Усилитель звуковой частоты

ГО БУ «Чувашский Государственный  университет имени И.Н.Ульянова»

 

Кафедра Радиотехники и радиотехнических систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по дисциплине Схемотехника АЭУ

На тему:

«Усилитель звуковой частоты»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы РТЭ 51-09

Горин А.С.

Проверил:

зав. каф. РРС

           д.т.н., профессор

          Пряников В.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2011

 

 Содержание

 

Введение 3

Технические условия………………………………………………………………..5

 

1. Выбор и обоснование структурной УЗЧ 6

2. Разработка принципиальной электрической схемы УЗЧ 11

3. Электрический расчет УЗЧ 14

3.1. Расчет выходного каскада усилителя 15

3.2. Расчет предварительного каскада усилителя 22

3.3. Расчет входного каскада усилителя 27

Заключение………………………………………………………………………….32

 

Список использованной литературы 33

 

 

Введение

 

Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебания с некоторым уровнем мощности получить на выходной нагрузке те же колебания, но с большим уровнем мощности. Эффект увеличения мощности (усиление) возможен только в том случае, если в самом устройстве имеется некоторый источник, из которого черпается энергия для создания увеличенной мощности на выходе. Этот принципиально необходимый для усиления источник энергии называется источником питания.

Энергия источника питания преобразуется  в энергию полезного сигнала с помощью так называемых активных элементов (униполярных и биполярных транзисторов, электронных ламп). Для связи активных элементов с источником входных колебаний между собой и выходной нагрузкой, а также, для того чтобы придать усилителю необходимые частотные свойства, применяют обычные пассивные элементы электрических цепей: резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Активные и пассивные элементы, выполненные либо в виде отдельных дискретных деталей, либо в едином технологическом цикле как интегральная система, соединяются нужным образом (собственно усилитель) и вместе с источником питания образуют усилительное устройство. Для усиливаемых сигналов усилитель, имея два входных и два выходных зажима, представляет собой электрический четырехполюсник.

По виду усиливаемых сигналов существует большое  количество усилителей, например усилители низких частот, усилители высоких частот, широкополосные усилители. Классификацию усилителей также можно проводить по схемотехнике их построения, так, например, существуют магнитные усилители, усилители на транзисторах, усилители на электронных лампах, усилители на базе интегральных схем. В настоящее время используют, главным образом, транзисторные усилители и усилители на базе интегральных схем. Широкое развитие таких усилителей обусловлено их минимальными габаритами, низким энергопотреблением, возможностью работы в широкой полосе частот и малыми искажениями усиливаемого сигнала.

В курсовой работе проводиться расчет усилителя звуковой частоты. В первой главе приводится предварительный расчет всего усилителя на транзисторах, рассчитывается число каскадов и строится его структурная схема. Далее разрабатывается принципиальная схема всех каскадов усилителя на транзисторах. Затем приводится подробный электрический расчет схемы и выбор соответствующих элементов транзисторного усилителя.

 

Технические условия 

 

 

 

Выходная мощность – 10Вт

Коэффициент нелинейных искажений  – 3%

Диапазон рабочей частоты  – 20-20000Гц

Коэффициент частотных искажений  –  = =1,6

Сопротивление нагрузки (тип  громкоговорителя) – 8Ом

Напряжение источника  питания – выбрать

Диапазон рабочих температур – + ÷

Амплитуда входного сигнала  – 0,1В

Сопротивление источника  сигнала – 1кОм 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор и обоснование  структурной схемы УЗЧ

 

Зная  выходную мощность усилителя, определим  амплитуду выходного напряжения:

 

        (1.1)

 

Определим коэффициент усиления усилителя:

 

         (1.2)

 

Сопротивление нагрузки усилителя представляет собой  малую величину R_н=8 Ом, в связи с этим оконечный каскад необходимо построить по схеме с ОК. Однако, если реализовать такой каскада в режиме класса А (задать положение рабочей точки в середине линии нагрузки), то КПД каскада будет низким, что повлечет за собой увеличение рассеиваемой на транзисторе мощности. Поэтому целесообразно построить выходной каскад по двухтактной схеме, транзисторы в которой должны работать, для уменьшения нелинейных искажений, режиме АВ.

Каскад  предварительного усиления построим по схеме с ОЭ.

