициент усиления по напряжению устанавливается подбором соответствующих резисторов и конденсаторов. Как упоминалось ранее, в этой лабораторной работе нас больше будет интересовать частотная характеристика, чем параметры конструкции. В таблице 1 приведены величины постоянного и переменного тока, которые можно использовать для анализа частотной характеристики усилителя.

Вы можете найти модель 2Н39Транзистор 04G NPN в Мультисиме, если у вас есть премиум-аккаунт. В бесплатной версии вы можете выбрать универсальную модель транзистора NPN, открыть Расширенные параметры и заполнить поля значениями из прикрепленного документа: 2N3904G.zip, оставив остальные поля со значениями по умолчанию.

Параметры постоянного тока		Параметры переменного тока
${\beta}$	135	Сопротивление эмиттера переменному току ($r_e$)	25 Ом
$V_{base}$	1,41 В	Сопротивление коллектора переменному току ($r_c$)	1525 Ом
$V_{эмиттер}$	0,71 В
$V_{коллектор}$	3,12 В
$I_e=I_c$	1,00 мА

Критическая частота

На изображении справа показана частотная характеристика усилителя CE. Есть три раздела, которые вы хотите исследовать:

1. Низкая критическая частота ($f_{cl}$), когда усиление увеличивается с увеличением частоты.

2. Средний диапазон — максимальное выходное напряжение. Именно в этом диапазоне должен работать ваш усилитель.

3. Высокая критическая частота ($f_{ch}$), когда коэффициент усиления уменьшается по мере увеличения частоты.

Цель этой лабораторной работы — узнать о низких и высоких критических частотах. Диапазон между низкой и высокой критическими частотами является рабочей полосой пропускания вашего усилителя. Хороший дизайн требует, чтобы мы встроили некоторую допустимую величину в полосу пропускания, поэтому мы умножим низкую частоту на 10 и разделим высокую частоту на 10, чтобы вычислить полосу пропускания усилителя.

Создайте схему с помощью Multisim Live. Установите источник переменного тока на 10 мВ и 30 кГц и запустите анализ переходных процессов , чтобы просмотреть усиление схемы во временной области.

Запустите анализ развертки переменного тока, чтобы увидеть частотную характеристику схемы.

Конденсатор входной связи

Усилитель CE имеет три конденсатора, чтобы понять, как каждый конденсатор влияет на частотную характеристику, мы исследуем каждый из них в отдельности. Критическая частота может быть рассчитана с использованием следующего уравнения: $f_c=\frac{1}{2{\pi}RC}$.

Теорему Тевенина можно использовать для определения сопротивления конденсатора $C_{in}$. $R_{in}$ — сопротивление из $R_1$, $R_2$ и сопротивления переменного тока транзистора, включенных параллельно друг другу. Вы можете рассчитать $R_{in}$ по следующей формуле: $\frac{1}{R_{in}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1} {{\бета}r_e}$.

Общее сопротивление, исходя из напряжения источника, составляет: $r_{th}=R_{in}+R_g$.

Выходной конденсатор связи

На конденсатор связи $C_{out}$ влияют резисторы нагрузки $R_{load}$ и $R_c$, поэтому: $r_{th}=R_c+R_1$.

Конденсатор обхода эмиттера

Эквивалентное сопротивление эмиттерного конденсатора определяется по формуле: $r_{th}=r_e+\frac{R_g||R_1||R_2}{\beta}$.

Резистор $R_e$ не включен в уравнение, потому что он очень велик по сравнению с $r_{th}$ в приведенном выше уравнении. Напомним, когда два резистора соединены параллельно, общее сопротивление ближе к меньшему значению.

После того, как вы вычислили критическую частоту для всех трех конденсаторов, общая нижняя критическая частота усилителя $f_{cl}$ будет просто самой высокой вычисленной частотой.

Высокая критическая частота

На высокой частоте емкость, которая существует внутри транзистора, начинает влиять на выход схемы. В техническом описании 2N3094 On Semiconductor выходная емкость $C_{obo}$ указана как 4 пФ.

Еще один источник емкости, который появится в вашей схеме, — это паразитная емкость. Эта емкость существует в каждом компоненте, и в проводах, и в элементах цепи, которые находятся близко друг к другу. По мере увеличения частоты эти нежелательные емкости будут изменять поведение схемы и вызывать снижение выходного сигнала.

Вы можете аппроксимировать критическую высокую частоту, используя: $C = C_{obo}+C_{para}$, $r_{th}=R_c||R_1$.

