Расчет усилителя мощности звуковых частот

  Министерство образования   Республики Беларусь 

 

 

Учреждение образования  «Полоцкий государственный университет»

 

 

 

 

 

Кафедра радиоэлектроники

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

По курсу:

“Аналоговые электронные устройства”

 

на тему:

“Расчёт усилителя мощности звуковых частот”

 

Вариант 5

 

 

 

Разработал:         Нелин А.В.

  Группа 05-РТ

 

 

Проверил:         Капралов М.Е.

 

 

 

 

 

Новополоцк

2007 г.

1 Введение

 

Управление энергией в современной технике, как правило, характеризуется тем, что управляемая  мощность значительно превышает мощность, требующуюся для управления. К частному виду управления энергией относится усиление. Отличительными особенностями усиления являются, с одной стороны, превышение управляемой мощности над управляющей и, с другой – плавность процесса управления. Устройство, предназначенное для этой цели, называется усилительным устройством или просто усилителем. Другими словами, усилительное устройство – это устройство, предназначенное для повышения мощности выходного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов (транзисторов, электронных ламп, туннельных диодов).

По диапазону рабочих  частот усилительные устройства подразделяются на:

- усилители постоянного  тока;

- усилители переменного  тока;

Последние, в свою очередь, подразделяются на:

- усилители звуковых частот (УЗЧ) (20 Гц – 20 кГц);

- усилители высоких  частот (20 кГц – 300 МГц);

- усилители СВЧ (свыше  300 МГц);

УЗЧ должны по возможности  равномерно усиливать все частоты  звукового диапазона. Их нагрузка не должна обладать заметными резонансными свойствами. В этих усилителях важно то, чтобы выходной каскад мог обеспечить необходимую на выходе мощность.

Данная курсовая работа содержит расчёт усилителя мощности звуковых частот по заданным параметрам, структурную и принципиальную схемы  усилителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Анализ исходных данных

 

Необходимо произвести расчёт усилителя звуковых частот. Исходными для работы являются следующие  данные:

1. Выходная мощность Рн=10 Вт;
2. Сопротивление нагрузки Rн=3 Ом;
3. Коэффициент гармоник Кг 5%;
4. Полоса усиливаемых частот: Fн=80 Гц, Fв=15 кГц;
5. Коэффициент частотных искажений Мн=Мв=6 дБ;
6. Данные об источнике сигнала: Ес=0,4 В, Rc=50 кОм;
7. Напряжение питания Uпит=15+15 В
8. Температурный диапазон 0-40^оС.

Данный УМЗЧ должен обеспечивать номинальную выходную мощность на нагрузке 3 Ом Рн=10 Вт.

Коэффициент гармоник оценивает  величину нелинейных искажений, которые  появляются в выходном сигнале из-за нелинейности характеристик активных элементов. В данном УЗЧ коэффициент  гармоник не должен превышать 5%.

 Такой параметр как диапазон рабочих частот говорит о том, что спроектированный усилитель должен будет усиливать сигнал как минимум в этих границах (Fн и Fв). Коэффициент частотных при этом как на нижних частотах усиления, так и на верхних не должен превысить 6 дБ.

Как уже говорилось ранее, усилительное устройство – это устройство, предназначенное для повышения  мощности выходного сигнала. На вход этого усилителя поступает сигнал с напряжением Ес=0,4 В, что является очень малой величиной.

Данное напряжение питания Uпит=15+15 В говорит о том, что схему должен будет питать двухполярный источник напряжения.

Все составляющие элементы схемы необходимо будет выбирать в соответствии с температурным  диапазоном, для того, чтобы при  работе в среде с высокой температурой усилитель не вышел из строя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Составление  схем усилителя

3.1 Составление структурной схемы усилителя

 

Усилитель звуковых частот должен обеспечивать достаточно большой  уровень сигнала на выходе. А, исходя из того, что с источника сигнал подаётся очень маленькое напряжение, то в данном случае обеспечить требуемые параметры усилителя можно путём соединения нескольких каскадов. Приблизительная структурная схема

проектируемого УМЗЧ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема УМЗЧ

 

ВхК - входной каскад

КПУ - каскад предварительного усиления

ВыхК - выходной каскад

 

Входной каскад ставится на входе усилителя для увеличения входного сопротивления усилителя.

