Универсальный усилитель сигналов звуковой частоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Аналоговые электронные устройства»

Тема: «Универсальный усилитель сигналов звуковой частоты»

 

 

 

 

 

Оглавление

 

Введение…………………………………………………………………….3

1. Разработка структурной схемы……………………………………..4

• Анализ технического задания………………………………………4

• Разработка структурной схемы……………………………………..5
• Определение числа каскадов………………………………………..6
• Разработка принципиальной схемы……………………………...8
• Выбор схемы УМ………………………………………………….8
• Выбор цепи термостабилизации……………………………………9
• Расчет оконечного каскада………………………………………...10
• Расчет предоконечного каскада…………………………………...13
• Расчет входного каскада…………………………………………...16
• Расчет узлов предварительного усиления………...……………...19
• Расчет мостового регулятора тембра…………...………………...19
• Расчет каскада предварительного усиления 2…………………....22
• Расчет каскада предварительного усиления 1…………………....26
• Расчет регулировки громкости………………………...………….29

Заключение…………………………………………………...…………...30

Список используемой литературы……………………………………….31

Приложение………………………………………………...……………..32

 

Введение

 

Усилитель сигналов звуковой частоты выполняет функцию усиления и коррекции сигналов звукового  диапазона частот. В качестве источника  такого сигнала может выступать телевизионный приемник, радиоприемник, магнитофон, проигрыватель компакт дисков или грампластинок, звуковая карта персонального компьютера.

УСЗЧ должен обладать по возможности линейной амплитудной  характеристикой, чтобы в выходном сигнале по возможности отсутствовали побочные продукты. Линейность амплитудной характеристики оценивается допустимым коэффициентом гармоник k_Г. Чем меньше коэффициент гармоник, тем более линейная амплитудная характеристика. При субъективной оценке качества звучания допустимым уровнем коэффициента гармоник можно считать уровень k_Г=1%, так как меньшее значение коэффициента гармоник на слух мало заметно.

Важным параметром УСЗЧ является диапазон рабочих частот. Так как диапазон частот, различаемых  человеческим ухом, занимает полосу от 20 Гц до 20 кГц, то диапазон частот УСЗЧ делать шире 20 Гц … 20 кГц особого смысла не имеет. Сужение диапазона частот УСЗЧ приводит к ухудшению качества звучания фонограммы (с уменьшением верхней рабочей уменьшается «объемность» звука, а с увеличением нижней рабочей уменьшается «мощь» звука).

Для достижения приемлемого качества звучания необходимо, что УСЗЧ выдавал достаточную мощность. Уровень шума в квартире в дневное время суток составляет около 30 дБ. Практический опыт показывает, что выходная мощность усилителя для качественного звучания должен составлять 4 … 5 Вт.

Любой усилитель обладает определенным коэффициентом шума. Коэффициент шума усилителя определяет его реальную чувствительность. Чем меньше коэффициент шума, тем выше чувствительность (тем меньшее напряжения надо подать на вход, чтобы получить номинальную выходную мощность).

 

1. Разработка структурной схемы

 

1.1 Анализ технического задания

 

В задании на схемотехническое проектирование усилителей сигналов звуковой частоты используются следующие  параметры:

1. выходная мощность: P_н = 15 (Вт)
2. сопротивление нагрузки: R_н = 4 (Ом)
3. коэффициент гармоник: k_Г = 0,2 (%)
4. ЭДС источника сигнала: E_Г = 3 (мВ)
5. сопротивление источника сигнала: R_н = 6 (кОм)
6. нижняя граничная частота: f_н = 10 (Гц)
7. верхняя граничная частота: f_в = 20 (кГц)
8. частотные искажения: M_в = M_н = -3 (дБ)
9. глубина регулировки тембра: Δb_Т = ±12 (дБ) регулировка тембра раздельная по верхним и нижним частотам
10. рабочая температура t = 60 (°C)

 

1. Разработка структурной схемы

 

Усиление представляет собой процесс преобразования энергии  от некоторого ее источника в результате воздействия на него сигнала. Усиление представляет собой процесс увеличения мощности источника сигнала. Устройство, обладающее способностью увеличивать (усиливать) мощность источника сигнала, называется усилителем (рис. 1.1). Таким образом, неотъемлемым свойством усилителя является его способность увеличивать мощность сигнала, получая P₂>P₁. Элементы, обладающие способностью усиливать, называются усилительными элементами (УЭ).

