Проектирование усилителя мощности звуковых частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский государственный технический университет

Кафедра: Радиотехнические устройства и системы диагностики

Курсовой проект

Проектирование усилителя мощности звуковых частот

Выполнил:

Давыдов Виктор Андреевич

Аннотация

В данном курсовом проекте спроектирован усилитель мощности звуковых частот (УМЗЧ) с выходной мощностью 1 Вт. Проведен расчет основных параметров УМЗЧ. По заданным значениям и параметрам составлена схема УМЗЧ. Схема выполнена в виде мостового включения двух операционных усилителей, каждый из которых состоит из входного (дифференциального) каскада, двух промежуточных каскадов (дифференциального и каскада с общим эмиттером) и выходного - двухтактного каскада, с введением отрицательной обратной связи. В расчетах были использованы графики статистических характеристик транзисторов.

Введение

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) предназначен для передачи сигнала от источника возбуждения в нагрузку с одновременным усилением сигнала по мощности. УМЗЧ можно рассматривать и как генератор, в котором энергия источника питания преобразуется в энергию переменного сигнала под воздействием входного напряжения определенной амплитуды. Поэтому УМЗЧ также называют генераторами с внешним возбуждением. Усилительные устройства являются одним из важнейших узлов радиоэлектронной аппаратуры и в значительной степени определяют её качественные показатели. Разработка усилительного устройства представляет собой решение комплекса схемотехнических и конструктивных вопросов. От того насколько рационально выбрана схема и правильно рассчитан режим работы её элементов во многом зависит конструкция усилителя, его технологичность, стабильность во времени и при изменении условий эксплуатации. Поскольку требования к радиотехническим устройствам обычно противоречивы, разработчик ищет оптимальный вариант, наилучшим образом отвечающий всем поставленным требованиям. Особые требования обычно оговариваются дополнительно в техническом задании. Естественно, что задача синтеза, а именно такова задача разработки усилителей низкой частоты (УНЧ), предполагает наличие нескольких альтернативных вариантов, из которых с учётом требований технического задания обоснованно выбирается наиболее предпочтительный.

Современная компонентная элементная база насыщена интегральными микросхемами усилительных устройств низких частот, но это не останавливает развитие схемотехники УНЧ на дискретных транзисторах. Большинство высококачественных УНЧ, продаваемых сегодня на рынке, по прежнему изготовлены с использованием дискретной элементной базы. В разрабатываемых высококачественных УНЧ обычно используются биполярные транзисторы (БП), хотя в настоящее время существует широкая номенклатура полевых транзисторов (ПТ). ПТ позволяют в ряде случаев существенно улучшить параметры разрабатываемых УНЧ. Хорошие результаты даёт совместное применение БП и ПТ. В связи с огромным диапазоном применения электронных усилителей источники усиливаемых сигналов и нагрузки могут быть самыми разнообразными. В качестве источников сигнала используются микрофоны, термопары, фотоэлементы и другие устройства, а также усилители, уровни выходных сигналов которых недостаточны для нормального функционирования нагрузки.

Усиление представляет собой процесс преобразования энергии некоторого ее источника, называемого источником питания, потребляется мощность P₀, часть которой Р₂, называемая выходной мощностью, в преобразованном виде передается нагрузке. Для преобразования мощности Р₀, как правило, затрачивается мощность Р₁, получаемая от источника сигнала и называемая входной. Отсюда следует, что усиление представляет собой процесс увеличения мощности источника сигнала. Устройство, обладающее способностью увеличивать мощность источника сигнала, называется усилителем (Рис.1.) Таким образом, неотъемлемым свойством усилителя является его способность увеличивать мощность входного сигнала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Обобщенная схема усилительного устройства

Элементы, обладающие способностью усиливать, называются усилительными элементами (УЭ). К их числу относятся электронная лампа, транзистор, некоторые виды интегральных микросхем (ИМС), дроссель насыщения (в магнитном усилителе), варикап или вариконд (в емкостном усилителе) и другие. Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. 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), обеспечивающих питание УЭ и наивыгоднейшие условия их работы. Один усилительный элемент с присоединенными к нему элементами связи образуют каскад усиления -- минимальную часть усилителя, сохраняющую его функцию. В общем случае усилитель содержит несколько каскадов усиления, образуя многокаскадное устройство.