Входной каскад построим по схеме с ОЭ. Так  как входное сопротивление такого каскада составляет 5…10 кОм, то есть сравнимо по величине с сопротивлением источника сигнала R_с=1 кОм, то следует учесть коэффициент передачи входной цепи. Коэффициент передачи входной цепи примем равным K_вц=0,8.

Предположим, что усилитель будет состоять из трех каскадов. Задавшись коэффициентом усиления выходного каскада (оконечного каскада) равным K_ок=0,9, определим коэффициенты усиления предварительного и входного каскадов, считая их равными:

 

     (1.3.)

 

Зная  уровень частотных искажений М_в=1,6 дБ, распределим частотные искажения по каскадам. Так как оконечный каскад вносит наибольшие искажения, то зададим .Частотные искажения входного и предварительного каскадов примем одинаковыми:

 

       (1.4.)

 

Переведем найденные величины из децибел в  относительные единицы:

 

       (1.5)

 

        (1.6)

 

Находим величину а_в:

 

      (1.7.)

 

      (1.8.)

 

Структурная схема усилителя приведена на рис. 1.2.

 

Рис. 1.2. Структурная  схема усилителя.

 

Входной и предварительный каскады усилителя строим по типовой схеме резисторного каскада с частотнонезависимой ООС. Общее число разделительных и блокировочных конденсаторов составит N_С=5 . Распределяем частные искажения равномерно:

 

        (1.9.)

 

Переведем найденную величину из децибел в относительные единицы:

 

        (1.10)

 

Находим величину а_н:

 

      (1.11.)

 

 

 

 

Произведем  выбор транзисторов, на которых будем  строить усилитель. При выборе транзисторов оконечного каскада следует учитывать следующие ограничения:

f_гр>5×f_в=5×20=100 кГц

Р_{к max} =10 Вт

U_{кэ max}> =18 В

I_{к max}= Р_{к max} /U_{кэ max}=10/18=0,55 А      (1.7)

Также следует  учесть, что транзисторы оконечного каскады должны работать в паре. Подходящим является пара составных транзисторов КТ825А – КТ827А, построенных по схеме Дарлингтона (рис.1.1). Основные технические параметры такого транзистора приведены в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1

Основные  технические параметры транзистора  КТ825А

Параметр	Значение	Единицы измерения
Iк max	20	А
Uкэ max	60	В
Рк max *	125	Вт
fгр	1	МГц
tк	125	пС
Скэ	40	пФ
rб'	8	Ом
тип проводимости	n–p–n

 

* - c теплоотводом, без теплоотвода Р_{к max}=3 Вт.

Рис. 1.1. Схема  Дарлингтона.

 

При выборе транзисторов каскадов предварительного усиления следует учитывать следующие  ограничения:

f_гр>5×f_в=5×20=100 кГц;

U_{кэ max}> =18 В.

Подходящим, для построения этих каскадов, является транзистор КТ325А. Основные технические параметры такого транзистора приведены в табл. 1.2.

 Таблица  1.2.

Основные  технические параметры транзистора  КТ325А

Параметр	Значение	Единицы измерения
Iк max	60	мА
Uкэ max	50	В
Рк max	0,225	Вт
fгр	100	МГц
tк	125	пС
Скэ	2,5	пФ
rб'	21	Ом
тип проводимости	n–p–n

 

 

2. Разработка принципиальной  электрической схемы УЗЧ

 

Входной каскад строим по схеме с ОЭ (рис. 2.1). Такая схема была выбрана из-за простоты и возможности обеспечения необходимого коэффициента усиления в широкой полосе частот.

 

Рис. 2.1. Принципиальная схема входного каскада.

 

Схема принципиальная предварительного и выходного двухтактного бестрансформаторного каскада на транзисторах разного типа проводимости представлена на рис.2.2. Выбор такой схемы обусловлен ее простотой – отсутствует фазоинверсный каскад, и эффективностью.

Рис. 2.2. Принципиальная схема предварительного и выходного двухтактного бестрансформаторного каскада.

 

Полная  электрическая принципиальная схема  усилителя звуковых частот представлена на рис. 2.3.

 

 

 

Рис. 2.3. Полная электрическая принципиальная схема усилителя звуковых частот.

 

3. Электрический расчет  УЗЧ

3.1. Расчет выходного каскада усилителя

 

Как было установлено выше, оконечный каскад строим по двухтактной схеме на транзисторах КТ825А – КТ827А, включенных по схеме  с ОК. Так как параметры транзисторов идентичны, то в дальнейшем будем  работать только с одним из них. Неидентичность параметров данной пары транзисторов, задаваемая при помощи коэффициента m, составляет m=1,2.