 

Простейший усилитель  содержит один УЭ. При необходимости получения большого усиления используется усилитель, состоящий из нескольких УЭ, соединяемых так, что сигнал, усиленный одним элементом, подводится к следующему и т.д., и элементов связи (ЭС). Один УЭ с присоединенными к нему ЭС образуют каскад усиления – минимальную часть усилителя, сохраняющую его функцию. В общем случае усилитель содержит несколько каскадов усиления, образуя многокаскадное устройство. Входной и несколько последующих каскадов составляют группу каскадов предварительного усиления. Их назначение – усиление входного сигнала до такого значения, при котором обеспечивается возбуждение выходного каскада.

 

1. Определение числа каскадов

 

Расчет производится, исходя из требуемого усиления сигнала  по напряжению.

1. Определяем номинальный сквозной коэффициент передачи:

.  (1.1)

2. Задаемся необходимым запасом усиления для обеспечения заданных характеристик усилителя:

а) на введение ООС запас численно равен глубине обратной связи F, обеспечивающей снижение нелинейных искажений оконечного усилителя до установленного заданием предела:

,  (1.2)

где = 15…20 % - коэффициент гармоник оконечного двухтактного каскада без ООС;

б) запас на регулировку тембра определяется коэффициентом коррекции частотной характеристики:

;  (1.3)

в) технологический запас, учитывающий разброс параметров компонентов:

.

3. Требуемый сквозной коэффициент усиления:

.  (1.4)

4. Определяем число каскадов усиления по напряжению:

,  (1.5)

где = 30 … 40 – усредненный коэффициент усиления по напряжению для одного каскада.

5. Определяем необходимость мер по согласованию цепей передачи сигнала в усилительном тракте.

Для уменьшения потерь в  цепи источника сигнала входное сопротивление усилителя должно удовлетворять условию:

.  (1.6)

Входное сопротивление  усилителя зависит от схемы включения, режима работы и параметров транзисторов. Типовые значения каскадов предварительного усиления на биполярных транзисторах составляют:

при включении ОЭ  ,

при включении ОК  .

Для каскадов, собранных на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом:

при включении ОИ  ,

при включении ОС  .

Как видно из полученных значений входного сопротивления, в каскаде предварительного усиления должен быть применен биполярный транзистор по схеме общий коллектор (ОК).

6. Определяем места включения регулировок:

Т.к. для схемы с ОЭ не выполняется условие (1.6), то на входе усилителя желательно включить дополнительный согласующий каскад (СК) по схеме ОК (эмиттерный повторитель). Поскольку повторитель не усиливает по напряжению, то данный каскад не входит в число каскадов, рассчитанное по формуле (1.5).

Регулятор усиления (РУ), как правило, ставится на входе усилителя. Однако в нашем случае (ε_i = 3 мВ) для снижения шумов и помех, вносимых регулятором, его ставят после первого каскада усиления напряжения. Пассивный регулятор тембра (РТ) чувствителен к изменению сопротивления внешних цепей, поэтому от регулятора усиления его необходимо отделять как минимум одним каскадом. Полученная схема выглядит следующим образом:

На рис. 1.2 приняты следующие обозначения:

СК – согласующий  каскад;

КПУ1, КПУ2 – каскады  предварительного усиления;

РУ – регулятор  усиления;

РТ – регулятор  тембра;

ВК – входной каскад усилителя мощности (УМ);

ПОК – предоконечный  каскад УМ;

ОК – оконечный  каскад УМ;

ООС – цепь обратной связи УМ;

БП – блок питания;

ФП – фильтр питания.

 

• Разработка принципиальной схемы усилителя мощности

 

Выбор схемы УМ

 

Схема усилителя для стационарной аппаратуры 1-ой и высшей групп сложности  представлена на рис. 2.1. В такой аппаратуре допустимо использование двуполярного питания. Это дает возможность подключить нагрузку непосредственно к выходу оконечного каскада, и, что особенно важно, обеспечить нулевое постоянное напряжение на нагрузке. На транзисторах VT1 и VT2 собран так называемый дифференциальный каскад (ДК). У него два входа: левый по схеме – инвертирующий, правый – неинвертирующий. Резистором R3 устанавливается ток покоя.

