Усилитель звуковой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА РТС

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине:

«Схемотехника аналоговых электронных устройств»

на тему: “Усилитель звуковой частоты”

Выполнил: ст. гр. 019

Паршиков В.А.

Проверил: Духанин Н.Г.

Рязань 2012 г



Содержание

Введение

Разработка структурной схемы

Расчёт оконечного каскада

Расчёт нелинейных искажений

Расчёт регулятора тембра

Расчет предоконечного каскада

Расчет регулировки усиления и элементов схемы предоконечного каскада

Расчет разделительных конденсаторов схемы

Заключение



Введение

Усилители звуковой частоты (УЗЧ) применяются во всех частях тракта радиовещания: студийной, передающей, приемной. УЗЧ применяются так же в каналах записи и воспроизведения звука. Кроме радиовещания они широко используются в различных областях техники. Основное назначение усилителей мощности - это усиление сигнала, т. е. при подаче на вход усилителя мощности электрического сигнала малой мощности на нагрузке получается сигнал той же формы, но большей мощности. Для усиления сигналов используется энергия источника питания при помощи усилительных элементов.

УЗЧ делятся на две группы: усилители недетерминированных сигналов и усилители детерминированных сигналов. К первой группе относятся усилители, работающие от звуковых сигналов после их преобразования в электрические. Назначением этих усилителей является передача звуковой информации. Усилители второй группы входят в состав аппаратуры вещания, а также звукового кино. Ко второй группе относятся усилители, входящие в состав устройств автоматического управления и контроля, а так же усилители измерительных устройств.

Требования к электрическим параметрам усилителей звуковых сигналов предъявляются на основе компромисса между соображениями о качестве воспроизведения и экономичности. При этом для головных звеньев тракта передачи и для магистральных кабельных и радиорелейных линий, обслуживающих весьма большие контингенты слушателей и зрителей, электроакустические показатели выбираются предельно высокими, а для распределительной и приемной сетей по экономическим соображениям - существенно более низкими. Вследствие массивности и больших суммарных мощностей усилителей распределительной и приемной сетей большое значение приобретает требование высокой энергетической эффективности.



Разработка структурной схемы

Основываясь на предварительном анализе технического задания можно сделать вывод, что нужно спроектировать усилитель звуковой частоты небольшой мощности, к которому не предъявляются очень высокие требования по качеству воспроизведения и условиям эксплуатации. Однако, усилитель должен иметь компактные размеры и удовлетворять массовости производства, то есть собран из недорогих деталей. Поэтому, для получения необходимого результата проекта, будем разрабатывать как можно более простую и дешевую схему с малым количеством деталей.

Структурные схемы применяются для упрощённого изображения схем электронных устройств, в том числе и схем усилителей. Структурная схема состоит из прямоугольников, обозначающих основные узлы устройства. Структурные схемы называют также блок-схемой или функциональной схемой.

Блок-схема разрабатываемого усилителя изображена на рис.1.

Рис.1.

Входное устройство служит для передачи сигнала от источника сигнала во входную цепь предварительного усилителя тогда, когда прямое подключение к источнику сигнала невозможно или нецелесообразно. В нашем случае это конденсатор, который предотвращает попадание постоянной составляющей на вход регулятора тембра.

Регулятор усиления используется для обеспечения желаемой мощности на выходе усилителя. Регулятор усиления может быть реализован в виде обычного делителя или выполнен по схеме с применением ООС ОУ. В разрабатываемой схеме регулятор усиления будет смонтирован в цепи обратной связи усилителя.

Предоконечный каскад используется для усиления напряжения, тока и мощности сигнала до величины необходимой для подачи на вход оконечного каскада мощности. Обычно предоконечный каскад обеспечивает усиление по напряжению.

Оконечный каскад предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала.

Отрицательная обратная связь (ООС) охватывает усилитель в целом, понижая уровень нелинейных искажений усилителя, вносимых оконечным каскадом, а также для повышения стабильности. Но при введении ООС понижается коэффициент усиления каскадов ей охваченных.

Блок питания обеспечивает устройство энергией, впоследствии преобразуемой в энергию усиленного сигнала.

В разрабатываемой схеме отсутствует входной каскад. Обоснованием этого служит стремление к удешевлению устройства, к тому же в качестве промежуточного каскада используем ОУ, с помощью которого обеспечим необходимый коэффициент усиления по напряжению всего усилителя. Регулировка усиления будет построена на этом же ОУ. Можно сделать регулировку тембра активной, на этом же ОУ, однако, это чревато взаимным влиянием усиления на тембр, и к тому же расчет такой схемы слишком сложен. Поэтому сделаем ее пассивной, и поставим на входе устройства, а все потери в регуляторе скомпенсируем дополнительным увеличением коэффициента усиления ОУ. При этом несколько возрастут шумы усилителя, однако, так как ограничения в этой области в техническом задании не указаны, то учитывать шумы не будем.