Расчет  каскада проводим графически для  одного плеча, содержащего транзистор КТ825А. Напряжение питания одного плеча равно половине напряжения питания усилителя.

Выбираем  напряжение питания усилителя:

 

       (3.1.1.)

где

- напряжение насыщения транзистора. 

Выбираем  стандартное значение напряжения питания  Е=24В.

 

Построим линию нагрузки на семействе выходных характеристик транзистора КТ825А (рис.3.1.1а).

 

1) U_кэ=Е/2, I_к=0

2) U_кэ=0, I_к=I_{к max}=Е/2R_н=24/16=1,5 А     (3.1.2.)

 

 

 

а)

б)

Рис. 3.1.1. ВАХ транзистора КТ825А.

 

Для обеспечении  режима работы АВ задаём следующие  параметры рабочей точки О:

• U_к0=11 В;
• I_к0=0,1 А;
• U_бэ0=1,75 В;
• I_б0=0,6 мА.

Определим, не превосходит ли мощность, рассеиваемая на коллекторе допустимой величины. Для  этого на семействе выходных характеристик  строим кривую:

 

U_кэ=3 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/3=41,6 А

U_кэ=6 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/6=20,8 А

U_кэ=9 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/9=13,8 А

U_кэ=12 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/12=10,4 А 

U_кэ=15 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/15=8,3 А     (3.1.2.)

 

На рис. 3.1.1 полученная кривая не просматривается из-за выбранного масштаба, что говорит о том, что условие Р_к<Р_{к доп} выполняется.

По данным рис. 3.1.1 построим сквозную динамическую характеристику и определим коэффициент  нелинейности (рис.3.1.2). Такая характеристика представляет собой зависимость тока коллектора транзистора от величины амплитуды входного напряжения. Для построения подобной характеристики используются семейство выходных и входная ВАХ.

Метод построения сквозной характеристики прямой передачи заключается в следующем:

• на линии нагрузки задается точка, для которой определяется величина тока коллектора I_к;
• для заданного значения I_к определяется величина тока базы I_б;
• по известному значению I_б при помощи входной ВАХ находится величина напряжения U_бэ;
• определяется величина амплитуды входного напряжения U_вх по формуле:

 

    (3.1.3.)

 

• результаты измерений заносятся в таблицу.

Точки на ВАХ транзистора, по которым проводилось  построение сквозной характеристики прямой передачи, показаны на рис. 3.1.2.

 

Рис. 3.1.2. Снятие сквозной характеристики прямой передачи.

 

Результаты  измерений представлены в табл. 3.1.1.

Таблица 3.1.1.

Результаты  измерений сквозной характеристики прямой передачи

№	Iк, мА	Iб, мА	Uбэ, В	Uос, В	Uвх, В
1	0,1	0,6	1,75	0,8	2,55
2	0,2	0,8	1,9	1,6	3,5
3	0,35	1,0	1,92	2,8	4,72
4	0,6	1,2	1,94	4,8	6,74
5	0,8	1,4	1,96	6,4	8,36
6	1,0	1,6	1,97	8,0	9,97
7	1,1	1,8	1,98	8,8	10,78
8	1,3	2,0	1,99	10,4	12,39

 

Сквозная  характеристика прямой передачи показана на рис. 3.1.3.

 

Рис. 3.1.3. Сквозная характеристика прямой передачи.

 

На сквозной динамической характеристике отмечаем три точки, соответствующие амплитудному значению напряжения, амплитуде точке покоя и половине амплитуды выходного сигнала. Находим ординаты этих точек:

• I₁=0,1 А;
• I₂=0,65 А;
• I₃=1,2 А.

 

Для перехода к методу пяти ординат находим  амплитуды токов:

 

      (3.1.4.)

где:

u=0,1…0,2 – коэффициент асимметрии плеч, учитывающий неидентичность транзисторов.

 

     (3.1.5.)

 

     (3.1.6.)

 

     (3.1.7.)

 

       (3.1.7.)

 

Находим амплитуды  гармонических составляющих тока коллектора:

 

   (3.1.8.)

 

    (3.1.9.)

 

 (3.1.10.)

 

    (3.1.11.)

 

Определим коэффициент нелинейных искажений:

 

   (3.1.12.)

Как видно, коэффициент  нелинейных искажений не превышает  величины 9,6%. 

