Усилитель звуковой частоты. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема:Усилитель звуковой частоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                            3

Технические условия                                                                                       4

1.Обоснование  и расчет структурной  схемы усилителя                              51.1Определение мощности сигнала на входе усилителя                              5

1.2 Определение коэффициента усиления  всего усилителя                         5

1.3 Предварительный выбор схемы  выходного каскада, усилительного  прибора, коэффициента усиления  по мощности                                          6

1.4 Ориентировочное определение  числа каскадов усилителя                  7

2.Разработка и расчет принципиальной  схемы усилителя                          8

2.1 Разработка принципиальной  схемы усилителя                                      8

2.2 Расчет принципиальной  схемы  усилителя                                             9

2.2.1 Определение величины  напряжения источника питания                   9

2.2.2. Выбор коллекторного  тока оконечных транзисторов                        9

_{2.2.3 Выбор тока покоя оконечных транзисторов                                        9}

_{2.2.4 Определение  максимальной мощности  коллекторного перехода     10}

_{2.2.5 Выбор  типа оконечныхтранзистров                                                     10}

2.2.6 Определение максимального  коллекторного тока предоконечных  транзисторов                                                                                                     11

2.2.7 Определение мощности  предоконечных транзисторов                       11

_{2.2.8 Выбор типа предоконечных транзисторов                                            11}

2.2.9 Определение емкости  разделительного конденсатора                        12

_{2.2.10 Определение  величины  сопротивления  резистора                            12}

_{2.2.11 Определение  частотных искажений                                                     13}

_{2.2.12 Определение  коэффициента нелинейных  искажений                        13}

_{3.Заключение                                                                                                     14}

_{4.Список  использованных источников                                                           15}

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

     Усилители низкой  частоты (УНЧ) предназначены для  усиления непрерывных периодических  сигналов. Частотный спектркоторых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении. Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в поучении на заданном сопротивлении нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала. Большинство источников входного сигнала развивают низкое напряжение. Поэтому в состав структурной схемы усилителя кроме выходного каскада, отдающего необходимую мощность в нагрузку, как правило, входят предварительные каскады усиления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Выходная мощность –25 Вт

Коэффициент нелинейных искажений –  4%

Диапазон рабочей частоты –  60-20000 Гц

Коэффициент частотных искажений –Мн =Мв= 1,2 

Сопротивление нагрузки (тип громкоговорителя) – 4 Ом

Напряжение источника питания(выбрать)  - 9 В

Диапазон рабочих температур -0°С +45°С

Амплитуда входного сигнала -  100 мВ                       

Сопротивление источника сигнала - 50  к О м

 

 

1. ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

 

В связи с тем, что напряжение входного сигнала очень мало - 0,1В. Такой сигнал подавать на вход каскада усилителя мощности не имеет смысла. При таком слабом управляющем напряжении невозможно получить значительное изменение выходного тока, а значит, и заданной выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность (25 Вт) полезного сигнала в нагрузку, как правило. Входят предварительные каскады усиления. Структурная схема усилителя показана на рисунке 1.1.

 

 

Рисунок 1.1- Структурная схема усилителя

1.1Определение мощности сигнала на входе усилителя.

Находим мощность сигнала на входе усилителя. При этом учитываем, что наибольшую мощность источник сигнала отдает в цепь нагрузки в том случае, когда сопротивление нагрузки оказывается равным внутреннему сопротивлению источника. В этом случае:

(Вт),         (1.1)

где U_вх– действующее напряжение источника сигнала;

R_и – внутреннее сопротивление источника сигнала;

     ЗаданоR_и = 50 кОм.

По формуле (1.1) определим  входную мощность сигнала 

(Вт)

      1.2 Определение коэффициента усиления всего усилителя. Определяем требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя. В общем случае входное сопротивление  первого каскада усилителя отличается от сопротивления источника сигнала, а оптимальное сопротивление нагрузки е равно фактическому сопротивлению нагрузки оконечного устройства, кроме этого в усилителе используются  регуляторы уровня сигнала – все это вносит определенное затухание  в передаваемый сигнал. Рассчитываем коэффициент усиления по мощности.

                              (1.2)

_{где kрег. –коэффициент передачи регулятора уровня сигнала (kрег.= 0,4);}

Считаем, что трансформаторы на входе и выходе усилителя отсутствуют.