Расчет оконечного каскада

В настоящее время широко применяются усилители с двухтактным бестрансформаторным оконечным каскадом и последовательным питанием транзисторов по постоянному току. Вследствие симметрии двухтактных схем и возможности поочерёдной работы плеч, они могут работать в энергетически более выгодных режимах класса В и АВ. При этом удаётся существенно повысить к. п. д. и отдаваемую мощность при сравнительно небольшом уровне нелинейных искажений.

Наиболее целесообразен для двухтактных усилителей режим класса АВ. Особенностью режима класса АВ является зависимость среднего значения токов баз и коллекторов от уровня подводимых сигналов. Изменение средних токов в зависимости от амплитуды сигналов является препятствием для осуществления температурной стабилизации режима. Поэтому обычные схемы стабилизации оказываются непригодными.

Указанное в техническом задании значение выходного напряжения и сопротивление нагрузки позволяют определить необходимую мощность в нагрузке. Примерно оценивая значение выходной мощности, приходим к выводу, в выходном каскаде в качестве оконечных транзисторов целесообразно использовать транзисторы разной полярности, благо при малых мощностях такую комплементарную пару подобрать не сложно.

Работа предоконечного каскада существенно влияет на качественные показатели оконечного усилителя. Это обусловлено, прежде всего, тем, что цепи возбуждения мощных транзисторов являются низкоомными и потребляют значительную мощность возбуждающих колебаний. Для обеспечения работы транзисторов предоконочного каскада в режиме АВ на их базы приходится подавать небольшое начальное смещение.

Оконечные каскады питаются обычно от двух источников напряжения, что часто неудобно. Так как в симметричной двухтактной схеме ток в цепи нагрузки не содержит постоянной составляющей, последовательно с нагрузкой можно включить разделительный конденсатор Сp и заменить два источника питания одним с удвоенным напряжением. Так как по техническому заданию необходимо спроектировать устройство с одним источником питания, то используем схему с несимметричным питанием.

На основании выше сказанного можно составить принципиальную электрическую схему оконечного усилителя мощности (рис.2).

Рис.2

Данная схема на составных транзисторах является квазикомплементарной схемой с искусственной дополнительной симметрией. Транзисторы VT1, VT3 и VT2, VT4 образуют составные транзисторы, включённые по схеме с общим коллектором. Составные транзисторы используются с целью увеличения коэффициента усиления по току и входного сопротивления всего каскада. Резисторы R1 и R2 задают необходимую величину тока покоя предоконечных транзисторов. Диоды обеспечивают температурную компенсацию положения исходной РТ. Резисторы R3 и R4 введены в схему, чтобы предотвратить работу предоконечных транзисторов в "голодном" режиме по току. Разделительный конденсатор, помимо осуществления питания нижнего плеча, защищает нагрузку от тока короткого замыкания в случае пробоя транзисторов.

Расчет элементов схемы

Расчет оконечных транзисторов

Напряжение источника питания:

Положим ,

Тогда:

Стандартный источник питания

Для последующего выбора оконечных транзисторов нужно найти амплитуду напряжения на нагрузке:

и амплитуду коллекторного тока:

Постоянное и переменное напряжение во входной цепи каскада создают максимальное напряжение между коллектором и эмиттером:

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора в режиме B, равна

Предельная частота оконечных транзисторов должна быть не менее следующей:

По рассчитанным данным Iкm, Uкэmax, Pк max, fh21э выберем оконечные транзисторы VT3 , VT4.

По справочным данным в качестве VT3 и VT4 выбираем пару транзисторов 2SB1412TLP.

Для построения нагрузочной прямой (рис.3) вычислим Uкэ и Iк :

усилитель частота каскад конденсато

Выходные характеристики транзистора 2SB1412TLP:

Рис.3

Определим фактически отдаваемую оконечными транзисторами мощность:

Таким образом, видно, что в нагрузке обеспечивается необходимое значение мощности.

Уточним фактический коэффициент использования напряжения:

В справочнике коэффициент передачи по току:

Амплитуда базового тока:

Выбор предоконечных транзисторов

Амплитуда переменной составляющей предоконечных транзисторов для частот, превышающих коэффициент усиления по току, составляет:

Ток покоя лучше задавать только в предоконечных транзисторах, обеспечивая падение напряжения на резисторах R3 и R4 порядка 0.4 В. Для того, чтобы получить достаточно низкий уровень переходных искажений, выбираем наименьшую допустимую величину тока покоя:

Тогда сопротивление резисторов

Зададим номинальные значения резисторов .