Выходной каскад ставится на выходе усилителя и обеспечивает усиление мощности полезного сигнала в нагрузку.

Каскад предварительного усиления обеспечивает требуемый уровень сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Разработка принципиальной  схемы усилителя

 

В качестве входного каскада  целесообразнее всего поставить дифференциальный каскад. Этот выбор сделан по ряду причин:

1. Дифференциальный каскад обеспечивает повышенную температурную стабильность предварительного усиления;

2.    У дифференциального каскада сравнительно большое входное сопротивление.

Второе свойство является особенно важным, так как большое входное сопротивление необходимо для согласования схемы усилителя с источником сигнала (сопротивление источника сигнала 50 кОм). Общий вид дифференциального каскада представлен на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Схема дифференциального  каскада

 

Схемная реализация каскада  предварительного усиления представлена на рис 3. Это схема усилителя на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером. Эта схема была выбрана в качестве предварительного каскада потому, что у нее сравнительно большие коэффициенты усиления по напряжению и по току, а также большое входное сопротивление. Недостаток этой схемы – сдвиг фаз между входным и выходным сигналом равен 180°.

Рисунок 3 – Каскад предварительного усиления

Недостаток предварительного каскада  устраняется использованием в выходном каскаде комплиментарной пары транзисторов. Такой выходной каскад представлен  на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема двухтактного оконечного каскада

 

Примерный вид схемы  проектируемого усилительного устройства изображён на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема электрическая  принципиальная усилителя мощности звуковых частот

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчёт усилителя мощности  звуковых частот

4.1 Расчёт оконечного каскада

 

Расчёт усилителя подразумевает  подбор элементной базы и параметров элементов таким образом, чтобы  они могли обеспечить требуемую  мощность на заданную нагрузку. Расчёт необходимо начинать с оконечного каскада. В качестве выходного каскада для проектируемого УМЗЧ был выбран бестрансформаторный двухтактный каскад.

По полученным данным можно рассчитать следующие параметры:

1. Максимальное напряжение в нагрузке В;
2. Максимальный ток, протекающий через нагрузку А;

Зная максимальный ток в нагрузке и напряжение питания (Епит=15 В) можно определить допустимые параметры для биполярных транзисторов выходного каскада:

, - ток коллектора покоя

По справочной литературе подбираются следующие транзисторы:

VT6 – КТ819Б, VT7 – КТ818Б

Их предельно допустимые параметры:

Входная и выходная характеристики транзистора КТ819Б представлены на рисунках 6 и 7 соответственно.

Рисунок 6 – Входная характеристика транзистора КТ819Б

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Выходная характеристика транзистора КТ819Б

 

По заданию на нагрузке требуется мощность 10 Вт. Так как выходной каскад представлен двухтактным усилителем, то один транзистор (так как пара КТ818Б и КТ819Б является комплиментарной) должен выдавать в нагрузку (с учётом влияние ООС) мощность, примерно, 5,5 Вт.

По рисунку 7 Uкэm и Iкэm подбираются таким образом, чтобы была равна пяти с половиной ваттам (половина произведения берётся из-за того, что мощность рассчитывается как произведение действующих значений тока и напряжения, которые в раз меньше амплитудных). Пускай транзистор VT6 работает в режиме АВ. Тогда по рисунку 7:

Напряжение определяется по входной характеристике транзистора (рисунок 6):

По рисунку 6 определяется амплитудное значение напряжения и тока на базе транзистора VT6:

Резистор R11 для верхнего плеча оконечного каскада соединён последовательно с резистором Rн. Резисторы R11 и R12 полезны в том смысле, что улучшают стабильность режима, способствуют снижению частотных искажений и несколько выравнивают параметры плеч двухтактного каскада, что приводит к уменьшению нелинейных искажений, обусловленных асимметрией плеч. То есть транзистор VT6 работает на нагрузку . Тогда сопротивление можно определить из следующего соотношения:

 

 

Входное сопротивление транзистора VT6 (VT6 включён по схеме с общим коллектором) определяется по формуле:

,

где h11 - входное сопротивление транзистора (определяется по входной характеристике),

      h21 – коэффициент передачи по току (определяется по выходной характеристике).

