L'amplificateur basse fréquence (ci-après dénommé ULF) est un appareil électronique conçu pour amplifier les oscillations basse fréquence à celle dont le consommateur a besoin. Elles peuvent être réalisées sur divers éléments électroniques tels que différents types de transistors, tubes ou amplificateurs opérationnels. Toutes les ULF ont un certain nombre de paramètres qui caractérisent l'efficacité de leur travail.
Cet article parlera de l'utilisation d'un tel appareil, de ses paramètres, des méthodes de construction utilisant divers composants électroniques. Les circuits des amplificateurs basse fréquence seront également pris en compte.
Demande ULF
ULF est le plus souvent utilisé dans les équipements de reproduction sonore, car dans ce domaine technologique, il est souvent nécessaire d'amplifier la fréquence du signal à celle que le corps humain peut percevoir (de 20 Hz à 20 kHz).
Autres applications ULF:
- technologie de mesure;
- défectoscopie;
- informatique analogique.
En général, les amplificateurs de basse font partie de divers circuits électroniques, tels que les radios, les appareils acoustiques, les téléviseurs ou les émetteurs radio.
Paramètres
Le paramètre le plus important pour un amplificateur est le gain. Il est calculé comme le rapport de la sortie à l'entrée. Selon la valeur considérée, ils distinguent:
- gain de courant=courant de sortie / courant d'entrée;
- gain de tension=tension de sortie / tension d'entrée;
- gain de puissance=puissance de sortie / puissance d'entrée.
Pour certains appareils, comme les amplificateurs opérationnels, la valeur de ce coefficient est très grande, mais il n'est pas pratique de travailler avec des nombres trop grands (ainsi que trop petits) dans les calculs, donc les gains sont souvent exprimés en logarithmique unités. Les formules suivantes s'appliquent pour cela:
- gain de puissance en unités logarithmiques=10logarithme du gain de puissance souhaité;
- gain de courant en unités logarithmiques=20logarithme décimal du gain de courant souhaité;
- gain de tension en unités logarithmiques=20logarithme du gain de tension souhaité.
Les coefficients ainsi calculés sont mesurés en décibels. Nom abrégé - dB.
Le prochain paramètre importantamplificateur - coefficient de distorsion du signal. Il est important de comprendre que l'amplification du signal se produit à la suite de ses transformations et de ses changements. Pas le fait que toujours ces transformations se produiront correctement. Pour cette raison, le signal de sortie peut différer du signal d'entrée, par exemple par sa forme.
Les amplificateurs idéaux n'existent pas, donc la distorsion est toujours présente. Certes, dans certains cas, ils ne dépassent pas les limites autorisées, alors que dans d'autres, ils le font. Si les harmoniques des signaux à la sortie de l'amplificateur coïncident avec les harmoniques des signaux d'entrée, alors la distorsion est linéaire et se réduit uniquement à un changement d'amplitude et de phase. Si de nouvelles harmoniques apparaissent à la sortie, la distorsion n'est pas linéaire, car elle entraîne une modification de la forme du signal.
En d'autres termes, si la distorsion est linéaire et qu'il y avait un signal "a" à l'entrée de l'amplificateur, alors la sortie sera un signal "A", et si elle n'est pas linéaire, alors le la sortie sera un signal "B".
Le dernier paramètre important qui caractérise le fonctionnement de l'amplificateur est la puissance de sortie. Variétés de puissance:
- Classé.
- Bruit de passeport.
- Maximum à court terme.
- Maximum à long terme.
Les quatre types sont normalisés par divers GOST et normes.
Vamplificateurs
Historiquement, les premiers amplificateurs ont été créés sur des tubes à vide, qui appartiennent à la classe des appareils à vide.
Selon les électrodes situées à l'intérieur de la fiole hermétique, les lampes se distinguent:
- diode;
- triodes;
- tétrodes;
- pentodes.
Maximumle nombre d'électrodes est de huit. Il existe également des dispositifs à électrovide tels que les klystrons.
Amplificateur triode
Tout d'abord, il est utile de comprendre le schéma de commutation. Une description du circuit amplificateur à triode basse fréquence est donnée ci-dessous.
Le filament qui chauffe la cathode est excité. Une tension est également appliquée à l'anode. Sous l'action de la température, des électrons sont expulsés de la cathode, qui se précipitent vers l'anode, à laquelle un potentiel positif est appliqué (les électrons ont un potentiel négatif).