---

Частотная характеристика усилителя ОУ

Операционный усилитель очень популярен и имеет множество применений, требует небольшого количества внешних компонентов и прост в проектировании. На изображении справа показан усилитель без обратной связи. В этом случае вы можете рассчитать усиление операционного усилителя, используя следующее уравнение: $V_{out}=A_o(V_{in+}-V_{in-})$, где $A_o$ — коэффициент усиления без обратной связи.

Создайте схему усилителя без обратной связи, используя Multisim Live. Используйте модель операционного усилителя с 3 выводами. Модель операционного усилителя с 3 выводами по умолчанию имеет внутреннее питание ±12 В. Измените $V_{omp}$ и $V_{omn}$ на ±100 В, чтобы изменить внутреннее питание операционного усилителя на ±100 В. Внутренний источник питания имитирует диапазон напряжений, используемый для питания реальной микросхемы операционного усилителя. Обратите внимание, что усиление операционного усилителя $A_{vol}$ равно 200k.

Установите исходную частоту на 100 Гц, затем смоделируйте схему. Повторите этот шаг для 1 МГц, 10 МГц. Что происходит с выходным напряжением при увеличении частоты источника переменного тока?

Запустите анализ развертки переменного тока, чтобы просмотреть частотную характеристику операционного усилителя без обратной связи.

---

Коэффициент усиления полосы пропускания

Конфигурация без обратной связи на практике не используется. Обычно существует обратная связь между выходом и одним входом. Примером схемы с обратной связью является инвертирующий усилитель.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется выражением: $A=-\frac{R_2}{R_1}$. Когда $R_1$ и $R_2$ равны 1 кОм, усиление поддерживается постоянным на уровне 1. Вы можете видеть, что уменьшение усиления дает вашей схеме большую рабочую полосу пропускания.

Взаимосвязь между усилением и пропускной способностью можно увидеть в следующем уравнении: $GBW=Af_c$, где $GBW$ — произведение усиления на полосу пропускания, $A$ — усиление цепи, а $f_c$ — частота, с которой выходной сигнал начинает вращаться. выключено (пропускная способность). Вы можете получить GBW из таблицы данных, вот пример, который был взят из таблицы данных Analog Devices OP27.

---

Скорость нарастания

Операционный усилитель содержит много транзисторов, подобных тем, что мы обсуждали в разделе усилителя CE, на высоких частотах конденсаторы внутри транзистора начинают влиять на выход. В дополнение к паразитной емкости операционный усилитель также имеет компенсационный конденсатор. Компенсационный конденсатор добавляется для обеспечения предсказуемой частотной характеристики и предотвращения колебаний.

Первый каскад внутри операционного усилителя — это дифференциальный усилитель, показанный на изображении справа. Эта схема сравнивает входное напряжение на входных клеммах операционного усилителя. Компенсационный конденсатор находится на дифференциальном выходе. Если вы помните, конденсатор имеет экспоненциальную скорость зарядки, которая имеет определенный наклон. Когда частота входного сигнала высока, крутизна входного сигнала больше, чем крутизна компенсационного конденсатора, в результате чего конденсатор может вызвать искажение, известное как искажение скорости нарастания.

В таблице данных Analog Device OP27 вы можете увидеть скорость нарастания, указанную в единицах измерения В/мкс. Это значение говорит вам о наклоне компенсационного конденсатора.

Если входной сигнал представляет собой синусоиду, вы можете рассчитать наклон, используя следующее уравнение: $S_S=2{\pi}fV_p$, где $S_S$ – наклон синусоидальной волны, $f$ – частота сигнала, $V_p$ — пиковое входное напряжение.

Используйте Multisim Live, чтобы исследовать влияние скорости нарастания. Создайте инвертирующий операционный усилитель и запустите анализ переходных процессов. Постепенно увеличивайте частоту входного сигнала, пока не увидите эффект искажения скорости нарастания.

Для более заметного искажения скорости нарастания можно использовать модель операционного усилителя UA741CD. Не забудьте подключить источники питания к этому операционному усилителю.

---

Создание и измерение схемы

Усилитель CE

Создайте схему, представленную в CE Amplifier, на макетной плате. Резистор 600 Ом ($R_g$) можно не использовать, так как он имитирует выходное сопротивление функционального генератора. Вам нужно будет запитать схему +5В (красный провод). Подсоедините канал W1 генератора функций (желтый провод) и канал осциллографа 1+ (оранжевый провод) к входу схемы, а канал 2+ осциллографа (синий провод) к выходу схемы. Заземлите 1-й и 2-й каналы осциллографа (оранжево-белый и сине-белый провода), заземление функционального генератора и положительный вход операционного усилителя.

Не забудьте повернуть переключатели Scope Channel 1 и Scope Channel 2 в сторону разъемов MTE, а переключатель 5V — в сторону метки POWER.