По входным характеристикам транзистора 2SB1412TLP определим величину :

Рис.4

Теперь может быть уточнены амплитуда коллекторного тока:

Максимальная мощность рассеяния на предоконечных транзисторах:

По справочнику выбираем транзисторы:

PNP-П416

NPN-П417А

По справочнику определяем величину (статический коэффициент усиления по току):

Токи базовой цепи:

Рис.5

По входным характеристикам (рис.5) для транзистора VT1 определяем величину , а для транзисторов VT1 и VT2 соответственно величины и . Находим напряжение смещения между базами транзисторов VT1 и VT2:



По справочным данным выберем диод Д105.

По статическим характеристикам выбранного типа диода (рис.6) находим соответствующее току напряжение на диоде:

Рис.6

, так как .

В схеме следует установить 2 таких диода.

Расчет резисторов и :

Номинал



Расчёт нелинейных искажений

Для определения нелинейных искажений оконечного каскада необходимо построить сквозную динамическую характеристику, устанавливающую зависимость тока в нагрузке от входного напряжения каскада , то есть . С учётом присущей эмиттерному повторителю обратной связи входное напряжение:

По входной характеристике предоконечных транзисторов находим

Для построения сквозной характеристики одного плеча достаточно трёх точек.

1-ая точка:

2-ая точка:

По выходным характеристикам оконечного транзистора определяем ток , а по входным характеристикам - напряжение :

Рассчитаем токи предоконечного транзистора:

По входной характеристике КТ719А находим

3-я точка:

По входной характеристике КТ719А

Ток Iк=Iкm соответствует амплитуде входного сигнала

Половине амплитуды входного сигнала соответствует ток Iк=Iк1, который определяем по величине входного сигнала

Значения токов Iкm, Iк1, Ioк с учётом асимметрии плеч являются исходными для определения сквозной динамической характеристики.

Метод пяти ординат.

Если параметры оконечных транзисторов отличаются не более чем на 15…20%, то при определении сквозной динамической характеристики каскада в целом следует принимать коэффициент асимметрии b=0.15…1.20.175

Средние значения тока и амплитуды токов гармоник получаются из следующих соотношений:

Выполним проверку:

4.95(результаты расчётов верны)

Коэффициент гармоник.



По заданию к курсовой работе

Расчет регулятора тембра

В ряде усилительных устройств необходимо регулировать АЧХ в определенных областях частот. Осуществляемая с помощью регуляторов тембра, она позволяет существенно приблизить тембр звучания к естественному. Для регулировки АЧХ используют пассивные частотно- зависимые цепи либо цепь с частотно- зависимой ООС. В этапе разработки структурной схемы, мы условились, что регулировку тембра сделаем пассивной. По техническому заданию требуется рассчитать регулятор тембра с двусторонней регулировкой в области ВЧ. Схема пассивного регулятора тембра ВЧ изображена на рис.7

Рис.7

При расчете регулятора тембра необходимо учитывать влияние смежных цепей. Выбирать сопротивление регулятора следует в таких пределах, чтобы, с одной стороны регулятор тембра не нагружал предшествующую ему цепь, а с другой--последующая цепь несущественно нагружала регулятор, или, другими словами, необходимо реализовать достаточно большие значения коэффициентов включения нагрузки:

, где и - минимальное входное и максимальное выходное сопротивления регулятора; -сопротивление источника сигнала (в нашем случае это входной источник сигнала усилителя), -входное сопротивление последующего каскада (каскада предварительного усиления).

Зададим обычные для практики коэффициенты нагрузок:

Выберем частоту начала спада (подъема АЧХ в области ВЧ):

, тогда: .

Определим коэффициент коррекции по зависимостям для ВЧ регуляторов тембра. По техническому заданию , находим:

.

Сопротивление регулятора определяется приближенным соотношением:

, по техническому заданию сопротивление источника сигнала для усилителя равно, тогда:

Постоянная времени регулятора:

, обычно, x' принимают равным 0.5 для регуляторов ВЧ:

Определим емкость регулятора:

.

Выясним какое затухание вносит регулятор тембра в полосе равномерного усиления:

.

Рассчитаем необходимое сопротивление следующего каскада по приближенной формуле:

Элементы схемы рассчитываемого регулятора определяются следующим образом:

Выберем номиналы элементов схемы регулятора следующими:

Рассчитаем коэффициент передачи тембрблока на СЧ:

Расчет предоконечного каскада

Важным элементом схемы является предварительный усилитель. Основной задачей предварительного каскада является увеличение уровня входного сигнала усилителя до величины, необходимой для возбуждения оконечного каскада и равной U1m. Кроме того, каскад предварительного усиления должен компенсировать ослабление сигнала в регуляторе тембра, коэффициент передачи которого . Помимо того, мы договорились на предварительном усилителе реализовать регулировку усиления всего усилителя. Предусилитель определяет отношение сигнал-шум всей схемы, поскольку он работает с малыми сигналами. Поэтому при выборе ОУ следует обратить особое внимание на его показатели. Принципиальная схема предварительного усилителя реализованного на ОУ К157УД4А приведена на рис.8.