1. Анализ состояния вопроса

Современные ОУ различаются по схемотехническому исполнению, их параметрам и использованию. Все параметры ОУ, а их довольно большое число, делятся на несколько классов, и каждый тип ОУ имеет параметры, относящиеся только к одному классу. Это обеспечивает минимальное число типов ОУ и малую дискретность параметров, хотя для потребителя было бы удобнее, чтобы типу ОУ соответствовали различные сочетания параметров. Но такой принцип классификации привел бы к чрезмерному увеличению типов ОУ. Поэтому целесообразной считается специализация ОУ по наиболее существенным параметрам. В зависимости от применения различают ОУ общего применения, специальные, прецизионные, измерительные, электрометрические, быстродействующие, широкополосные и др. Наиболее часто используемая в УМЗЧ трехкаскадная архитектура показана на Рис. 2.

Рис. 2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве входного каскада ОУ в большинстве случаев используется дифференциальный каскад (ДК) (Рис. 3) с достаточно большим коэффициентом усиления по отношению к разности входных сигналов и сильным ослаблением по отношению к синфазным сигналам.

Рис. 3

Как всякий балансный каскад, он мало чувствителен к изменениям напряжения источника питания, температуры и другим дестабилизирующим воздействиям. Кроме того, ДК может иметь сравнительно большое входное сопротивление, если в нем применяются полевые, составные (Рис. 3) транзисторы или предпринимаются другие меры, способствующие увеличению входного сопротивления. Во входном каскаде минимизируется напряжение смещения или сдвига, обусловленное неточным согласованием напряжений база--эмиттер входных транзисторов, ослабляется чувствительность к синфазным сигналам и т. д. Этим каскадом определяется полное входное сопротивление ОУ. Схемотехника ДК, по сравнению с другими каскадами ОУ, достаточно разнообразная и сложная.

За ДК следует промежуточный каскад (их может быть несколько), осуществляющий основное усиление напряжения и тока ОУ. Промежуточный каскад согласует входной каскад с оконечным и позволяет уменьшить напряжение покоя на выходе ОУ до нуля, т. е. он должен транслировать вниз до нулевого значения постоянный потенциал, который возрастает от входа к выходу в ОУ с непосредственной связью между каскадами. В промежуточных каскадах могут использоваться как симметричные (дифференциальные), так и несимметричные схемы. Для увеличения коэффициента усиления напряжения в этих каскадах часто применяются динамические нагрузки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Каскад ОЭ с местной ООС по току

Промежуточные каскады должны обеспечивать на выходе ток, достаточный для нормальной работы транзисторов оконечного каскада. Наконец, в качестве третьего каскада работает двухтактный эмитгерный повторитель, то есть и входной и выходной сигналы передаются в виде напряжения. Значение коэффициента усиления по напряжению всей трехкаскадной схемы в основном определяется усилением второго каскада, поэтому его часто называют усилителем напряжения (УН) или вместо этого используют термин предусилителъ. В оконечном каскаде требуется получить минимальное выходное сопротивление ОУ, а также выходные токи и напряжение, достаточные для питания предполагаемой нагрузки. Оконечный каскад ОУ должен иметь сравнительно большое входное сопротивление, чтобы сильно не нагружать промежуточный каскад. Следовательно, в качестве оконечного каскада ОУ используется эмиттерный или истоковый повторитель с большим входным и низким выходным сопротивлениями.

Однако однотактные эмиттерные и истоковые повторители имеют низкий КПД, что приводит к выделению значительного количества тепла в транзисторе и, как следствие, к сильному нагреву кристалла, отвод тепла от которого в микросхемах затруднен. Поэтому в оконечных сравнительно мощных каскадах ОУ, как правило, применяются истоковые повторители, транзисторы которых работают в режимах В и АВ. Это позволяет значительно повысить КПД оконечного каскада, уменьшить потери в его транзисторах и упростить процесс охлаждения кристалла.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Двухтактный эмиттерный

Оконечные каскады имеют большое разнообразие схем исполнения, некоторые из которых представлены ниже (Рис. 6-8).