Схему подключения можно скачать здесь: wire_diagram_ce.zip

Запустите WaveForms, сгенерируйте сигнал 50 кГц с помощью инструмента Wavegen и установите амплитуду на 10 мВ. Используйте осциллограф Scope для просмотра отклика схемы во временной области.

Откройте сетевой анализатор и развернуть диапазон частот от 1 Гц до 10 МГц . Сравните результат с моделированием и расчетами.

---

Исследование частотной характеристики операционных усилителей

Создайте схему, представленную в Slew Rate на макетной плате. Вам нужно будет запитать операционный усилитель ± 12 В (красный и белый провода). Подсоедините канал W1 генератора функций (желтый провод) и канал осциллографа 1+ (оранжевый провод) к входу схемы, а канал 2+ осциллографа (синий провод) к выходу схемы. Заземлите 1-й и 2-й каналы осциллографа (оранжево-белый и сине-белый провода), землю функционального генератора и плюсовой вход ОУ.

Не забудьте повернуть переключатели Scope Channel 1 и Scope Channel 2 в сторону разъемов MTE, а переключатель 12V± в сторону метки POWER.

Схему подключения можно скачать здесь: wire_diagram_opamp.zip.

В WaveForms запустите инструменты Wavegen и Scope . Установите Wavegen для генерации синусоидального сигнала частотой 1 кГц и постепенно увеличивайте частоту, пока не увидите эффект скорости нарастания. Используйте Scope для просмотра отклика канала во временной области.

Используйте сетевой анализатор для просмотра частотной характеристики вашего усилителя.

---

Дальнейшие исследования

Высокочастотные компоненты

В этой лабораторной работе вы исследовали, как частота влияет на предел, на котором может работать ваша схема. Вы узнали о частотной характеристике усилителя CE. Вы также узнали о полосе пропускания операционного усилителя и компенсационном конденсаторе; вы видели, как это может вызвать искажение скорости нарастания при работе на высокой частоте. Именно по этим причинам операционные усилители обычно используются в низкочастотных приложениях. При проектировании схемы, работающей в диапазонах высоких частот ( МГц ), разработчик должен учитывать внутреннюю емкость, а также паразитную емкость. Часто микросхемы специально разрабатываются с учетом этих соображений. Например, вместо обычного операционного усилителя можно приобрести быстродействующий операционный усилитель. Сравните некоторые характеристики операционного усилителя, который вы использовали в этой лабораторной работе, с техническими данными высокоскоростного операционного усилителя. Какие из спецификаций, обсуждавшихся в лаборатории, относятся к высокоскоростной работе? Как эти характеристики соотносятся между обычным операционным усилителем и высокоскоростным операционным усилителем?

---

Следующие шаги

Проектирование и анализ многокаскадного усилителя с общим эмиттером для низкочастотных приложений

Проектирование и анализ многокаскадного усилителя с общим эмиттером для низкочастотных приложений

##plugins.

themes.bootstrap3.article.sidebar##

Отправлено 15 июля 2019 г.
Опубликовано 19 октября 2019 г.

ДОИ https://doi.org/10.24018/ejeng.2019.4.10.1431

Резюме просмотрено = 1761 раз

Раздел

Статьи

##plugins.themes.bootstrap3.article.main##

•   Дэн Э. Дан-Абиа

    Электрическая/электронная и вычислительная техника, Университет Уйо, Уйо, Нигерия

•   Аканиньене Обот

    Факультет электротехники, электроники и вычислительной техники, Университет Уйо, Уйо, Нигерия

•   Куфре М. Удофия

    Факультет электротехники, электроники и вычислительной техники, Университет Уйо, Нигерия

Abstract

В этой статье представлены конструкция и анализ многокаскадного усилителя с общим эмиттером (CE) для улучшения коэффициента усиления по напряжению по сравнению с однокаскадным усилителем CE. Процедура проектирования началась с проектирования однокаскадного усилителя CE. Уточнены технические характеристики усилителя СЕ. Конструкция многокаскадного усилителя CE была выполнена с использованием разработанного однокаскадного усилителя CE в качестве базовой конфигурации. Спроектированные однокаскадные и многокаскадные усилители CE были смоделированы в программе моделирования линейных технологий с акцентом на интегральные схемы (LT SPICE). Полученные результаты показывают, что при использовании аналитического метода коэффициент усиления по напряжению составил 45 дБ для однокаскадного и 54 дБ для многокаскадного соответственно, программа моделирования LT SPICE представила результат 44 дБ для однокаскадного и 54 дБ для многокаскадного. многоступенчатый. Предложенный усилитель может найти подходящее применение в устройствах, работающих на низких частотах, таких как аудиосигналы. Кроме того, исходя из этих результатов, рекомендуется подключение большего количества каскадов транзисторного усилителя для получения большего усиления по напряжению, току и мощности.