По рисункам 6 и 7 определяются соответственно:

 

Зная эти параметры можно  найти входное сопротивление  каскада:

 

 

Следующие два транзистора, VT4 и VT5, должны обеспечивать базы транзисторов VT6 и VT7 токами по 52 мА. Такие токи могут дать следующие транзисторы:

VT4 – КТ815А, VT5 – КТ814А

Их предельно допустимые параметры:

 

Входная и выходная характеристики транзистора КТ815А представлены на рисунках 8 и 9 соответственно.

Рисунок 8 – Входная характеристика для транзистора КТ815А

 

 

 

 

 

Рисунок 9 – Выходные характеристики для транзистора КТ815А

 

Напряжение  и ток необходимо подобрать таким образом, чтобы на последующем каскаде (который для верхнего плеча состоит из входного сопротивления транзистора VT6 и сопротивления R9) рассеивалась оптимальная мощность.

 

Путём подбора по рисунку 9 были выбраны следующие значения:

Резисторы R9 и R10 выполняют такую же функцию, как и резисторы R11 и R12 для каскада с транзисторами VT6 и VT7.

Ток на резисторе R10 определяется из условия

Отсюда следует:

 

 

Нагрузкой для транзистора VT4 служит параллельное соединение .

Зная ток, протекающий в этой нагрузке ( ; это амплитудное значение), можно найти мощность, рассеиваемую в :

(здесь производится деление  на 2 из-за того, что для нахождения  мощности необходимо знать действующее  значение тока, которое в  раз меньше амплитудного).

По определённым по рисунку 9 параметрам можно определить мощность, выдаваемую транзистором в последующий каскад:

Запас мощности взят с  учётом ООС.

По рисунку 9 определяется амплитудное  значение тока базы транзистора VT4:

 

 

Так же по рисунку 9 определяется коэффициент передачи VT4 по току:

По рисунку 8 – входное  сопротивление транзистора VT4:

Зная эти параметры можно  определить входного сопротивление  каскада на транзисторе VT4:

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Расчёт предоконечного  каскада

 

Из расчёта каскада  на транзисторах VT4 и VT5 видно, что транзистор VT3 должен обеспечивать оба транзистора токами базы по 3 мА. В приближении это означает, что максимальный ток коллектора транзистора VT3 должен быть больше 3 мА.

Такой ток может обеспечить следующий n-p-n транзистор:

VT3 – КТ315В

Его предельно допустимые параметры:

Выходные ВАХ этого  транзистора представлены на рисунке 10.

 

 

Рисунок 10 – Выходные характеристики транзистора КТ315В

 

Одним из параметров, который  также послужил причиной выбора данного  транзистора, является максимальная мощность коллектора Pkmax. У КТ315В этот параметр равен

  . В рассчитываемом УМЗЧ этот транзистор не будет нуждаться в охлаждающем устройстве.

Зная ток на базах  транзисторов VT4 и VT5 и подбирая ток коллектора от VT3, находятся токи на резисторах R7 и R6:

, где  принимается равным  току .

Падения напряжений на резисторах R6 и R7 находятся из следующего условия:

Здесь U8 – это падение напряжения на резисторе R8, (так как ).

 

Резистор  R8 по постоянному току вместе с входным сопротивлением транзистора VT3 ( ) определяют входное сопротивление предоконечного каскада. Для того чтобы это сопротивление было сравнительно большим необходимо сопротивление резистора R8 взять порядка кОм. Пускай R8=960 Ом, тогда входное сопротивление предоконечного каскада равно:

 

Пусть на участке коллектор-эмиттер  транзистора VT3 действует напряжение =3 В. По рисунку 10 - =15 мА. Тогда:

Зная, что отношение тока на резисторе R7 к току на резисторе R6 равно 1,33 можно предположить, что отношение напряжений U6 к U7 при рассмотрении только предоконечного каскада также будет равно 1,33. Тогда:

 

Зная это можно определить параметры резисторов R6 и R7:

 

 

Сопротивление нагрузки для предоконечного каскада - .

Как и в предыдущем пункте определяем мощность, выдаваемую транзистором и мощность, рассеиваемую в нагрузке:

 

 

По рисунку 10 определяется амплитудное значение тока базы транзистора VT3:

 

 

4.3 Расчёт входного каскада  и цепи обратной связи

 

Входной каскад проектируемого усилителя выполнен на дифференциальном каскаде. Данный каскад, как уже говорилось выше, обладает большим входным сопротивлением. Большое входное сопротивление необходимо для согласования входа УМЗЧ с источником сигнала.

Транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры. Транзистор VT1 должен обеспечивать базу транзистора VT3 током 0,22 мА. По справочной литературе был выбран следующий транзистор:

VT1, VT2 – КТ209В             

Его выходные характеристики представлены на рисунке 11.

 

 

Рисунок 11 – Выходные характеристики транзистора КТ209В

 

Пусть на участке коллектор-эмиттер  транзистора VT1 действует напряжение . По рисунку 11 определяется ток коллектора (учитывая то, что этот транзистор работает в режиме А): . Тогда, зная ток на базе транзистора VT3, и учитывая, что , определяется сопротивление резисторов R2 и R3:

 

 

И в одной и в  другой формуле берётся удвоенный  ток коллектора из-за того, что на оба резистора поступают токи от двух транзисторов: VT1 и VT2.

 

В схему проектируемого усилителя включена цепь отрицательной  обратной связи (ООС), которая охватывает весь усилитель и подключается к  смесительному каскаду, выполненному на транзисторе VT2. Она уменьшает коэффициент усиления и понижает уровень сигнала на выходе. Однако ООС необходима так как она улучшает стабильность усиления; снижает уровень нелинейных искажений сигнала; определяет полосу рабочих частот усилителя. В данном усилителе цепь ООС составляют следующие элементы: .

Коэффициент усиления схемы  с ООС определяется по следующей  формуле:

, где  - коэффициент обратной связи.

Коэффициент ещё можно определить следующим образом:

, где  - входное сопротивление для цепи ООС, образованное параллельным соединением цепи R4C2 с входным сопротивлением транзистора VT2 (VT2 включён по схеме с ОК).

Сопротивление резистора R5 можно найти из следующего условия:

 

 

 

Коэффициент передачи по напряжению усилителя без ООС:

Зная коэффициент передачи по напряжению можно найти сопротивление  резистора R4 из следующего выражения:

 

 

Для определения входного сопротивления транзистора VT2 необходимо определить его h11 и h21 (по рисункам 12 и 11 соответственно).

Так как  транзистора VT2 одновременно представляет собой выходное сопротивление каскада ОК, то его входное сопротивление следует находить следующим образом:

 

 

Рисунок 12 – Входная  характеристика транзистора КТ209В

Ёмкость конденсатора С2 можно определить, зная нижнюю частоту полосы пропускания, из следующей формулы:

  Соответственно ряда Е24 –  3 мкФ

Зная параметры R4, Rin2 и С2 можно найти величину :

 

Так как эта цепь ООС частотнозависимая, то и глубина обратной связи тоже будет меняться с изменением частоты входного сигнала. На рисунках 13 и 14 приведены соответственно зависимости

Рисунок 13 – Зависимость  реактивного сопротивления ХС2 от частоты сигнала

 

Рисунок 14 – Зависимость  глубины ОС от частоты сигнала

 

Из рисунка 14 видно, что  величина F максимальна при частоте равной Fн и равна 2,32, а минимальна при частоте Fв и равна 1,98. Среднее значение глубины ОС, 2,15, достигается при частоте .

 

 

 

 

Сопротивление резистора R1 берётся равным сопротивлению резистора R5

 

 

Также на входе схемы  присутствует разделительный конденсатор  С1. Он предотвращает поступление  постоянного тока, так как при частоте его сопротивление будет равно бесконечности. Достаточно будет взять конденсатор ёмкостью 10 мкФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Расчёт нелинейных искажений

5.1 Оконечный  каскад: VT6, VT7

 

Транзисторы VT6 и VT4 образуют составной транзистор. Здесь будет ООС с очень большой глубиной обратной связи:

 

Коэффициент нелинейных искажений будем определять, используя  метод пяти ординат. Для этого  необходимо построить проходную  характеристику транзистора.

Если Rвх=38,4 Ом, то Rc Ом.

Данные для построения проходной характеристики приведены  в таблице 1.

 

Таблица 1:

Iб, (A)	Iк, (A)	Uэб, (B)	Iб* Rс,  (B)	Ec, (B)
0,002	0,1	0,68	0,46	1,14
0,004	0,2	0,7	0,92	1,62
0,008	0,36	0,72	1,84	2,56
0,01	0,4	0,74	2,3	3,04
0,015	0,66	0,76	3,45	4,21
0,02	1	0,8	4,6	5,4
0,04	1,94	0,85	9,2	10,05
0,06	2,2	0,88	13,8	14,68

 

Полученная проходная  характеристика показана на рисунке 15.