По формуле (1.20) получаем

     _{Выражаем коэффициент  усиления по мощности  в децибелах}

 

(1.3)

 

     1.3 Предварительный выбор схемы выходного каскада, усилительного прибора, коэффициента усиления по мощности.

Предварительно выбираем схему выходного каскада, тип усилительных приборов и ориентировочную величину коэффициента усиления по мощности для выходного каскада из следующих соображений:

а) при заданной выходной мощности Р_вых< 50 мВт обычно используют однотактную схему в классе А на маломощных транзисторах;

б) При Р_вых 0,2 Вт используют в основном двухтактную схему в классе АВ;

в) при Р_выхот 0,2 и выше применяют двухтактную схему в классах В и АВ на мощных транзисторах;

В связи с тем, что заданная выходная мощность равна 25 Вт, выходной каскад будет построен по двухтактной схеме в классе В или АВ на мощных транзисторах.

     Тип транзистора для входного каскада выбираем исходя из условий максимально допустимой мощности, рассеиваемой на коллекторе выходного транзистора. Для этого определяем мощность, которую должен отдавать в нагрузку транзистор выходного каскада по формуле:

                            _(1.4)

где ₌ – выходная мощность транзистора;

- КПД выходного трансформатора (трансформатор отсутствует);

Находим мощность, потребляемую коллекторной цепью от источника  питания:

                                      (1.5)

_{где ηвых.каск. – КПД выходного каскада (=0,6…0,7).}

     По найденному  значению Р_к,выбираем тип транзистора выходного каскада. При этом должно выполняться условия:

(1.6)

  (1.7)

     где f_в  - верхняя частота усиливаемого диапазона частот;

f_h21э – предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора;

     Выбираем транзистор  –КТ801А. Данные транзистора приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 -Основные параметры транзистора КТ801А

Постоянный ток коллектора, А	2
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора, Вт	5
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, В	30
Статический коэффициент  передачи тока в схеме с ОЭ	20-100
Граничная частота передачи тока в схеме с ОЭ, МГц	10

 

     1.4 Ориентировочное определение числа каскадов усилителя.

Определяем ориентировочное  число каскадов n и составляем структурную схему усилителя. При этом считаем, что каждый каскад, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ) может обеспечить усиление мощности примерно на 20 дБ. Тогда:

      (1.8)

На основании предварительного расчета структурная схемаусилителя представленная на рисунке 1.1 изменится и примет следующий вид. Структурная схема усилителя представлена на рисунке 1.2.

 

Рисунок 1.2- Структурная схема усилителя

2. РАЗРАБОТКА И РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

 

2.1 Разработка принципиальной  схемы усилителя.

     В качестве  выходного каскада выбираем выходной  бестрансформаторный каскад. Выходной  каскад работает на низкоомную  нагрузку R_н = 8 Ом. Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь усилительных элементов без выходного трансформатора позволяет избавиться от от частотных и нелинейных искажений, вносимых трансформатором. Кроме того, за счет применения отрицательной обратной связи улучшается устойчивость работы усилителя. Бестрансформаторные выходные каскады экономичны,  имеют малые габариты и массу, широкий диапазон частот. Высокие качественные показатели имеют каскады, в которых используются транзисторы различного типа проводимости (комплементарные пары) с достаточно близкими значениями параметров. Для заданных значений в курсовом проекте вполне пригодны германиевые транзисторы типа ГТ402Д и ГТ404Д. Но эти транзисторы германиевые и стабильность их работы сильно зависит от температуры. В настоящее время этот тип транзисторов не производится промышленностью уже 35 лет. Новых транзисторов с близкими параметрами на территории СНГ не разработано и не выпускается. Аналогичные транзисторы импортного производства имеются, но вольт-амперные входные и выходные характеристики не публикуются. Принимаем следующую схему: оконечный каскад на кремниевых транзисторах структуры n-p-n, а предвыходной каскад  на кремниевых транзисторах разной структуры, выполняющий роль фазоинвертора сигнала.

Принципиальная схема  будет иметь вид, показанный на рисунке 2.1.