Ключевые слова: усилитель , транзистор с общим эмиттером, гибридный параметр, низкочастотные приложения, коэффициент усиления по напряжению

Ссылки

П. М. Хуанг, Принципы электроники, 4-е изд. Нью-Дели: Prentice Hall of India Private Limited, 2006.ch. 4.

Х. Эдвард и Х. Джон, Электрические/электронные транзисторные усилители с переходом. 10-е изд. Нью-Дели: Prentice Hall, 2005.ch. 6.

А. Питтман, «Книга о ламповых усилителях». 4-е изд. Сан-Франциско, Нью-Дели: Backbeat. Издательство С. Чанда, 2003. стр. 123-125.

П. Мальвино, Электронные принципы. 3-е изд. Нью-Дели: Prentice Hall of India Private Limited., 2008. стр. 135–137.

Л. Ф. Флойд, Электронные устройства. 4-е изд. Нью-Дели: Prentice Hall, India private limited, 2006. Ch. 6.

Э. Дж. Анджело, Электроника: биполярные транзисторы, полевые транзисторы и микросхемы. 2-е изд. Нью-Йорк, Сент-Луис, Сан-Франциско, Лондон, Торонто, Мексика, Панама: книжная компания Mc Graw-Hill. 2000. Гл. 3.

А. Б. Агаваи, Электронные устройства и схемы. 5-е изд. Индия: издательство Оксфордского университета, 2007. стр. 177-179.

Дж. Г. Гонсалес, Микроволновые транзисторные усилители — анализ и проектирование. 2-е изд. Нью-Джерси: Прентис Холл, 2003. Гл. 6.

К. Дж. Ванвагонер, Структурированный электронный дизайн: усилители с отрицательной обратной связью. 4-е изд. Бостон: Kluwer Academic Publishers, 2014. Гл. 4.

М. Н. Ибрагим, Х. К. Сох, Х. И. Хамза и А. А. Отман, «Моделирование однокаскадного усилителя BJT с использованием LT SPICE». Международный исследовательский журнал дизайна и коммуникационных систем. стр. 27-33, том 55, 2016.

Н. К. Капхунгкуи «Двухступенчатый каскадный усилитель BJT для усиления очень слабого сигнала». Международный исследовательский журнал инженерии и технологий. стр. 223–224, том 41, 2012 г.

К. О. Леунг и Л. Ф. Мок. «Анализ частотной компенсации многокаскадного усилителя». Международный исследовательский журнал новых технологий в области вычислений и прикладных наук, стр. 1418–1421, том. 34, 2003.

А. П. Сквонг и С. Б. Мурат. «Моделирование многоступенчатой ​​схемы с общим эмиттером с использованием WINSPICE». Международный журнал электронной и информационной инженерии, стр. 141–142, том 4, 2001 г.

Р. Л. Бойлестад, Электронные устройства и теория цепей. 3-е изд. Азия:.Pearson Education, 2010.Ch. 5.

Д. К. Феррис, Элементы электронного дизайна. 5-е изд. Нью-Дели: Prentice Hall of India Private Limited. 2015. Гл. 7

Торо В. Д. Основы электротехники. 2-е изд.. Нью-Дели: Prentice Hall of India Private Limited, 2006.Ch. 5.

CH Christos, Интегрированная электроника: аналоговые и цифровые схемы и системы, изд. для иностранных студентов. Нью-Джерси: Прентис Холл, Тата Макгроу Хилл. 2008.

Загрузки

Данные для загрузки пока недоступны.

##plugins.themes.bootstrap3.article.details##

Как цитировать

[1]

Дан-Абиа, Д.Е., Обот, А. и Удофия, К.М. 2019. Проектирование и анализ многокаскадного усилителя с общим эмиттером для низкочастотных приложений. Европейский журнал инженерных и технологических исследований . 4, 10 (октябрь 2019 г.), 87–92. DOI: https://doi.org/10.24018/ejeng.2019.4.10.1431.