R₂ – нагрузка VT1 по постоянному току.

R₁ обеспечивает привязку базы VT1 к нулевому потенциалу.

С₂ – параллельная по напряжению частотно-зависимая ООС, служащая для обеспечения устойчивости схемы.

R_t – условное обозначение цепи, создающей начальное смещение на базах VT4 и VT5 и обеспечивающей термостабилизацию.

R₆, R₇ – коллекторная нагрузка транзистора VT3 по постоянному току, причем R₆+R₇>>R_t.

C₃ – следящая ОС по цепи питания транзистора, или схема вольтдобавки  - усраняет протекание переменного тока по цепи R₆→R₇→земля и соответственно увеличивает коэффициент усиления каскада на транзисторе VT2.

R₉=R₁₀=(0.05…0.1)R_н – местная ОС, выравнивает параметры пары транзисторов оконечного каскада. R₉=R₁₀=0.075∙4=0.3 (Ом)

Эта схема имеет ряд  важных преимуществ:

1) высокая температурная  стабильность, обеспечивающая поддержание  нулевого потенциала в точке  «0» (на сопротивлении R_н) с высокой точностью; это достоинство определяется уникальными свойствами дифференциального каскада;

2) в схеме можно  получить большее усиление в  петле ООС, т.к. в ДК отсутствует  местная ООС.

 

2. Выбор цепи термостабилизации

 

Схема на транзисторе (рис. 2.2) применяется в носимой и бортовой аппаратуре.

 

Диапазон рабочих температур -20…+50°С. Напряжение смещения определяется выражением:

(В),  (2.1)

где U_обэ – постоянное напряжение на переходе эмиттер-база транзистора VT. Ток через делитель R_бт – R_п выбирается согласно следующему соотношению:

(мА).  (2.2)

Транзистор VT крепится на радиаторе оконечного каскада.

 

• Расчет оконечного каскада

 

 

1. Определяем амплитуду напряжения  и тока на нагрузке:

 ;  (2.3)

;  (2.4)

2. Определяем напряжения  источника питания:

,   (2.5)

где =1…3 (В) – остаточное напряжение на полностью открытом транзисторе выходного каскада при P=1…10 (Вт). Но всегда >0.4…0.7 (В). E₀ должно иметь запас 10…15%, т.е.

;  (2.6)

E₀ выбираем из стандартного ряда Е12, равное 33 В.

Определим максимальную мощность обычного двухтактного каскада:

(Вт)  (2.7)

3. Определяем максимальную  мощность, рассеиваемую на коллекторах выходных транзисторов:

.  (2.8)

4. Определяем желаемый  коэффициент усиления по току h₂₁ для выходных транзисторов:

,  (2.9)

где P_П =10…20 мВт – выходная мощность предоконечного каскада, работающего в режиме А. В нашем случае примем P_П =20 мВт.

5. Выбираем транзисторы  оконечного каскада (VT4, VT5 см. рис. 2.1) по следующим параметрам:

(Вт);  (2.10)

(А);  (2.11)

(В);   (2.12)

;     (2.13)

(кГц);  (2.14)

Выбранные транзисторы: VT4 – КТ972Б и VT5 – КТ973Б.

6. Для завершения расчета оконечного  каскада необходимо проверить  смогут ли выходные транзисторы  нормально работать без дополнительного теплоотвода.

Максимально допустимая мощность рассеивания  на коллекторе P_{к доп} при заданной температуре окпужающей среды t_{c max} и отсутствии радиатора определяется выражением:

,   (2.15)

где t_{п max} – максимальная температура перехода коллектор-база, t_{c max} – максимальная температура окружающей среды, R_{t пс} – тепловое сопротивление промежутка переход-среда. Обычно t_{п max} выбирается на 5-10% ниже максимальной температуры, указанной в справочнике для материала, из которого изготовлен транзистор. Тепловое сопротивление радиатора и площадь его поверхности находятся с помощью выражений:

(C/Вт);  (2.16)

(см²),  (2.17)

где R_{t кс} – тепловое сопротивление промежутка корпус транзистора-окружающая среда (радиатора), R_{t пк} – тепловое сопротивление промежутка коллекторный переход-корпус транзистора (справочная величина).

