Усилитель сигналов звуковой частоты

СОДЕРЖАНИЕ

Введение (обоснование ТЗ) . . . . . . . 5

1 Предварительный  расчет, разработка структурной схемы .  . 7

2 Электрический расчет  всех каскадов          .    . . . . 10

2.1 Разработка  и расчет принципиальной схемы усилителя мощности 10

2.1.1 Расчет оконечного каскада . . . . . .         11

2.1.2 Расчет предоконечного  каскада . .  . .         15

2.1.3 Расчет входного каскада . . . . . .         20

2.2 Расчет узлов предварительного  усилителя . . . . 23

2.2.1 Расчет мостового регулятора тембра . . . .         23

2.2.2 Расчет  каскада предварительного усиления КПУ  .  .   26

2.2.3 Расчет регулятора усиления . . . . .     .        29

3 Компьютерное моделирование усилителей         .        .         .  .         30

  3.1 Моделирование схемы усилителя мощности   .  .         .        30

4 Описание принципиальной схемы     .        .         .         .        .         .         32

Заключение   . . .  .  . . .  .  . 34

Список использованных источников   . . .  .  . 35

Приложение        .         .           .         .        .         .          .          .        .        36

 

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсового  проекта является разработка и моделирование в среде Micro Cap 9 усилителя сигналов звуковой частоты для стационарной аппаратуры нулевой группы сложности с номинальной выходной мощностью   18 Вт. Частотный диапазон fн=20Гц  fв=18кГц. В данном усилителе должна быть выполнена плавная регулировка громкости, в его состав должен входить регулятор тембра с пределом регулировки 14дБ. Должны быть рассчитаны и построены электрическая и принципиальная схемы усилителя.

Управление в современной  технике обычно характеризуется  тем, что мощность значительно превышает  мощность, требующуюся для управления. Вместе с тем формы управляющей  и управляемой энергии в одних случаях одинаковы, в других различны.

К частному виду управления энергией относится усиление. Отличительными особенностями усиления являются, с одной стороны, превышение управляемой мощности над управляющей, с другой стороны, плавность процесса усиления. Устройство, предназначенное для этой цели, называется усилительным устройством или просто усилителем. Управляющая мощность носит название мощности возбуждения усилителя, или входной мощности; управляемая мощность – мощности потребляемой от источника питания.            Усилители сигналов находят широкое применение во многих отраслях науки и техники. Они используются в радиовещании, радиосвязи, телевидении, дальней связи по проводам, радиолокации, радионавигации, измерительной, вычислительной технике и так далее.       Всякий усилитель характеризуется полосой пропускания от до . Усилители, у которых нижняя частота пропускания =0, называются усилителями постоянного тока. Усилители переменного тока имеют  . Для усиления низкочастотных сигналов используются усилители низкой частоты, иначе называемые апериодическими усилителями; в соответствии с этим усилители высокой частоты, иначе избирательные усилители,  применяются для усиления высокочастотных сигналов.      К усилителям низкой частоты относятся усилители постоянного тока, усилители звуковой частоты, усилители телевизионных сигналов, получившие название видеоусилителей, и другие.      Усилители высокой частоты подразделяются на резонансные и полосовые. В частности усилитель промежуточной частоты супергетеродивного радиоприемника обычно представляет собой полосовой усилитель, у которого зависимость усиления от частоты в большей степени  приближается к идеальной прямоугольной форме, чем у резонансного усилителя.     В зависимости от вида усиливаемых сигналов усилители, как низкой, так и высокой частоты подразделяются на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.         По типу усилительных элементов усилители делятся на ламповые, диэлектрические, магнитные, транзисторные и на интегральных микросхемах. По области применения – микрофонные, трансляционные, измерительные, телевизионные, магнитофонные, радиолокационные и так далее.  Основными показателями усилителя являются его выходные данные, коэффициент усиления, КПД, частотная, фазовая, амплитудная и переходная характеристики, динамический диапазон, уровень собственных шумов, нелинейность.                                                                                           Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. При необходимости получения усиления большего, чем может обеспечить один элемент, используется более развитой усилитель, содержащий несколько усилительных элементов. Усилительный элемент и относящиеся к нему элементы связи и питания образуют усилительный каскад. Таким образом, в общем случае усилитель содержит несколько усилительных каскадов, сокращенно каскадов. Основой каскада являются сам усилительный элемент; какие именно из элементов являются элементами связи данного каскада (усилительного элемента), устанавливают, исходя из наиболее удобных соотношений для анализа и расчета.                                           Первые каскады усилителя работают при относительно низком напряжении сигнала и носят название каскадов предварительного усиления иначе каскадов усиления напряжения, их основным назначением является повышение уровня сигнала.         Выходная мощность, отдаваемая в нагрузку, создается оконечным каскадом, представляющий собой каскад усиления мощности. У усилителей со сравнительно большой входной мощностью, предоконечный каскад, так же как и оконечный, является каскадом усиления мощности.