ВЧ-усилитель с высоким коэффициентом усиления для очень низкочастотного приемника

6-я Международная конференция по информационным технологиям и электротехнике (ICITEE), 2014 г., Джокьякарта, Индонезия

просмотров 4,934 Скачиваний 4 406 Размер файла 226 КБ

Отчет DMCA / Copyright

СКАЧАТЬ ФАЙЛ

Рекомендуемые истории

---

Предварительный просмотр цитаты

---

2014 6 -я Международная конференция по информационным технологиям и электротехнике (ICITEE), йогьякарта, Индонезия

Высокий выигрышный Asep Najmurrokhman2 , Sunubroto2 , Chairunnisa1 и Achmad Munir1∗ 1

Радиотелекоммуникационная и микроволновая лаборатория Школа электротехники и информатики, Institut Teknologi Bandung, Индонезия 2 Факультет электротехники, инженерный факультет Университет Джендерал Ахмад Яни, Индонезия ∗ [email protected ]

В связи с широким использованием волн очень низкой частоты (ОНЧ) для исследования природных явлений, таких как молния, землетрясение и погода, абсолютно необходим приемник для применения ОНЧ, особенно с высоким коэффициентом усиления. В этой статье обсуждается проектирование, реализация и определение характеристик усилителя радиочастоты (ВЧ) с высоким коэффициентом усиления для применения в приемнике СНЧ. Предлагаемый усилитель, выполненный на полевом транзисторе (JFET) 2SK170 и операционном усилителе (OpAmp) OP27, предназначен для работы в диапазоне частот ниже 50 кГц. После достижения оптимальной конструкции осуществляется аппаратная реализация путем размещения спроектированного усилителя на печатной плате. Из экспериментальной характеристики видно, что измеренный коэффициент усиления реализованного усилителя на частоте 190,8 кГц удовлетворяет проектным критериям и составляет 46,003 дБ с точкой сжатия 1 дБ -24 дБм. Ключевые слова: ВЧ-усилитель; высокий коэффициент усиления; JFET; операционный усилитель; очень низкочастотный приемник.

I.

I ВВЕДЕНИЕ

ОНЧ-волна, также известная как мириаметровая волна, естественным образом генерируется различными природными явлениями. Молния является одним из явлений, которые генерируют преимущественно ОНЧ-волны в природе. Волны ОНЧ также могут быть созданы человеком электронным способом, где они недавно применялись для многочисленных приложений, таких как радионавигация и военная связь [1]–[2]. Волна в частотном диапазоне 3-30 кГц способна достигать очень больших расстояний и легко зависит от состояния ионосферы. Однако использование такой общей антенны не будет эффективным, поскольку длина волны составляет от 10 до 100 км. Более того, чтобы компенсировать неизбежное влияние природных явлений, определенно требуется высокопроизводительное оборудование для связи на волнах ОНЧ. Уже хорошо известно, что беспроводная связь с использованием волн ОНЧ очень важна, особенно для подводной связи. Кроме того, волна VLF также применяется для наблюдения за погодой и исследований, в которых используются электромагнитные волны. Атмосферная, метеорологическая, электромагнитная система для наблюдения, моделирования и обучения (AWESOME) — один из исследовательских проектов, в котором передатчик ОНЧ-волн распространен по всему миру. Эта работа частично поддерживается исследовательским грантом сотрудничества между вузами 2014 г. 1107/K4/KM/2014 от Главного управления высшего образования Министерства культуры и образования Республики Индонезия.

мир [3]. Надежность связи с использованием волн ОНЧ, безусловно, важна для правильного проведения исследования. Для обеспечения надежности связи с использованием волн ОНЧ радиочастотный усилитель является одним из основных устройств, необходимых для связи. Важно обеспечить возможность дальнейшей обработки волновых сигналов ОНЧ, поступающих на приемник ОНЧ, без искажения информации, содержащейся внутри сигналов. Таким образом, усилитель с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума потребуется для поддержки приемопередающей системы в связи на волнах ОНЧ. В этой статье предлагается исследовать высокочастотный усилитель с высоким коэффициентом усиления для проектирования, реализации и определения характеристик. Предлагаемый усилитель, который предназначен для работы в диапазоне частот ниже 50 кГц для применения в приемнике СНЧ, использует малошумящий JFET 2SK170 и операционный усилитель с высоким коэффициентом усиления OP27 в качестве основных компонентов для достижения требуемых характеристик. Кроме того, ожидается, что усилитель будет иметь хорошую линейность в нужном частотном диапазоне. Таким образом, коэффициент усиления и линейность предлагаемого ВЧ-усилителя будут одними из параметров, которым в большей степени уделяется внимание в процессе разработки. Другие параметры конструкции, такие как коэффициент шума и коэффициент стабильности, также будут включены в исследование для достижения оптимальной конструкции ВЧ-усилителя. II.