7. Определим постоянный ток и мощность, потребляемые оконечным каскадом от источника питания, и коэффициент полезного действия:

(А);  (2.18)

(Вт);  (2.19)

  (2.20)

На этом расчет оконечного каскада  можно считать оконченным. Результаты расчета отобразим в таблицах:

(мА)  (2.21)

(мА)  (2.22)

Транзисторы

 

	Тип	Pк доп, Вт	Iк доп, А	Uк доп, В	h21 min	h21 max	fh21, МГц
VT4	n-p-n	8	4	45	750	—	200
VT5	p-n-p	8	4	45	750	—	200

 

Режимы

 

	h21	I0б	I0к	Iкм	Iбм	Uкм	Rвх	Pк	S
Разм.	—	мА	мА	А	мА	В	Ом	Вт	см2
VT4	750	0,37	274	2.74	3.7	10.95	3000	8	149

 

4. Расчет предоконечного каскада

 

 

Для расчета необходимо иметь следующие исходные данные:

амплитуду тока базы выходных транзисторов:

(мА);   (2.23)

входное сопротивление оконечного каскада:

(кОм);  (2.24)

напряжение смещения(напряжениями на резисторах R₉ и R₁₀ как правило можно пренебречь):

(В),   (2.25)

где U_бэ4=U_бэ5≈0.5…0.6 В для режима В.

Перейдем непосредственно к расчету.

1. Задаемся током покоя:

(мА),  (2.26)

но при этом в любом  случае I_ок3>(1…2) мА – требование температурной стабильности.

2. Выбираем R₇=(30…50)R_н:

(Ом), из ряда E12 R₇=150 (Ом).

3. Рассчитываем R₆:

(Ом), (2.27)

из ряда E12 R₆=1200 (Ом).

4. Емкость С₃ рассчитывается из соображений, приведенных при описании формулы:

,   (2.28)

где М_н – затухание (в разах), вносимое емкостью С на нижней рабочей частоте f_н при сопротивлении внешних цепей R, выбирается при распределении заданных частотных искажений между емкостями. В качестве сопротивления R принимаем:

(Ом)  (2.29)

Допустимые частотные  искажения 3 дБ.

Емкость С₃ рассчитывается по формуле:

(мкФ)  (2.30)

из ряда E12 C₃=560 (мкФ).

5. Выбираем VT3 по следующим параметрам:

(Вт),  (2.31)

где

(Вт);  (2.32)

(мА),  (2.33)

где

(мА);  (2.34)

(В);  (2.35)

(кГц).  (2.36)

Теперь выбраем транзистор VT3 с возможно большим h_21.

Возьмем транзистор КТ668В.

6. Расчет цепи смещения.

Рассмотрим схему на транзисторе (рис. 2.2).

а) находим ток делителя:

  (мА)  (2.37)

б) выбор VTt практически определяется допустимым током:

(мА)   (2.38)

Возьмем транзистор КТ340Г.

в) определим R_бт (U_бэт≈0.5-0.6 В):

(мОм)   (2.39)

г) определим R_П , учитывая, что номинальный режим соответствует среднему положению движка:

(Ом)  (2.40)

возьмем R_П=560 Ом.

7. Определим входное сопротивление  ПОК. Оно практически определяется  входным сопротивлением транзистора.

(Ом) (2.41)

где  (Ом)  (2.42)

(мА)  (2.43)

(Ом).  (2.44)

8. Определяем коэффициент  усиления каскада по напряжению:

,   (2.45)

где h_21э3 ≈ R_вх3.

Пользуясь результатами расчета, заполним таблицы:

Транзистор

 

VT3	тип	h21	Iк доп, А	Pк доп, Вт	Uк доп, В	fh21, МГц
КТ668В	p-n-p	220…475	0.1	0.5	45	200

 

Режимы

 

	Iок, мА	Iоб, мА	Iбм, мА	Iкм, мА	Rвх, Ом	K
VT3	11.1	0.05	0.07	14.8	597.25	1105

 

 

2.5 Расчет входного каскада

 

 

Исходные данные: R_вх3=597.25 (Ом); I_бм3=I_км3/h_21э3=14.8/220=0.07 (мА)

Сначала рассмотрим входной каскад схемы (рис. 2.1).

1. Задаем постоянный  ток коллектора VT1:

(мА)  (2.46)

2. Выбираем транзисторы VT1 и VT2 по критериям:

(мА)  (2.47)

(кГц)  (2.48)

Возьмем транзистор КТ206А.