Une partie des électrons est interceptée par la troisième électrode - la grille, à laquelle une tension est également appliquée, uniquement en alternance. À l'aide de la grille, le courant d'anode (le courant dans l'ensemble du circuit) est régulé. Si un grand potentiel négatif est appliqué à la grille, tous les électrons de la cathode s'y déposeront et aucun courant ne traversera la lampe, car le courant est un mouvement dirigé d'électrons et la grille bloque ce mouvement.
Le gain de la lampe ajuste la résistance qui est connectée entre l'alimentation et l'anode. Il définit la position souhaitée du point de fonctionnement sur la caractéristique courant-tension, dont dépendent les paramètres de gain.
Pourquoi la position du point de fonctionnement est-elle si importante ? Parce que cela dépend de la quantité de courant et de tension (et donc de puissance) qui sera amplifiée dans le circuit amplificateur basse fréquence.
Le signal de sortie de l'amplificateur à triode provient de la zone située entre l'anode et la résistance connectée devant celle-ci.
Amplificateur alluméklystron
Le principe de fonctionnement d'un amplificateur à klystron basse fréquence repose sur la modulation du signal d'abord en vitesse puis en densité.
Le klystron est agencé comme suit: le ballon comporte une cathode chauffée par un filament, et un collecteur (analogue à l'anode). Entre eux se trouvent les résonateurs d'entrée et de sortie. Les électrons émis par la cathode sont accélérés par une tension appliquée à la cathode et se précipitent vers le collecteur.
Certains électrons se déplaceront plus rapidement, d'autres plus lentement - voici à quoi ressemble la modulation de vitesse. En raison de la différence de vitesse de déplacement, les électrons sont regroupés en faisceaux - c'est ainsi que se manifeste la modulation de densité. Le signal modulé en densité entre dans le résonateur de sortie, où il crée un signal de même fréquence, mais plus puissant que le résonateur d'entrée.
Il s'avère que l'énergie cinétique des électrons est convertie en énergie des oscillations micro-ondes du champ électromagnétique du résonateur de sortie. C'est ainsi que le signal est amplifié dans le klystron.
Caractéristiques des amplificateurs à électrovide
Si l'on compare la qualité d'un même signal amplifié par un appareil à tube et ULF sur transistors, la différence sera visible à l'œil nu non en faveur de ce dernier.
N'importe quel musicien professionnel vous dira que les amplis à lampes sont bien meilleurs que leurs homologues avancés.
Les appareils à électrovide sont depuis longtemps sortis de la consommation de masse, ils ont été remplacés par des transistors et des microcircuits, mais cela n'a pas d'importance pour le domaine de la reproduction sonore. En raison de la stabilité de la température et du vide à l'intérieur, les appareils à lampe amplifient mieux le signal.
Le seul inconvénient du tube ULF est son prix élevé, ce qui est logique: il est coûteux de produire des éléments qui ne sont pas très demandés.
Amplificateur à transistor bipolaire
Souvent, les étages d'amplification sont assemblés à l'aide de transistors. Un simple amplificateur basse fréquence peut être assemblé à partir de seulement trois éléments de base: un condensateur, une résistance et un transistor n-p-n.
Pour assembler un tel amplificateur, vous devrez mettre à la terre l'émetteur du transistor, connecter un condensateur en série à sa base et une résistance en parallèle. La charge doit être placée devant le collecteur. Il est conseillé de connecter une résistance de limitation au collecteur de ce circuit.
La tension d'alimentation admissible d'un tel circuit amplificateur basse fréquence varie de 3 à 12 volts. La valeur de la résistance doit être choisie expérimentalement, en tenant compte du fait que sa valeur doit être au moins égale à 100 fois la résistance de charge. La valeur du condensateur peut varier de 1 à 100 microfarads. Sa capacité affecte la quantité de fréquence à laquelle l'amplificateur peut fonctionner. Plus la capacité est grande, plus la fréquence nominale que le transistor peut amplifier est faible.
Le signal d'entrée de l'amplificateur à transistor bipolaire basse fréquence est appliqué au condensateur. Le pôle de puissance positif doit être connecté au point de connexion de la charge et la résistance connectée en parallèle avec la base et le condensateur.