ОБЗОР КОНСТРУКЦИИ ВЧ УСИЛИТЕЛЯ

A. Характеристики полевого транзистора и операционного усилителя При проектировании ВЧ усилителя для приемников СНЧ необходимо учитывать несколько параметров, а именно коэффициент усиления, коэффициент шума, чувствительность и линейность. Среди этих параметров в этой статье первому и последнему параметрам, т. е. коэффициенту усиления и линейности, будет уделено больше внимания из-за их важной роли для получения требуемой спецификации. Для достижения поставленных целей в конструкции ВЧ-усилителя с высоким коэффициентом усиления используются полевой транзистор (JFET) 2SK170 и операционный усилитель (OpAmp) OP27. Использование JFET в качестве входного компонента усилителя основано на соображении, что JFET в основном имеет лучшие шумовые характеристики по сравнению с другими типами транзисторов, такими как транзистор с биполярным переходом (BJT) или металлооксид-полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) [4]. [5]. Между тем, для проектирования выбран операционный усилитель OP27, поскольку он обладает способностью точно обрабатывать сигнал в сочетании с высоким коэффициентом усиления и хорошей линейностью. Некоторые параметры JFET 2SK170 и OpAmp OP27 приведены в таблицах I и II соответственно.

978-1-4799-5303-5/14/$31.00 ©2014 IEEE

6-я Международная конференция по информационным технологиям и электротехнике (ICITEE), 2014 г., Джокьякарта, Индонезия

Для достижения оптимальных шумовых характеристик JFET, как уже упоминалось. в [6] JFET должен быть смещен с напряжением 𝑉GS вблизи нуля. Это делается для того, чтобы убедиться, что используемый JFET будет работать правильно и иметь низкий уровень шума. Наоборот, необходимо учитывать характеристику усиления РЧ-усилителя, чтобы сигнал был достаточно усилен после обработки через усилитель. Таким образом, в этой конструкции рабочая точка JFET определяется следующим образом; 𝑉GS = -0,3 В, 𝐼D = 2 мА и 𝑉DS = 13 В. Кроме того, для достижения оптимальных условий некоторые внешние резисторы в качестве делителя постоянного напряжения, подключенного к каждому выводу JFET, имеют следующие значения сопротивления: 𝑅G = 1 кОм, 𝑅S = 150 Ом, 𝑅D = 470 Ом, а напряжение источника постоянного тока 𝑉DD установлено равным 15 В. ТАБЛИЦА I.

PARAMETERS OF JFET 2SK170

Parameter

Symbol

Value

Pinch-off voltage

𝑉to

-0.5211 (V)

Transconductance

𝐵

0.03683 (AV−2 m−2 )

Модуляция длины канала

𝜆

4.982 x 10–3 (V-1)

Дренажного сопротивления

𝑅D

0 (ω)

𝑅S

0 (ω)

𝐼S

1 x 100002 0 (ω)

𝐼S

1 x 100002 0 (ω)

𝐼S

1. 9 (A)

Емкость перехода G-S

𝐶GS

5.647 x 10-11 (F)

𝑃B

4,86 ​​(V)

𝐹C

0,5

𝑇nom

25𝑜 (C)

DESURE DESURENCE DESPACINE COEF. x 10

𝐴f

1

Maximum current

𝐼max

20 x 10−3 (A)

P-N gate emission coefficient

𝑁

1

𝐼 emission coefficient

𝑁r

2

Коэффициент сортировки затвора.

Symbol

470nF

F

Ω

RIN

4,7k

Ω

*

150

Ω

ROUT

Ω

50

*

220

150

Ω

μ

F

CP1

25M

OP27

Ω

220

Ω

RFOUT

μ

F

μ

F

CP2

Figs. 2 и 3 представлены результаты анализа слабого сигнала для коэффициентов отражения и передачи соответственно. Из рис. 2 видно, что хотя значения 𝑆11 и 𝑆22 удовлетворяют критериям проектирования, однако это указывает на то, что для получения оптимальных характеристик конструкции ВЧ-усилителя требуется некоторая оптимизация. Значение 𝑆11 необходимо уменьшить, чтобы уменьшить отраженный сигнал от входного порта к источнику. Следовательно, как видно из рис. 3, коэффициенты передачи также соответствуют спецификации, хотя значение 𝑆21, представляющее коэффициент усиления РЧ-усилителя, все еще нуждается в улучшении. 0

Значение −6

ω

22

μ

10K

Параметры O PA MP OP27

Параметр

25M

Рис. 1. Основная конфигурация RF AMPLIFIR для малого анализа (𝐶P1-RIGLAL (𝐶P1-𝐶P1-𝐶P1-𝐶P1-𝐶P1-𝐶P1-𝐶P1-𝐶P1. и 𝐶P2 компоненты и различное значение 𝑅in ∗ и 𝑅out ∗ предназначены для оптимизации усиления и шумового рисунка)