 

1 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ, РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ          

   (ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ) СХЕМЫ

 

Выбор структурной схемы усилителя  определяется рядом параметров и  условиями эксплуатации. Количество каскадов определяется величиной входного и выходного сигналов, выбор источника  питания, радиоэлементов и основ  построения схемы производится с учетом предназначения устройства, требований к сложности, условий эксплуатации.

Структурная схема усилителя  сигналов звуковой частоты:



 

Предварительный усилитель (УП) осуществляет основное усиление сигнала по напряжению до уровня 0…1 В, необходимого для работы усилителя мощности (УМ). Кроме того, в УП осуществляются оперативные регулировки уровня сигнала (громкости) и тембра (коррекция АЧХ).

Усилитель мощности обеспечивает основное усиление мощности до уровня, заданного в ТЗ.

Выполним предварительный расчет структурной схемы усилителя для определения требуемого числа каскадов.

Расчет производится, исходя из требуемого усиления сигнала по напряжению.

Исходные данные:

  1. Номинальная выходная мощность – (Вт)
  2. Сопротивление нагрузки -  (Ом)
  3. ЭДС источника сигнала - (мВ)
  4. Сопротивление источника сигнала - (кОм)
  5. Группа сложностей - 0
  6. Допустимый коэффициент гармоник - (%)
  7. Нижняя граничная частота - (Гц)
  8. Верхняя граничная частота - (кГц)
  9. Неравномерность АЧХ в полосе - (дБ)
  10. Пределы регулировки тембра - (дБ)

Определение числа  каскадов:

  1. Определяем номинальный сквозной коэффициент передачи:

                                                                            (1.1)

2. Задаем необходимый запас усиления для обеспечения заданных характеристик усилителя.

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

                                                                          (1.2)                        

где = 15 % - коэффициент гармоник оконечного двухтактного каскада без ООС.

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

                                                                                 (1.3)

Выбираем .

в) технологический запас, учитывающий  разброс параметров обычно выбирается из пределов 1.5 … 2. Для данного курсового  проекта выберем  .

 

  1. Определяем требуемый сквозной коэффициент усиления:

                                                        (1.4)

Выбираем  .

 

4. Определяем число каскадов усиления по напряжению:

                                                         (1.5)

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

Таким образом, число каскадов n = 3.

 

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

 

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

                               

(кОм)                       (1.6)         

Входному сопротивлению усилителя в 100 кОм соответствует включение полевого транзистора с общим истоком.

 

  1. Структурная схема усилителя сигналов звуковой частоты имеет вид:

 

Рисунок 2 - Стуктурная схема усилителя звуковой частоты

 

На рисунке 1.2 приняты следующие обозначения: РУ – регулятор усиления; СК – согласующий каскад; КПУ – каскад предварительного усиления; РТ – регулятор тембра; ВК – входной каскад усилителя мощности (УМ); ПОК – предоконечный каскад УМ; ОК – оконечный каскад УМ;  ООС – цепь отрицательной обратной связи УМ; БП – блок питания; ФП – фильтр питания.

За счет того, что EГ=70мВ, то регулятор усиления ставится перед согласующим каскадом.

 

2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

2.1 Разработка  и расчет принципиальной схемы усилителя мощности

 

Усилитель мощности предназначен для передачи больших  мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности.

Особенностью данной схемы  является то, что она имеет двуполярное питание, что дает возможность подключать нагрузку непосредственно к выходу оконечного каскада и обеспечивает нулевое постоянное напряжение.

Для разработки усилителя мощности, соответствующего техническому заданию, остановимся на этой схеме. Рассмотрим принципиальную схему (Рисунок 2.1) и выясним назначения элементов:

Рисунок 3 - Электрическая принципиальная схема усилителя

 

Сам усилитель  мощности состоит из 3 каскадов, обеспечивающих каждый свою функцию: входной, предоконеный и оконечный каскады.