Pour améliorer la qualité d'un tel signal, vous pouvez connecter un condensateur et une résistance connectés en parallèle à l'émetteur, qui jouent le rôle de rétroaction négative.
Amplificateur à deux transistors bipolaires
Pour augmenter le gain, vous pouvez connecter deux transistors ULF simples en un seul. Ensuite, les gains de ces appareils peuvent être multipliés.
Bien que si vous continuez à augmenter le nombre d'étages d'amplification, le risque d'auto-excitation des amplificateurs augmentera.
Amplificateur à transistor à effet de champ
Les amplificateurs basse fréquence sont également montés sur des transistors à effet de champ (ci-après dénommés PT). Les circuits de tels dispositifs ne sont pas très différents de ceux qui sont assemblés sur des transistors bipolaires.
Un amplificateur FET à grille isolée à canal n (type ITF) sera considéré comme un exemple.
Un condensateur est connecté en série au substrat de ce transistor, et un diviseur de tension est connecté en parallèle. Une résistance est connectée à la source du FET (vous pouvez également utiliser une connexion parallèle d'un condensateur et d'une résistance, comme décrit ci-dessus). Une résistance de limitation et une alimentation sont connectées au drain, et une borne de charge est créée entre la résistance et le drain.
Le signal d'entrée des amplificateurs à transistors à effet de champ basse fréquence est appliqué à la grille. Cela se fait également via un condensateur.
Comme vous pouvez le voir dans l'explication, le circuit amplificateur à transistor à effet de champ le plus simple n'est pas différent du circuit amplificateur à transistor bipolaire basse fréquence.
Cependant, lorsque vous travaillez avec PT, les caractéristiques suivantes de ces éléments doivent être prises en compte:
- FET high Rinput=I / Ugate-source. Les transistors à effet de champ sont commandés par un champ électrique,qui est généré par le stress. Par conséquent, les FET sont contrôlés par la tension et non par le courant.
- Les FET ne consomment presque pas de courant, ce qui entraîne une légère distorsion du signal d'origine.
- Il n'y a pas d'injection de charge dans les transistors à effet de champ, donc le niveau de bruit de ces éléments est très faible.
- Ils sont résistants à la température.
Le principal inconvénient des FET est leur grande sensibilité à l'électricité statique.
Beaucoup connaissent la situation où des choses apparemment non conductrices choquent une personne. C'est la manifestation de l'électricité statique. Si une telle impulsion est appliquée à l'un des contacts du transistor à effet de champ, l'élément peut être désactivé.
Ainsi, lorsque vous travaillez avec le PT, il est préférable de ne pas prendre les contacts avec les mains afin de ne pas endommager accidentellement l'élément.
Appareil OpAmp
L'amplificateur opérationnel (ci-après dénommé ampli-op) est un appareil à entrées différenciées, qui a un gain très élevé.
L'amplification du signal n'est pas la seule fonction de cet élément. Il peut également fonctionner comme générateur de signaux. Néanmoins, ce sont ses propriétés amplificatrices qui sont intéressantes pour travailler les basses fréquences.
Pour créer un amplificateur de signal à partir d'un ampli op, vous devez y connecter correctement un circuit de rétroaction, qui est une résistance normale. Comment comprendre où connecter ce circuit? Pour ce faire, vous devez vous référer à la caractéristique de transfert de l'ampli-op. Il a deux sections horizontales et une section linéaire. Si le point de fonctionnementl'appareil est situé sur l'une des sections horizontales, alors l'ampli-op fonctionne en mode générateur (mode impulsionnel), s'il est situé sur une section linéaire, alors l'ampli-op amplifie le signal.
Pour transférer l'ampli-op en mode linéaire, vous devez connecter la résistance de rétroaction avec un contact à la sortie de l'appareil et l'autre - à l'entrée inverseuse. Cette inclusion est appelée rétroaction négative (NFB).
S'il est nécessaire que le signal basse fréquence soit amplifié et ne change pas de phase, l'entrée inverseuse avec OOS doit être mise à la terre et le signal amplifié doit être appliqué à l'entrée non inverseuse. S'il est nécessaire d'amplifier le signal et de changer sa phase de 180 degrés, l'entrée non inverseuse doit être mise à la terre et le signal d'entrée doit être connecté à l'inverseur.