ЭКООНДА ХУМЕСТА.0002 50

ω

RFIN

−11

𝐶GD

470

50

Сопротивление источника

Потенциал связывания затвора

В малом сигнальном анализе, напряжение AC и ток используются для обеспечения ожидаемого результата. Конденсатор подключен соответственно к входу и выходу ВЧ-усилителя. Здесь конденсатор играет роль блокиратора постоянного тока, чтобы предотвратить протекание сигнала постоянного тока в схему усилителя или наоборот. Емкость конденсатора выбирается достаточно высокой, чтобы создать ровную частотную характеристику, особенно при достижении усиления. Между тем, чтобы обеспечить более высокий коэффициент усиления, для усилителя второго каскада используется операционный усилитель с конфигурацией инвертирующего усилителя. На рис. 1 показана базовая конфигурация схемы ВЧ-усилителя с питанием от JFET 2SK170 и операционного усилителя OP27, где входной порт RFIN подключен к генератору сигналов, а выходной порт RFOUT подключен к нагрузке 50 Ом. Характеристики схемы ВЧ-усилителя анализируются через параметры рассеяния. В СС

Ток насыщения затвора

G-D Contract Cameance

B. Расширение RF Amplier Design and Numerical Healization

Смещение Входное напряжение

𝑉OS

30 x 100003

Входной ток

𝐼OS

12 12 x 10000

(

𝐼OS

12 12. 9000 2

(

𝐼OS 9000

12 12.

Входной смещение ток

𝐼B

± 15 x 10-9 (a)

(V)

1 10–9 (VHZ — 2

𝑒n

3,2

Эк Низ.

0,4 10–12 (AHZ- 2)

Дифференциальный режим входной сопротивление

𝑅in

4 x 106 (ω)

Общий режим входной режима

𝑅in-CM

Общий коэффициент повторного действия

𝐶𝑀 𝑅𝑅

120 (дБ)

Усиление сигнала большого напряжения

𝐴vo

1500 (V/MV)

Выходное напряжение. /𝜇s)

Продукт усиления пропускной способности

𝐺𝐵𝑊

8 (МГц)

Выходная резистентность с открытой петлей

𝑅O

70 (ω)

Диссипация мощности

𝑃D

100 x 10-3 (W)

2 x 10 (ω)

100 x 10-3 (W)

2 x 10 (ω)

100 x 10-3 (W)

2 x 10 (ω)

S11 S22

-10

Эквивалентное напряжение входного шума

1

) B (D Sr et e m ar ap gn eTt ac s

)

-20

-30

-40 0

10

20

30

40

Частота (кГц)

Рис. 2.

Коэффициенты отражения (𝑆11 и 𝑆22) схемы усилителя ВЧ Конструкция ВЧ-усилителя является фактором стабильности. По сути, коэффициент стабильности имеет 2 основных параметра, а именно 𝐾 и Δ. На рис. 4 представлен график двух параметров коэффициента стабильности конструкции ВЧ-усилителя. Следует отметить, что требование устойчивости ВЧ-усилителя выполняется, если значение 𝐾 > 1 и ∣Δ∣

15000

0,05

0,04

10000

Tyili Ba TS

0,03

0,02

K -Factor Statability Δ -Factor

9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 2

9000 2

9000 2

9000 2 10000 2

.

40

0,01

0 50

Частота (кГц)

𝐾-фактор и Δ-фактор-стабильность RF-амплификационной схемы

Рис. 4. 36

83

32

82

83

32

82

0002 40

) B (DT NE ICI FF EO C NO IS SI M SN AR T

S12 S21

0

) B D (N I A G

-409

28

81

Gmax

28

81

Gmax

81

Gmax

81

Gmax

-80

) B d ( e r u ig F e s i o N

Noise figure

-120

24

80

0 0

10

20

30

40

10

50

20

30

40

50

Частота (кГц)

Частота (кГц)

Рис. 3.

Коэффициент передачи (𝑆12 и 𝑆21) из схемы усилителя RF

Фиг. III.

Кроме того, конденсатор связи имеет важное значение в конфигурации схемы ВЧ-усилителя, так как усилитель может обеспечивать высокий коэффициент усиления и низкий уровень шума. Как показано на рис. 1, оптимизация проводится путем добавления конденсатора для улучшения характеристик ВЧ-усилителя. Два конденсатора соединены с резисторами для JFET и OpAmp, то есть 𝐶P1 и 𝐶P2 соответственно. Первый конденсатор (𝐶P1) соединен с резистором, соединяющим вывод источника JFET с землей, а второй (𝐶P2) подключен параллельно резистору, который соединяет неинвертирующий входной вывод операционного усилителя с землей. Эти номиналы конденсаторов выбраны достаточно высокими, чтобы производительность ВЧ-усилителя была намного лучше. Другая оптимизация проводится путем изменения номинала резисторов на входном и выходном портах ВЧ-усилителя, т.е. 𝑅IN* и 𝑅OUT* соответственно. Для входного порта значение резистора, соединяющего вывод затвора JFET с землей (𝑅IN ∗), увеличено для снижения коэффициента шума. Это эффективный метод, так как он может уменьшить входной ток, влияющий на более низкий коэффициент шума. С другой стороны, значение последовательного резистора для выходного порта (𝑅OUT *) уменьшено, чтобы получить более высокий коэффициент усиления усилителя. В таблице III приведены характеристики усилителя после оптимизации на частоте 190,8 кГц как одна из частот, используемых в проекте AWESOME.