Весь усилитель мощности охвачен общей ООС последовательной по напряжению для стабилизации его  работы путем увеличения полосы пропускания. При этом коэффициент усиления по напряжению уменьшается. Входное сопротивление  увеличивается по сравнению с  каскадом без ООС. По постоянному тому обратная связь 100%-ая и обеспечивается сопротивлением R5. По переменному току необходимо учесть цепочку R4 и C1,  за счет чего обратная связь по переменному току не будет 100%-ая.

Рассмотрим  назначение элементов схемы:

 - обеспечивает привязку базы к нулевому потенциалу;

- нагрузка  по постоянному току;

- параллельная по напряжению  частотно-зависимая местная ООС, служащая для обеспечения устойчивости схемы;

 – цепь общей ООС по  напряжению последовательной по  входу причем эта ООС осуществляется как по переменной, так и по постоянной составляющей;

  – коллекторная нагрузка  транзистора по постоянному току, причем  ;

 – условное изображение  цепи, создающей начальное смещение  на базах  и и обеспечивающей термостабилизацию;

– местная обратная связь, выравнивает  параметры пары транзисторов оконечного каскада.

 – следящая положительная  ОС.          

2.1.1 Расчет оконечного каскада

 

Оконечный каскад представляет собой элемент усиления мощности схемы УМ, выполненный на транзисторах n-p-n (VT4) и p-n-p (VT5), представляющих собой двухтактный каскад. Для достижения усиления мощности транзисторы VT4 и VT5 работают в режиме B, за счет которого достигается большой КПД, т.к. ток в выходной цепи протекает только в течение половины периода. За счет включения в выходном каскаде двух транзисторов: n-p-n и p-n-p, достигается прохождение в выходной цепи сигнала в течение всего периода. Что способствует работе каскада в непрерывном режиме.

При приходе на вход оконечного каскада положительной полуволны, транзистор n-p-n VT4 открывается, и задание рабочей точки происходит за счет источника питания +E0/2. Транзистор n-p-n при этом закрыт. В момент подачи на вход отрицательной полуволны, транзистор p-n-p VT5 отпирается, VT4 запирается. Задание рабочей точки осуществляется за счет источника питания –E0/2.

Усиление по мощности достигается за счет усиления по току.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Схема оконечного каскада

 

  1. Напряжение источника питания:

                                        (В)                       (2.1.1)

                                         (A)                                (2.1.2)

  1. Амплитуды напряжения и тока на нагрузке:

                              (B)                       (2.1.3)

UОСТ – напряжение на полностью открытом транзисторе при P=1…10 Вт. Выбирается из ряда UОСТ=1…3 В.

Для обеспечения  стабильности работы транзистора в  непредельном режиме работы, его основные параметры выбираются с запасом 10-30%.

                                   (В)                                (2.1.4)

Значения E0 выбирается из стандартного ряда E12 справочника.

 

  1. Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных транзисторов:

                                         (Вт)                 (2.1.5)

  1. Коэффициент усиления по току:

                                                                             (2.1.6)

PП – выходная мощность предоконечного каскада, работающего в режиме А. Выбирается из ряда PП=10…20 мВт.

Оконечный каскад представляет собой транзисторы, соединенные по схеме ОК, которые являются эмиттерными повторителями.

 

5. Параметры транзисторов оконечного каскада, учитывающие запас в 10-30%:

                                            (Вт)                            (2.1.7)

                                               (А)                                (2.1.8)

                                             (В)                                (2.1.9)

                                                                                         (2.1.10)

                                                (кГц)                                  (2.1.11)

Таблица 1– параметры  выбора транзистора

 

тип

IКm, А

UКЭm, В

PКm, Вт

h21min

h21max

fГР, МГц

TПm, C

RT ПК, C/Вт

KT827Б

n-p-n

5

50

125

750

18000

50

120

5

КТ825Б

p-n-p

5

50

125

750

18000

50

125

5


 

6. Расчет параметров радиатора.

 

Для завершения расчета оконечного каскада, проверим, смогут ли выходные транзисторы нормально работать без дополнительного теплоотвода.  Максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе при заданной температуре окружающей среды  и отсутствии радиатора определяется выражением:

 

                                          (2.1.12)

                      (2.1.13)          

где – максимальная рабочая температура перехода коллектор-база;

      – максимальная температура окружающей среды;

        – тепловое сопротивление промежутка переход-среда. 

Т.к.  > , то дополнительный радиатор не требуется.

7. Рабочие параметры транзистора:

 

                                                        (А)                                  (2.1.14)

                                                (Вт)                            (2.1.15)

                                                      (%)                           (2.1.16)

8. Входное сопротивление:

 

При протекании в эмиттерной цепи большого тока (I0=1 А) входное сопротивление самого транзистора оказывается достаточно малым: h11=(1+h21)φТ/I0 = 5,6 (Ом). Основной вклад во входное сопротивление вносит ООС: RВХ=h11+(1+h21)RН. При этом сопротивлениями R9 и R10 можно пренебречь ввиду их малости.