Рис.8.

В конечном счете в результате предварительного усиления должна быть обеспечена величина:

, что достигается при коэффициенте усиления предварительных каскадов:

, где - заданный в техническом задании коэффициент усиления по напряжению разрабатываемого усилителя, а - коэффициент передачи регулятора тембра.

Таким образом, необходимый коэффициент усиления предоконечного каскада:

Для выбранной микросхемы К157УД4А, при заданном техническим заданием питании 12В, коэффициент усиления по напряжению . Чтобы получить рассчитанное значение , необходимо ввести ООС с глубиной:

.

Очевидно, что коэффициент гармоник при такой глубине ООС будет меньше чем указанный в задании, так как глубина ООС оказалась значительно больше, чем необходимая (ранее рассчитанная):

Коэффициент передачи обратной связи в этом случае равен:

Расчет регулировки усиления и элементов схемы предоконечного каскада

Выразим коэффициент усиления Кu в децибелах:

По техническому заданию требуется обеспечить регулировку усиления в рассчитываемом усилителе 28 дБ. Поэтому, минимальный коэффициент усиления усилителя равен 60-28=32 дБ. Выразим его в разах:

Итак, коэффициент передачи усилителя должен варьироваться в диапазоне

.

В выбранной схеме предоконечного каскада коэффициент передачи определяется соотношением:

При коэффициент усиления .

Пусть , а .

При Коэффициент усиления.

Примем номинал R4=39 кОм.

Резисторы R1 и R2 необходимы для подачи на неинвертирующий вход ОУ напряжения смещения, равное E/2, поскольку для питания ОУ используется несимметричный источник. Параллельное соединение этих резисторов по переменному току определяет входное сопротивление каскада. Из этапа проектирования регулировки тембра было выяснено, что входное сопротивление этого каскада должно быть не меньше 386 Ом. Поэтому зададим R1=R2=750 кОм.

Расчет разделительных конденсаторов схемы

Оглядываясь на структурную схему проектируемого устройства (рис.1) и детализированную схему предоконечного каскада (рис.8) видно, что разделительных конденсаторов в усилителе всего четыре. Распределим заданные в техническом задании искажения на нижних частотах по долям на каждый из этих элементов в следующем порядке. Суммарные искажения составляют 1 дБ. На все конденсаторы кроме того, который отделяет нагрузку, отведем по 0.1 дБ, на нагрузочный же отложим 0,7 дБ.

Рассчитаем конденсаторы в схеме предоконечного каскада.

С1- разделительный конденсатор.

, где М- доля искажений, отводимая на данный элемент. R- входное сопротивление ОУ, которое определяется параллельным соединением резисторов R1, R2. Поскольку получаем:

Выберем

Конденсатор необходим для изоляции второго входа ОУ от постоянного напряжения источника питания. Выбирается он из соображений:

Выберем

- корректирующая емкость, необходимая для предотвращения самовозбуждения ОУ на верхних частотах.

По справочным данным .

Итого, номиналы элементов схемы предоконечного каскада следующие:

Рассчитаем теперь разделительные емкости на входе и выходе.

Входной конденсатор (рис.1) рассчитывается по соотношению:



Выберем номинал

Выходной разделительный конденсатор перед нагрузкой (рис.1):

Так как на него отведено искажений, то:

Выберем номинал



Заключение

В данном курсовом проекте было разработано устройство усиления звуковых частот, удовлетворяющее техническому заданию. Данный усилитель получился достаточно простым и дешевым, что удовлетворяет серийности производства. К достоинствам этого аппарата можно отнести его компактность и малый коэффициент гармоник.

В данной курсовой работе я познакомился с принципами проектирования усилительных устройств на примере реализации усилителя звуковых частот.

В процессе разработки структурной схемы УЗЧ я получил практический опыт работы со справочным материалом [3,4,5]. При оформлении пояснительной записки мной были освоены пакеты прикладных программ, таких как:

sPlan 8.0

Microsoft Visio 2010

Microsoft Office 2010

Усилитель звуковых частот широко применяемая схема, но способы её реализации безграничны, что даёт начинающему инженеру возможность творческого мышления и навыки разрешения поставленной задачи оптимальным путём.

Размещено на Allbest.ru

...