Определим Y-параметры транзистора в рабочей точке (рис.3.1.1б).

 

      (3.1.13.)

 

        (3.1.14.)

 

Определим глубину ООС:

 

       (3.1.15.)

 

Вычислим коэффициент усиления оконечного каскада:

 

       (3.1.16.)

 

Проверим, обеспечит ли транзистор требуемое  значение коэффициента усиления на высокой  частоте (ВЧ). Для этого определим  постоянную времени каскада на ВЧ:

 

     (3.1.17.)

 

Определяем  верхнюю граничную частоту каскада:

 

      (3.1.18.)

 

Поскольку полученное значение превосходит f_в=20 кГц, то каскад обеспечит требуемое значение коэффициента усиления на высокой частоте.

Определяем  входное сопротивление оконечного каскада:

 

       (3.1.19.)

 

Рассчитаем  номинал разделительного конденсатора С5:

 

    (3.1.20.)

 

Выбираем  из ряда С4=4700 мкФ.

 

 

3.2. Расчет предварительного каскада усилителя

 

Для обеспечения  требуемого размаха напряжения раскачки оконечного каскада положение рабочей точки по оси напряжений зададим равным:

 

          (3.2.1.)

 

Чтобы найти  ток коллектора в рабочей точки  необходимо знать уравнение линии нагрузки. Примем сопротивление коллектора равным:

 

     (3.2.2.)

 

Задаем падение  напряжения на резисторе обратной связи:

 

      (3.2.3.)

 

Находим максимальный ток коллектора:

 

     (3.2.4.)

 

Находим ток  коллектора в рабочей точке:

 

   (3.2.5.)

 

По ВАХ  транзистора КТ325А находим: , .

Определим сопротивление  нагрузки по переменному току:

 

      (3.2.6.)

 

Определяем сопротивление резистора R9:

 

       (3.2.7.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R9=150 Ом.

Находим номиналы резисторов R8 и R7:

 

       (3.2.8.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R8=430 Ом.

 

      (3.2.9.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R7=910 Ом.

Определим Y-параметры транзистора в рабочей точке путем пересчета от Y-параметров типового режима:

 

      (3.2.10.)

 

      (3.2.11.)

 

 

Определим глубину ООС:

 

      (3.2.12.)

 

Рассчитаем  номиналы сопротивлений R6 и R10, обеспечивающих температурную стабилизацию рабочей точки предоконечного каскада.

Допустимое  изменение тока коллектора:

 

       (3.2.13.)

 

Изменение обратного тока коллектора:

 

   (3.2.14.)

где:

DТ=Т_max-20⁰C=50-20=30⁰C;

a=0,1 – температурный коэффициент.

 

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечить схема температурной стабилизации:

 

        (3.2.15.)

 

Рассчитываем  сопротивления R6 и R10:

 

    (3.2.16.)

где:

a₀ – коэффициент передачи тока базы.

 

      (3.2.17.)

 

  (3.2.18.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R6=1,3 кОм.

 

      (3.2.19.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R10=13 кОм.

Проверим, обеспечит ли транзистор требуемое  значение коэффициента усиления на высокой частоте (ВЧ). Для этого определим постоянную времени каскада на ВЧ:

 

      (3.2.20.)

 

Определяем  верхнюю граничную частоту каскада:

 

      (3.2.21.)

 

Поскольку полученное значение во много раз превосходит f_в=20 кГц, то каскад обеспечит требуемое значение коэффициента усиления на высокой частоте.

Определяем  входное сопротивление предварительного каскада:

 

              (3.2.22.)

 

Рассчитаем  номиналы разделительного конденсатора С2 и блокировочного конденсатора С4:

 

    (3.2.23.)

 

Выбираем  из ряда С2=33мкФ.

 

    (3.2.26.)

 

Выбираем  из ряда С4=220 мкФ.

 

3.3. Расчет входного каскада усилителя

 

Схема каскада  соответствует схеме, показанной на рис.2.1. Зададим типовой режим работы транзистора:

U_к0=5 В;

I_к0=10 мА; 

U_бэ0=0,65 В;

I_б0=75 мкА.

Примем  падение напряжения на сопротивлении Rэ равным:

 

        (3.3.1.)

 

Тогда:

 

      (3.3.2.)

 

     (3.3.3.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R3=1,8 кОм.

Определим эквивалентное сопротивление нагрузки входного каскада по переменному току:

 

      (3.3.4.)