                              (кОм)                      (2.1.17)

9. Выбор резисторов R9 и R10:

 

Резисторы R9 и R10 обеспечивают местную обратную связь, за счет которой происходит выравнивание параметров транзистора оконечного каскада, увеличение полосы пропускания.

                               (Ом)                      (2.1.18)

При этом номинальные  значения сопротивлений резисторов выбираются из справочника.

 

10. Итоговые данные транзисторов оконечного каскада:

 

Таблица 2 – параметры выбора транзистора

 

 

тип

PК ДОП , Вт

IК ДОП, А

UК ДОП, В

h21

fh21, МГц

VT4

n-p-n

125

4

13,5

3675

0,040

VT5

p-n-p

125

4

13,5

3675

0,040


 

В цепи оконечного каскада для устранения нелинейных искажений в выходном сигнале, на базы транзисторов VT4 и VT5 подается небольшое смещение. В результате чего транзистор приоткроется и выходная характеристика сделается более линейной.

Напряжение  смещения определим:

                                            UСМ = UБЭ4 + UБЭ5 = 1,2 (В)                           (2.1.19)

 

При изменении  напряжения смещения базы при увеличении температуры, происходит изменение  тока базы, который приведет к изменению  тока коллектора, связанного с током  базы через h21. В результате рабочая точка дестабилизируется. Для стабилизации в цепь базы транзисторов VT4 и VT5 включает термозависимые элементы, которые с изменением смещения напряжения базы изменяют свою проводимость и тем самым происходит стабилизация рабочей точки.

 

2.1.2 Расчет предоконечного каскада

Предоконечный каскад, как и входной, являются усилителями  напряжения до уровня, необходимого в  непосредственном усилителе мощности, выполненном на оконечном каскаде, а также для согласования входного сигнала с входом оконечного каскада. Поэтому в предоконечном каскаде не ставится задача усиления мощности и он работает в режиме А, с КПД порядка 25%. В этом режиме ток в выходной цепи протекает в период всего действия сигнала. Режим А дает возможность получения максимальной амплитуды выходного сигнала с минимальными искажениями. Воздействие на низкоомную нагрузку RН сигнала большой амплитуды приводит к значительному увеличению КПД усилителя и его мощности.

Т.о., основные особенности  каскада предварительного усиления в том, что за счет работы в режиме А, он обеспечивает минимальные искажения, при достаточно усилении амплитуды сигнала. Включение в выходную цепь динамического сопротивления позволяет увеличить коэффициент усиления K в десятки раз.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Схема предоконечного каскада

 

С2 – задание положительной ОС и выравнивание АЧХ.

С3 – создание динамической нагрузки по переменному току.

Rt – сопротивление, создающее смещение потенциала базы VT4 относительно VT5. За счет температурной зависимости обеспечивает изменение проводимости при изменении внешней температуры.

R6 – сопротивление коллекторной цепи, создает по переменному току динамическую нагрузку.

С4 – следящая ОС по цепи питания транзистора, устранение протекания переменного тока по цепи R6 – R7 – земля.

 

 

 

 

  1. Ток покоя транзистора VT3:

 

     IO К3 ≥10•IБ m4  = 10•IКM4/h21 экв  =10 •0,/82 = 8 (мА)                                   (2.1.20)

 

 

  1. Выбор резистора R7:

 

                        R7 = (30…50)·RH = (30…50)·4 = 120 (Ом)                  (2.1.21)

 

  1. Выбор резистора R6:

 

R6 = (E0/2 – UБЭ5 – IО К3R7)/I0 К3 =

                                 (16,5 – 0.6 – 0,008·120)/0,008 = 1870 (Ом)           (2.1.22)

При прохождении  сигнала динамическое сопротивление R6 будет определяться:

                        R6 Д = R6 / (1 - KОК) = 10•R6 = 18700 (Ом)                       (2.1.23)

Коэффициент усиления оконечного каскада KOK, т.к. он является повторителем напряжения, близок к 1 и составляет более 0.9: КОК = 0,9.

 

  1. Определение емкости C3:

 

Эта емкость  устраняет протекание переменного тока по цепи R7 – R8 – земля и увеличивает коэффициент усиления каскада. Обеспечивает связь транзистора VT3 с нагрузкой R6 через оконечный каскад.