 

 

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема оконечного каскада

 

2.2 Расчет принципиальной схемы  усилителя

     2.2.1 Определение величины напряжения источника питания

Определяем величину напряжения источника питания – она задана и равна 9В.

     2.2.2. Выбор коллекторного тока оконечных транзисторов

Выбираем максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов VT3 и VT4:

_(2.1)

_{2.2.3Выбор тока покоя оконечных транзисторов}

_{Выбираем  значение тока покоя (тока рабочей точки) оконечных  транзисторов:}

_(2.2)

     _{2.2.4 Определение максимальной мощности коллекторного перехода}

_{Определяем максимальную мощность, рассеиваемую коллекторным переходом каждого из оконечных транзисторов:}

_(2.3)

_{2.2.5 Выбор типа оконечныхтранзистров}

_{По полученным значениям Ек,PКmaxрасч., IКmaxрасч.и заданному значению fв выбираем тип оконечных транзисторов VT3 и VT4. При этом необходимо, чтобы максимально допустимые значения соответствующих параметров транзисторов превышали расчетные значения, т.е.}

_(2.4)

_(2.5)

_(2.6)

_{Обратный  ток коллектора выбранного транзистора должен быть минимален, пределная  частота усиления транзистора должна превышать верхнюю}

_{частоту заданного частотного диапазона не менее  чем в два раза.}

_(2.7)

_{Из справочника  выбираем транзистор КТ801Б.}

_{Справочные  данныетранзистора КТ801А приведены в таблице 2.1.}

 

_{Таблица2.1 - Справочные данные транзистора КТ801А}

 

Параметр	Значение
Постоянное  напряжение Uкэ,В	30
Постоянный  ток коллектора Iк, А	2
Постоянная  рассеиваемая мощность коллектора Pк, Вт	5
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме  с ОЭ, fгр., МГц	10
Статический коэффициент передачи тока в схеме с  ОЭ	20…100
Обратный  ток коллектора, мА	20

 

_{Учитывая  снижение предельной мощности, рассеиваемой транзистором при  повышении температуры  окружающей среды, определим предельную мощность, рассеиваемую коллекторным переходом без теплоотвода:}

_(2.8)

_{где tПmax– максимальная температура перехода;}

_{tокр – температура окружающей среды;}

_{RТП-С – тепловое сопротивление переход-окружающая среда;}

     _{Выбранный транзистор удовлетворяет условиям, выраженными формулами 2.4 – 2.8.}

2.2.6 Определение максимального коллекторного тока предоконечных транзисторов

Находим максимальное значение коллекторного тока предоконечных  транзисторов:

_(2.9)

_{где IКmaxрасч. – максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов;}

_{h21Эmin – минимальное значение коэффициента передачи тока оконечных транзисторов:}

     Сопротивление  резисторов R₂=R₃выбираем равным 300 Ом ( дальнейшем, значение резисторов уточняется при настройке усилителя.

2.2.7 Определение мощности предоконечных транзисторов

Определяем мощность, развиваемую  каждым из предоконечных транзисторов:

_(2.10)

_{2.2.8Выбор типа предоконечных транзисторов}

_{По полученным значениям IКmaxрасч.пред. и PКmaxрасчпред.выбираем}предоконечные транзисторы: VT1 типа n-p-n и VT2 типа p-n-p. При этом необходимо, чтобы максимально допустимые значения параметров выбранных транзисторов превышали расчетные значения этих параметров, т.е.

_(2.11)

_(2.12)

_(2.13)

     _{Обратный ток коллектора  предварительных  транзисторов IКБО пред должен быть минимален. Предельная частота усиления предоконечных транзисторов должна превышать верхнюю частоту заданного частотного диапазона не менее чем в пять раз:}

_(2.14)

     _{Всем условиям, указанным в формулах 2.11 – 2.14 соответствуют транзисторы КТ3107А и КТ3102А.}

     _{Справочные данные  этих транзисторов  приведены в таблице  2.2.}

 

_{Таблица 2.2 - Основные данные транзисторов КТ3102А и КТ3107Б}

 

Параметр	КТ3102А	КТ3107А
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер, В	50	45
Коэффициент передачи тока	100…250	120…220
Граничная частота коэффициента передачи, МГц	150	200
Обратный ток коллектора, мкА	0,05	0,1
Постоянный ток коллектора, мА	100	100
Постоянная рассеиваемая мощность, Вт	0,25	0,3