Рис. 6. Установка режима АВ при помощи двух источников смещения

Основная проблема режима АВ заключается в необходимости поддерживать ток покоя неизменным в широком интервале рабочих температур.

Поскольку при повышении температуры ток покоя увеличивается, что в свою очередь приводит к дальнейшему увеличению температуры кристалла и в результате к его тепловому разрушению. Данный эффект является термической положительной обратной связью.

Для компенсации такой обратной связи необходимо уменьшать напряжения источников U1 и U2 на (1...2) мВ при увеличении температуры транзисторов на каждый градус Цельсия. Для этого в качестве источников напряжения можно использовать диоды или термосопротивления, конструктивно установленные на корпусах мощных транзисторов.

Рис. 7. Оконечный каскад на составных транзисторах

При работе каскада на составных транзисторах в классе АВ установка тока покоя связана с определенными неудобствами, вызванными необходимостью компенсации четырех напряжений база-эмиттер, зависящих от температуры. Этого можно избежать, если задавать ток покоя только для входных транзисторов VT1 и VT2 (Рис. 7), при этом мощные выходные транзисторы VT3 и VT4 будут открываться только в моменты появления больших выходных токов. В некоторых случаях, например при большой мощности в нагрузке или с целью снижения пикового мгновенного значения тока коллектора в выходных транзисторах для уменьшения так называемых тепловых искажений, целесообразно применять параллельное включение выходных транзисторов (Рис. 8). Это позволяет снизить тепловую мощность, рассеиваемую на каждом отдельном кристалле, так как мгновенный ток в нагрузке есть сумма всех коллекторных токов.



Рис. 8. Параллельное включение транзисторов оконечного каскада

Положительным эффектом является уменьшение специфических тепловых искажений, возникающих из-за повышения мгновенной температуры кристаллов транзисторов. Также облегчается выбор выходных транзисторов по такому параметру, как коэффициент усиления по току, который в случае больших выходных токов при использовании одного транзистора вместо параллельного включения нескольких транзисторов часто становится критическим параметром вследствие необходимости использовать более сильноточные цепи источников смешения в пред оконечном каскаде.

Описанная архитектура (каскадного построения усилителя) имеет целый ряд достоинств, наиболее ценным из которых является хорошая развязка между каскадами, предотвращающая их взаимное влияние друг на друга. Например, изменение напряжения на входе второго каскада практически не влияет на его работу, так как он имеет токовый вход, в результате уменьшается влияние второго каскада на выходной сигнал первого и ослабляется действие эффектов Миллера и Эрли. Конденсатор, подключенный между выводами коллектора и базы транзистора второго каскада, позволяет снизить выходное сопротивление этого каскада, чтобы нелинейность нагрузки выходных эмиттерных повторителей (которая приводит к колебаниям входного импеданса третьего каскада) не смогла существенно ухудшить значение КНИ усилителя в целом.

Для линеаризации характеристики усилителя используется ООС, допустимая глубина которой определяется значением коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи. Выходной каскад на Рис.1. имеет единичный коэффициент усиления. Поэтому общий коэффициент усиления всей трехкаскадной схемы находится как произведение коэффициентов усиления входного дифференциального каскада и усилителя напряжения. Значение коэффициента усиления последнего главным образом определяется (за исключением очень низких частот) номиналом конденсатора, включенного между базой и коллектором транзистора второго каскада. При замкнутой петле ОС обычно удается достичь усиления по напряжению от +20 до +30 дБ. Коэффициент обратной связи при этом составляет 25-40 дБ на частоте 20 кГц, увеличиваясь на 6 дБ при понижении частоты на каждую октаву, после чего остается неизменным при дальнейшем понижении частоты. По данной трехкаскадной схеме выполняется около 99% всех транзисторных усилителей, поэтому рассмотрим подробнее варианты выполнения таких схем. На Рис.9. приведена простая классическая схема усилителя мощности звуковой частоты, по которой было построено большинство усилителей в 60-х, 70-х годах. Данная схема приведена в книге Атаева Д.И. «Функциональные узлы усилителей высококачественного звуковоспроизведения». По этой же схеме был построен, например, советский усилитель "Радиотехника 020".