III.

C HARACTERISTICS OF RF AMPLIFIER AT FREQUENCY OF 19.8 K H Z Parameter

Value

Gain

47.009dB

Noise figure

1.479dB

Sensitivity

-125.521dBm

1-dB compression point

-26dBm

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОБСУЖДЕНИЕ

Для проверки результатов моделирования осуществляется аппаратная реализация путем размещения расчетной схемы ВЧ-усилителя на печатной плате (PCB). На рис. 6 показано изображение реализованного ВЧ-усилителя на печатной плате. Затем проводится экспериментальная характеристика для измерения некоторых параметров реализованного ВЧ-усилителя для сравнения с результатами проектирования. Из-за отсутствия средств измерения для экспериментальной характеристики экспериментально измеряются только параметры усиления и линейности реализованного ВЧ-усилителя. Измеренное усиление и линейность представлены на рис. 7 и 8 соответственно, а результаты проектирования изображены вместе для сравнения.

2014 6-я Международная конференция по информационным технологиям и электротехнике (ICITEE), Джокьякарта, Индонезия

Коэффициент усиления реализованного РЧ-усилителя, показанного на рис. 7, измерен при входном сигнале на уровне -30 дБм, а линейность, показанная на рис. 8, равна измеряется уменьшением входного сигнала генератора на некоторых других частотах. При характеристике линейности входной и выходной сигнал измеряются на частотах 18 кГц, 19 кГц и 20 кГц. Из результата видно, что коэффициент усиления реализованного ВЧ-усилителя хорошо согласуется с проектным результатом. Некоторая флуктуация измеренного коэффициента усиления вызвана нестабильностью амплитуды генератора сигналов. Аналогичная тенденция имеет место и для линейности реализованного ВЧ-усилителя, в котором результат совпал с проектным результатом. Можно сделать вывод, что реализованный ВЧ-усилитель имеет измеренное усиление 46,003 дБ и точку компрессии 1 дБ для частоты 19.0,8 кГц от -24 дБм, в котором они примерно на 1 дБ ниже, чем результат смоделированного усиления, и на 2 дБ выше, чем результат смоделированной линейности.

30 измерены при 18 кГц, измеренный при 19 кГц, измеренный при проектировании 20 кГц

) 25 м BD (T UP20 TU O

15 10

-30

-28

-26 -24 (DBM)

-28

-26 -24.

-20

Рисунок 8. Измеренная линейность реализованного ВЧ-усилителя для некоторых частот с расчетным результатом для сравнения

OP27 очень хорошо согласуется с расчетным результатом. -сторона была необходима для достижения требований. Конденсатор связи сыграл важную роль в улучшении характеристик ВЧ-усилителя. Из результатов экспериментальных характеристик было продемонстрировано, что реализованный ВЧ-усилитель имеет измеренное усиление 46,003 дБ и 1 -dB точка компрессии для частоты 190,8 кГц -24 дБм, при этом результаты были сопоставимы с результатами проектирования. Однако из-за отсутствия средств измерения не все параметры ВЧ-усилителя можно было охарактеризовать экспериментально. Рис. 6.

Изображение реализованного ВЧ усилителя на печатной плате , Institut Teknologi Bandung (ITB) за сильную поддержку и помощь в описании экспериментальных данных.

46

) B D (N I A G

РАЗВЛЕЧЕНИЕ

44

Измеренный конструкция

42 40 0 ​​

10

20 30 частота (кхц)

40

50

Рис. 7. 7. 70003

40

50

Рис. Измеренный коэффициент усиления реализованного ВЧ-усилителя с результатом проектирования для сравнения

IV. развернуто с использованием JFET 2SK170 и OpAmp

[1] М. А. Персингер, Эффект электромагнитного поля СНЧ и ОНЧ, 1-е изд., Нью-Йорк: Plenum Press, 1974. Атмос. Солнце-Земля. Phys., Vol. 62, pp. 1698–1718, 2000. [3] ————— «AWESOME & SID», http://beta.iswi-secretariat.org/iswiprojects/instruments/awesomesid/, (по состоянию на 23 апреля 2014 г.