 

Y-параметры транзистора в рабочей точке в типовом режиме можно определить из справочной литературы:

 

 

Y₁₁=2,5 мСм;

Y₂₁=380 мА/В;

Y₂₂=0,17 мСм.

Находим эквивалентную проводимость:

 

     (3.3.5.)

 

Определим коэффициент усиления входного каскада без учета воздействия ООС:

 

        (3.3.6.)

 

Рассчитаем  номиналы сопротивлений R1 и R2, обеспечивающих температурную стабилизацию рабочей точки входного каскада.

Допустимое  изменение тока коллектора:

 

       (3.3.7.)

 

Изменение обратного тока коллектора:

 

  (3.3.8.)

где:

DТ=Т_max-20⁰C=50-20=30⁰C;

a=0,1 – температурный коэффициент.

 

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечить схема температурной стабилизации:

 

        (3.3.9.)

 

Рассчитываем  сопротивления R1 и R2:

 

    (3.3.10.)

где:

a₀ – коэффициент передачи тока базы.

 

      (3.3.11.)

 

  (3.3.12.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R1=5,1 кОм.

 

      (3.3.13.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R2=13 кОм.

 

Согласно  предварительному расчету, проведенному в главе 1, требуемое значение коэффициента усиления входного каскада должно быть равно 12. Определим требуемую глубину ООС:

 

         (3.3.14.)

 

Определяем  номинал резистора R4, обеспечивающего ООС:

 

       (3.3.15.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R4=51 Ом.

 

Тогда:

 

       (3.3.16.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R5=200 Ом.

Проверим, обеспечит ли транзистор требуемое  значение коэффициента усиления на ВЧ. Для этого определим постоянную времени каскада на ВЧ:

 

  (3.3.17.)

 

Определяем  верхнюю граничную частоту каскада:

 

      (3.3.18.)

 

Поскольку полученное значение во много раз превосходит f_в=20 кГц, то каскад обеспечит требуемое значение коэффициента усиления на высокой частоте.

Определяем  входное сопротивление входного каскада:

 

     (3.3.19.)

 

Рассчитаем  номиналы конденсаторов С1 и С3:

 

    (3.3.20.)

 

Выбираем  из ряда С1=6,8 мкФ.

 

    (3.3.21.)

 

Выбираем  из ряда С3=220 мкФ.

 

Рассчитаем  коэффициент передачи входной цепи:

 

      (3.3.22.)

 

 

Заключение

 

В курсовом проекте был разработан усилитель звуковых частот.

Была разработана структурная схема усилителя на биполярных транзисторах, произведен предварительный расчет всей схемы, рассчитано необходимое число каскадов.

Далее были составлены принципиальные электрические схемы всех узлов усилителя на транзисторах, а именно: входного каскада, оконечного и каскада предварительного усиления.

Был произведен выбор активных элементов для всех каскадов усилителя.

Спроектированный  усилитель работает при напряжении питания 24 В при температуре окружающей среды до 50°С. Усилитель имеет полосу пропускания от 20 Гц до 20 кГц.

Некоторым недостатком спроектированного усилителя является необходимость подборки элементов. Также недостатком данного усилителя является сравнительно большое количество элементов, что приводит к трудностям при настройке схемы усилителя.

 

Список использованной литературы

 

1. Пряников В.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Методические указания к курсовому проекту. Чуваш.ун-т Чебоксары, 2001г, 40с.
2. Пряников В.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Курс лекций, Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2010. 203 с.
3. Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем. Примеры и задачи. М.: Высш. шк., 1987. 325 с.
4. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. – 3-е изд., перераб. и доп. М.; Радио и связь, 1988. 199 с.
5. Кибакин В.М. Основы теории и разработки транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.: Радио и связь, 1988. 240 с.
6. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 9-е изд., перераб. К.: Техника, 1980. 464 с.
7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности./А.А. Зайцев: Под ред А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1994. – 384с.
8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности./А.А. Зайцев:Под ред А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1994. 384с.
9. Войшвилло Г.В., Караванов В.И. Проектирование усилительных устройств на транзисторах. М.: Связь, 1972. 184 с.
10. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства, М.: Связь 1975. 384 с.
11. Попов П. А. Обратная связь в транзисторных усилителях. МРБ, вып. 714. М.: Энергия, 1969. 64 с.
12. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л. Перельмана.  М.: Радио и Связь, 1982. 576 с.