Рисунок 15 – Проходная характеристика КТ319Б

 

i1=2,2 A; i2=1,66 A; i3=0,36 A; i4=0,24 A; i5=0,1 A

 

Расчёт четырех гармоник тока коллектора:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2 Оконечный каскад: VT4, VT5

 

Также как и в пункте 5.1 определяется глубина ООС транзистора:

Данные для построения проходной характеристики этого  каскада представлены в таблице 2.

 

Таблица 2:

Iб, (мA)	Iк, (мA)	Uэб, (B)	Iб* Rс,  (B)	Ec, (B)
0,1	5	0,64	50,4	51,04
0,3	10	0,734	151,2	151,934
0,5	20	0,76	252	252,76
0,8	60	0,78	403,2	403,98
1	100	0,8	504	504,8
2	140	0,82	1008	1008,82
3	190	0,83	1512	1512,83
3,5	210	0,84	1764	1764,84

 

Полученная проходная  характеристика представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 – Проходная  характеристика КТ815А

 

i1=210 мA; i2=140 мA; i3=20 мA; i4=10 мA; i5=5 мA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3 Предоконечный каскад: VT3

 

Рассчитаем глубину ООС по следующей формуле:

Здесь коэффициент усиления каскада по напряжению определяется следующим образом:

, где параметр h21=53, а h11=40 Ом (по рисунку 10 и из справочной литературы соответственно).

Коэффициент передачи ООС  определяется из следующего выражения:

Тогда глубина ООС:

Данные для построения проходной  характеристики для этого каскада  представлены в таблице 3.

Таблица 3:

Iб, (мA)	Iк, (мA)	Uэб, (B)	Iб* Rс,  (B)	Ec, (B)
0,2	15	0,56	400	400,56
0,3	24	0,6	600	600,6
0,4	30	0,62	800	800,62
0,5	36	0,64	1000	1000,64
0,57	42	0,65	1140	1140,65
0,62	45	0,65	1240	1240,65

 Полученная по таблице  3 проходная характеристика представлена  на рисунке 17.

Рисунок 17 – Проходная  характеристика КТ315В

i1=45 мA; i2=30 мA; i3=14 мA;

 

Используя метод трёх ординат для данного каскада, получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4 Входной  каскад: VT1, VT2

 

Для входного каскада, как  и для оконечного и предоконечного, также необходимо рассчитать коэффициент гармоник.

Входным сопротивлением для одной части входного каскада (допустим – левой, на транзисторе VT1) является параллельное соединение резистора R1 и входного сопротивления . Где последнее определяется из следующей формулы:

 

В таблице 4 представлены данные для построения проходной  характеристики данного каскада.

 

Таблица 4:

Iб, (мA)	Iк, (мA)	Uэб, (B)	Iб* Rс,  (B)	Ec, (B)
0,05	10	0,644	1395	1395,644
0,052	10,4	0,648	1450,8	1451,448
0,054	10,8	0,652	1506,6	1507,252
0,0565	11,3	0,656	1576,35	1577,006
0,057	11,4	0,66	1590,3	1590,96

На рисунке 18 показана сама проходная  характеристика.

Рисунок 18 – Проходная  характеристика КТ209В

i1=11,4 мA; i2=10,77 мA; i3=10 мA;

 

В итоге суммарный  коэффициент гармоник, определяющий нелинейные искажения всего усилителя  будет равен:

А с учётом обратной связи:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Вывод

Результатом проделанной  работы является усилитель звуковых частот. Данный усилитель удовлетворяет предъявленным требованиям, таким как заявленная мощность в нагрузке, коэффициент нелинейных искажений, не превышающий критического значения в 5%. Усилитель спроектирован на отечественной элементной базе.

Из-за довольно большой  заявленной мощности в нагрузке оконечный  каскад, а точнее – транзисторы VT6 и VT7, выдают мощность большую максимально допустимой. Для надёжной работы усилителя, для защиты транзисторов от перегрева и выхода из строя и для безопасной эксплуатации разработанного усилителя  эти транзисторы необходимо соединить с радиатором, а радиатор – с корпусом устройства. Для ещё более лучшего охлаждения в корпусе усилителя рекомендуется сделать несколько перфорационных отверстий.