3. Рассчитываем R₂:

(Ом),  (2.49)

где U_бэ3=0.6…0.7 (В); I_0б3=I_0к3/h_21э3.

Из стандартного ряда Е12 выбираем R₂=1200 (Ом).

4. Рассчитываем R₃:

(Ом),  (2.50)

где I_0э1=I_0к1+I_0к1/h₂₁=I_0к1+I_0б1=0.54 (мА).

Из стандартного ряда Е12 выбираем R₃=15 (кОм).

5. Расчет цепи обратной связи:

Величина коэффициента обратной связи β определяется выражением:

,  (2.51)

где

(Ом),   (2.52)

(Ом),  (2.53)

(Ом),  (2.54)

(кОм),

(Ом). (2.55)

Из стандартного ряда Е12 выберем R_эг=220 Ом.

,  (2.56)

Зададимся значением R₅:

(Ом),  (2.57)

Сопротивление R₅ должно быть достаточно большим, чтобы не создавать дополнительной нагрузки для оконечного каскада.

Выберем R₅= R₁=7000 Ом. Выбор R₅= R₁ необходим для сохранения идентичности режимов транзисторов VT1 и VT2.

Коэффициент петлевого усиления k_П равен:

,  (2.58)

где   ,   (2.59)

(Ом),  (2.60)

  (2.61)

R_вх3 – входное сопротивление каскада на VT3.

,  (2.62)

Примем k_ок≈1.

Определим R₄:

(Ом),   (2.63)

где значение F=100 (см. (1.2)).

Используя вышеприведенные  выражения и сделав соответствующие  замены и преобразования, получим выражение для глубины ОС:

.   (2.64)

Входное сопротивление  усилителя:

(Ом) (2.65)

Определим емкость С₁ по формуле:

(пФ)  (2.66)

Выбираем номинал емкости  из ряда Е12: С₁=330 (пФ).

Для устранения возможности  самовозбуждения на высоких частотах частотную характеристику коэффициента петлевого усиления ограничивают за счет включения конденсатора С₂, определяемого по выражению:

(пФ)  (2.67)

Выбираем номинал емкости  из ряда Е12: С₂=15 (пФ).

6. Определяем коэффициент  усиления по напряжению рассчитанного  усилителя мощности:

  (2.68)

7. Определяем требуемое входное напряжение при номинальной выходной мощности:

(В).  (2.69)

Пользуясь результатами расчета, заполним таблицы:

Транзистор

 

VT1, VT2	тип	h21	Iк доп, А	Pк доп, Вт	Uк доп, В	fh21, МГц
КТ206А	n-p-n	30…475	0.1	0.5	45	200

 

Режимы

 

	Iок, мА	Iоб, мА	Iбм, мА	Iкм, мА	Rвх, Ом	K
VT3	11.1	0.05	0.07	14.8	597.25	1105

 

 

3. Расчет узлов предварительного  усилителя

 

3.1 Расчет мостового регулятора тембра

 

Схемы усилителя мощности, рассчитанные выше, обладают достаточно высоким входным сопротивлением, что позволяет включать мостовой регулятор тембра на их входе. Следует учесть, что приемлемые величины элементов такого регулятора и его нормальное функционирование достигается, если на его входе включен генератор ЭДС, а на выходе высокоомная нагрузка.

 

Мостовой регулятор  тембра (рис. 3.1) содержит два частотно-зависимых  регулятора коэффициента передачи. Буферное сопротивление R₄ предназначено для того, чтобы один регулятор не влиял на другой.

Левый (по схеме) работает на низких частотах, правый - на верхних. Кратко проанализируем работу схемы.

На средних частотах (СЧ) С₁ и С₂ закорачивают R₂, сопротивления же конденсаторов С₃ и С₄ еще очень велики (много больше R₅). Поэтому коэффициент передачи регулятора тембра на этих частотах (если считать, что R_вхУМ=R_вхвк→∞) равен:

.  (3.1)

На низких частотах (НЧ) сопротивления конденсаторов С₁ и С₂ увеличиваются, и они уже не являются коротким замыканием для R₂, которое начинает работать на этих частотах как обычный регулятор усиления. Глубина регулировки определяется соотношением между сопротивлениями R₂ и R₁+ R₃.