 

2.2.9 Определение емкости разделительного конденсатора

Находим емкость разделительного  конденсатора С₁:

_(2.15)

_{Чем больше емкость С1, тем лучше работает усилитель в области нижних частот диапазона. Из номинального ряда электрических величин выбираем емкость 4,7 мкФ.}

_{2.2.10 Определение величины  сопротивления резистора}

_{Сопротивление резистора R1 обычно не рассчитываем, а подбираем опытно-экспериментально при настройке каскада (первоначально можно выбрать ≈10 кОм).}

_{2.2.11 Определение частотных искажений}

_{Определяем  частотные искажения  каскада в области  низких и высоких  частот:}

 

_(2.16)

_(2.17)

_{Полученные значения меньше чем заданные в условии.}

_{2.2.12 Определение коэффициента нелинейных искажений}

_{Определяем  коэффициент нелинейных искажений каскада.Для этого построим сквозную динамическую характеристику – график зависимости тока коллектора от ЭДС эквивалентного генератора входного сигнала. Построение проводим в такой последовательности:}

     _{- пользуясь входными  и выходными характеристиками  транзистора (характеристики  представлены на  рисунках 2.2 и 2.3 соответственно),}

 

_{Рисунок 2.2 - Входные характеристики транзистора КТ801А}

 

 

_{Рисунок 2.3 - Выходные характеристики транзистора КТ801А}

 

_{- определяем для нескольких точек 2, 3, 4 значения: UКЭ, IК,IБ,UБЭ;}

_{- определяем  величины ЭДС эквивалентного  генератора для  различных значений  UБЭ, и IБ. соответствующим выбранным точкам (2,3,4) по формуле6}

_(2.18)

_{Данные  измерений и расчетов заносим в таблицу 2.3.}

 

_{Таблица 2.3 - Значения измеренных и рассчитанных параметров транзистора КТ801А}

 

Номер точки	UКЭ, В	IК, Х102 мА	IБ, мА	UБЭ, В	Eг
2	3,3	3,4	10	1,17	1,25
3	1,25	4,4	25	1,43	1,63
4	0,8	4,8	35	1,5	1,78

 

   _{- по полученным  данным строим  график зависимостиIК= f(Eг).}

 

_{Рисунок 2.4  - Сквозная динамическая характеристика оконечного каскада}

     _{- по графику определяем  максимальное, среднее  и минимальное значения токов коллектора:IКmin=146мА; IКср=385 мА; IКmax=625мА.}

     _{- находим амплитудные  значения гармонических  составляющих тока  коллектора по  формулам:}

 

_(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

гдеI_Km1, I_Km2, I_Km3, I_Km4 – амплитуды гармонических составляющих тока коллектора;

          Х – коэффициент асимметрии ( равен 0,1…0,2).

 

     - коэффициент  нелинейных искажений находим  по формуле:

_(2.23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{ЗАКЛЮЧЕНИЕ}

     _{В результате выполнения  курсовой работы  было произведено  обоснование и  расчет структурной  схемы усилителя.  После проведения  расчета, в структурной  схеме были произведены  изменения. Произведен  выбор схемы выходного  каскада, выбран  тип транзистора  оконечного каскада  – КТ801А. в курсовой  работе выполнена  разработка и расчет  принципиальной схемы  усилителя. Произведены  соответствующие  графические построения. Выполнен выбор  транзисторов предоконечного каскада – КТ3102А и КТ3107А. Результаты расчетов показали, что выбранная схема удовлетворяет заданным техническим условиям. Так коэффициент гармоник составляет 1,38%, а заданное значение – 2%; коэффициент частотных искажений Мв=1,000 иМн=1,000, а заданное значение  1,14. Все выбранные транзисторы удовлетворяют по своим предельным значениям параметров (Ркmax, IКmax, UКЭmax, fгр.max).}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ}

 

1. _{Гершунский  Б.С. Основы электроники-К:Вища школа, 1977.350с}
2. _{Гершунский Б.С. Расчет электронных схем-К:Вища школа, 1977.270с}
3. _{Горюнов Н.Н. справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам-М:Энергия,1976, 744с}