Рис. 9. Схема УНЗЧ 30 Вт

Схема имеет следующие параметры:

Сопротивление нагрузки - 4 Ом.

Номинальная мощность - 50 Вт.

Коэффициент усиления с обратной связью - 28 дБ.

Отношение сигнал-шум (при мощности 50 Вт) - 89 дБ.

Полоса частот в режиме малого сигнала по уровню -3дБ 20..50 кГц.

Входная цепочка из 10 мкФ, 10 кОм - обычная. Емкость - разделительная, а резистор обеспечивает на себе такое же падение напряжения из-за входного тока транзисторов дифкаскада, что и 10 кОм в цепи обратной связи, он же определяет входное сопротивление усилителя. Входной каскад - обычный на малосигнальных малошумящих транзисторах с большим коэффициентом усиления по току h_21e ("бета") и допустимым напряжением коллектор-эмиттер не менее 40 В. Цепь справа от второго транзистора дифкаскада, состоящая из резисторов 430 Ом, 10 кОм и конденсатора 50 мкФ - цепь обратной связи - определяет коэффициент усиления усилителя с обратной связью. По постоянному току он равен 1, а по переменному в звуковом диапазоне частот10/0.43+1=24 или около 28 дБ.

Емкость на входе вместе с входным резистором 10 кОм и емкость обратной связи вместе с резистором обратной связи определяют нижнюю границу частотного диапазона усилителя, которая в данном случае высоковата. Второй каскад усилителя - каскад с общим эмиттером на транзисторе КТ814В и волдьтдобавкой на емкости 100 мкФ, подсоединенной одним концом к выходу усилителя, а другим - в точке соединения резисторов по 3.9 кОм. Вольтдобавка позволяет получить больший размах выходного напряжения, но вносит свои искажения. Конденсатор 50 пФ является конденсатором коррекции "на запаздывание" и обеспечивает устойчивость, т.е. отсутствие возбуждения на высокой частоте.

Цепочка из двух диодов D1-2 создает напряжение смещения на базах трнзисторов выходного каскада, каждое плечо которого построено на транзисторах разной проводимости, обеспечивая вместе с резисторами 0.22 Ом определенный начальный ток. Выходной каскад работает в режиме AB, т.е. начальный ток не равен нулю (в режиме B начальный ток равен нулю и выходные транзисторы закрыты в отсутствие сигнала) и существенно меньше максимальных рабочих токов. RC цепь с выхода усилителя на землю обеспечивает дополнительную устойчивость работы усилителя при разных нагрузках и без них. Рассмотрим также вариант построения мостовой схемы.

Рис. 10. Схема мостового УМЗЧ

Номинальное входное напряжение 0.35 В

Номинальная (максимальная) выходная мощность при сопротивлении нагрузки 4 Ом 16 (20) Вт.

Номинальный диапазон частот 40…20000 Гц.

Скорость нарастания выходного напряжения 25 В/мкс.

Коэффициент гармоник при номинальной мощности на частоте:

20 кГц 0.35%.

10 кГц 0.32%.

1 кГц 0.32%.

УМЗЧ состоит из двух усилителей. Рассмотрим один из них выполненный на базе усилителя мощности. Транзистор VT1 работает в каскаде усиления напряжения, а остальные VT2_VT5 (все с малыми напряжениями насыщения Uнас) образуют составной эмиттерный повторитель усиления мощности, работающий в режиме АВ (ток покоя 20…30 мА). Диоды VD1 и VD2 улучшают термостабильность тока покоя. Транзистор VT3 обеспечивает необходимую раскачку транзистора VT5. С целью максимального использования напряжения источника питания в усилитель введены две цепи положительной обратной связи (ПОС) по напряжению. При положительной полуволне усиливаемого сигнала работает цепь R5R6C3, а при отрицательной R8R9C4. Отличительная особенность такой обратной связи - введение ее в цепь коллекторов транзисторов VT2, VT3, что приводит к увеличению амплитуды сигнала на выходе усилителя до максимально возможной. С целью уменьшения нелинейных искажений, обусловленных несимметричностью плечо конечного каскада и действием ПОС, усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению через цепь R1 - R4C1. Параметры этой цепи подобраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить стабильность режима работы усилителя по постоянному току (за счет действия гальванической обратной связи через резистор R4), а с другой - получить необходимый коэффициент усиления всего усилителя (R1, R4). Глубина ООС по переменному напряжению - около 28 дБ. Конденсаторы С2, С4 обеспечивают необходимую устойчивость всего усилителя. Поскольку описываемый базовый усилитель инвертирующий, то с целью упрощения схемы сигнал на второй усилитель поступает с выхода первого через делитель напряжения R10, R11.