 

С3 = 1/[2πfн(R7 + RH) ] = 1/[2·3,14·20(120 + 4) ] =65 (мкФ) (2.1.24)

М – затухание, вносимое емкостью на нижней рабочей  частоте при сопротивлении внешних  цепей R. Оно делится между емкостями C3, С2 и C1.

                                           M = 10M/n·20 =103/6·20 = 1,06                              (2.1.25)

 

Значения емкостей, как и конденсаторов, выбирается из стандартного ряда номинальных значений с учетом допуска по уровню.

 

 

 

  1. Параметры выбора транзистора VT3:

 

PК ДОП ≥ (1,2…1,5)·PК 3 = (1,2…1,5)E0I0 К3/2 = (1,2…1,5)·16,5·0,008/2 = 0,099 (Вт) (2.1.26)

 

IК ДОП ≥ (1,1…1,3)·IК 3m = (1,1…1,3)(IО К3 + IБ m4) = (1,1…1,3)(I0 К3 + IНМ/h21 ЭКВ )= =  (1,1…1,3)(0,008 + 3/3675 ) =  0,00882 (А)                                              (2.1.27)

 

UКЭ ДОП ≥ (1,1…1,3)∙E0 = (1,1…1,3)·12 = 13,5 (В)                (2.1.28)

 

h21 ≥ (2…5)∙fВ = (2…5)·18000 = 90 (кГц)                         (2.1.29)

Параметр h21 выбирается из максимально возможных по заданным параметрам.  

Таблица 3 – параметры  выбора транзистора

 

тип

IКm, mА

UКЭm, В

PКm, Вт

h21 min

h21 max

fГР, МГц

КТ502Б

p-n-p

150

60

0,35

40

120

5


 

  1. Расчет цепи смещения.

 

Цепь смещения между базами транзисторов оконечного каскада обеспечивает стабилизацию рабочей точки, вызванную температурным  влиянием на смещение напряжения базы, а также уменьшает нелинейные искажения выходного сигнала.

 

              IД ДОП ≥ (1,1…1,3)IК 3m = (1,1…1,3)•0,0088 =  0,0118 (А)           (2.1.30)

                           UОБР > (1,1…1,3)E0 = (1,1…1,3)•33  = 42 (В)               (2.1.31)

 

     Таблица 4 – параметры диода

 

 

IД m, mА

UОБР, В

Д223

50

50


 

 

б) Количество диодов:

 

                                            n ≤ UCM / UД = 1,2 / 0,7 =  1,7                         (2.1.32)

 

UД выбирается из значений 0.6…0.7.

 


 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 – Цепь термостабилизации

 

в) Сопротивление подстроечного резистора:

 

              RП = 2(UCM - nUД) / I0 К3 = 2·(1,2 – 1·0,7) / 0,008 = 125 (Ом)     (2.1.33)

 

  1. Входное сопротивление предоконечного каскада:

 

 RВХ3 = h11 VT3 = (1+h21 VT3)φТ/I0 Э3 = (1+70)·25·10-3 /0,008 = 220 (Ом)  (2.1.34)

                            rЭ3 = φТ/I0 Э3 = 25·10-3/8·10-3 = 3,125 (Ом)                    (2.1.35) 

 

Что соответствует  значению входного сопротивления в  схеме с общим эмиттером, которое  имеет небольшое значение и определяется сопротивлением прямо смещенного эмиттерного  перехода, имеющем незначительную величину, в пересчете на малый входной ток базы.

 

  1. Коэффициент усиления каскада по напряжению.

 

Предоконечный каскад имеет большое усиление по напряжению за счет того, что в коллекторной цепи включена динамическая нагрузка.

 

K = RКН3/rэ3 = (RВХ4||(R6Д + R7)) /rэ3 = (h21 эквRН )/rэ3 = (900·4)/3,125 = 1440    (2.1.36)

 

 Входное  сопротивление оконечных каскадов  состоит из малого входного  сопротивления транзистора по  схеме с общим эмиттером и  сопротивлением, учитывающим влияние  местной ООС, тем самым увеличивая  входное сопротивление.  Влияние R9 и R10 , ввиду их малости, можно не учитывать.

 

 

  1. Итоговые данные предоконечного каскада:

 

Таблица 5 –  параметры выбора транзистора

 

тип

PК ДОП , Вт

IК ДОП, mА

UК ДОП, В

h21

fh21, МГц

VT3

p-n-p

0,35

150

60

70

5


 

2.1.3 Расчет входного каскада