Dans ce cas, il ne faut pas oublier que l'amplificateur opérationnel doit être alimenté avec une puissance de polarités opposées. Pour cela, il dispose de contacts privilégiés.
Il est important de noter qu'il est parfois difficile de sélectionner des éléments pour le circuit amplificateur basse fréquence en travaillant avec de tels appareils. Leur coordination minutieuse est nécessaire non seulement en termes de valeurs nominales, mais également en termes de matériaux à partir desquels ils sont fabriqués, afin d'obtenir les paramètres de gain souhaités.
Amplificateur sur puce
ULF peut être assemblé sur des éléments électrovide, et sur des transistors, et sur des amplificateurs opérationnels, seuls les tubes à vide sont du siècle dernier, et le reste des circuits ne sont pas sans défauts, dont la correction implique inévitablement de compliquer la conception de l'amplificateur. Ce n'est pas pratique.
Les ingénieurs ont depuis longtemps trouvé une option plus pratique pour créer l'ULF: l'industrie produit des microcircuits prêts à l'emploi qui agissent comme des amplificateurs.
Chacun de ces circuits est un ensemble d'amplificateurs opérationnels, de transistors et d'autres éléments connectés d'une certaine manière.
Exemples de quelques séries ULF sous forme de circuits intégrés:
- TDA7057Q.
- K174UN7.
- TDA1518BQ.
- TDA2050.
Toutes les séries ci-dessus sont utilisées dans les équipements audio. Chaque modèle a des caractéristiques différentes: tension d'alimentation, puissance de sortie, gain.
Ils sont fabriqués sous la forme de petits éléments avec de nombreuses broches, faciles à placer sur le tableau et à monter.
Pour travailler avec un amplificateur basse fréquence sur un microcircuit, il est utile de connaître les bases de l'algèbre logique, ainsi que les principes de fonctionnement des éléments logiques ET-NON, OU-NON.
Presque n'importe quel appareil électronique peut être assemblé sur des éléments logiques, mais dans ce cas, de nombreux circuits s'avéreront encombrants et peu pratiques à installer.
Par conséquent, l'utilisation de circuits intégrés prêts à l'emploi qui remplissent la fonction ULF semble être l'option pratique la plus pratique.
Amélioration du schéma
Ce qui précède est un exemple de la façon dont vous pouvez améliorer le signal amplifié lorsque vous travaillez avec des transistors bipolaires et à effet de champ (en connectant un condensateur et une résistance en parallèle).
De telles améliorations structurelles peuvent être effectuées avec presque n'importe quel schéma. Bien sûr, l'introduction de nouveaux éléments augmentechute de tension (pertes), mais grâce à cela, les propriétés de divers circuits peuvent être améliorées. Par exemple, les condensateurs sont d'excellents filtres de fréquence.
Sur les éléments résistifs, capacitifs ou inductifs, il est recommandé de collecter les filtres les plus simples qui filtrent les fréquences qui ne doivent pas tomber dans le circuit. En combinant des éléments résistifs et capacitifs avec des amplificateurs opérationnels, des filtres plus efficaces (intégrateurs, différenciateurs Sallen-Key, filtres coupe-bande et passe-bande) peuvent être assemblés.
En conclusion
Les paramètres les plus importants des amplificateurs de fréquence sont:
- gain;
- facteur de distorsion du signal;
- puissance de sortie.
Les amplificateurs basse fréquence sont le plus souvent utilisés dans les équipements audio. Vous pouvez collecter des données d'appareil pratiquement sur les éléments suivants:
- sur les tubes à vide;
- sur les transistors;
- sur les amplificateurs opérationnels;
- sur les jetons finis.
Les caractéristiques des amplificateurs basse fréquence peuvent être améliorées en introduisant des éléments résistifs, capacitifs ou inductifs.
Chacun des schémas ci-dessus a ses propres avantages et inconvénients: certains amplificateurs sont coûteux à assembler, certains peuvent entrer en saturation, pour certains il est difficile de coordonner les éléments utilisés. Il y a toujours des fonctionnalités auxquelles le concepteur d'ampli doit faire face.
En utilisant toutes les recommandations données dans cet article, vous pouvez construire votre propre amplificateur pour un usage domestiqueau lieu d'acheter cet appareil, qui peut coûter très cher lorsqu'il s'agit d'appareils de haute qualité.