2. Исходные данные

Сопротивление генератора R_Г 100кОм;

Амплитуда входного сигнала U_ВХ 300 мВ;

Мощность на нагрузке Р_ВЫХ 12 Вт;

Сопротивление нагрузки R_Н 2 Ом;

Нижняя рабочая частота f_Н 20 Гц;

Верхняя рабочая частота f_В 10 кГц;

Коэффициент гармоник k_Г 3%;

Диапазон рабочих температур ДТ -5…+50 ^оС;

Напряжение питания U_пит 9 В.

У рассматриваемой схемы (Рис. 11) отличительная особенность - выходной каскад выполнен на полевых транзисторах.

Рис. 11

Так как часто источники сигнала имеют несимметричные выходы, то приходится выполнять усилители мощности с несимметричным входом. При этом схема его усложняется из-за необходимости использования двух входных каскадов. Эти каскады собраны на транзисторах VT1-VT3, VT4-VT6. Усилители напряжения выполнены на транзисторах VT7, VT8. Применение в выходном каскаде МОП - транзисторов приводит к увеличению термостабильности и линейности, особенно, когда предполагается работа в режиме А.

3. Расчетная часть

Максимальное напряжение на выходе и максимальный выходной ток (амплитудные значения) рассчитываются по заданной выходной мощности Р_вых =12 Вт и сопротивлению нагрузки R_н =2 Ом.

При заданном значении напряжения питания E_пит=9 В усилитель не сможет обеспечить необходимую амплитуду выходного напряжения, т. к. не выполняется условие . Поэтому для выполнения задания целесообразно будет использовать мостовую схему усилителя, которая позволит при заданном Еп получить необходимую мощность на нагрузке. В мостовой схеме два одинаковых усилителя мощности включаются так, что входной сигнал подается на их входы в противофазе, а нагрузку включают непосредственно между выходами усилителей. Громкоговоритель может подключаться непосредственно к мостовой схеме даже при однополярном питании, поскольку потенциал покоя обоих выходов одинаков. Каждый каскад имеет нагрузку Rн /2 , выходной сигнал получается симметричным относительно земли (не требуется конденсатор связи, нагрузка подключена непосредственно). Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, чем напряжение каждого каскада относительно земли.

Необходимо произвести расчет одного из двух идентичных усилителей, которые в итоге будут включены по мостовой схеме. Параметры этого УНЧ:

Р_вых1=Р_вых/2 =12/2=6 Вт;

R_н1=R_н/2;

K_г1=К_г/2

(предполагается включить эти два УНЧ по мостовой схеме с последовательным возбуждением, т. е. результирующий коэффициент гармоник будет являться суммой коэффициентов гармоник обоих усилителей);

P_вых=12/2=6 Вт, R_н1=2/2=1 Ом, К_г1=К_г/2=3/2 =1,5% (с ООС).

Учитывая эти параметры, определим

Проектируемый усилитель предполагается построить с непосредственной связью между каскадами, воспользовавшись схемотехническими решениями, применяющимися в интегральных ОУ, опираясь на схему, изображенную на рис. 1. В качестве выходного каскада будет использоваться двухтактный эмиттерный повторитель на комплементарных биполярных транзисторах. Максимальная мощность рассеяния транзисторов при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе:

Для надежности следует в 1,5 3 раза увеличить значения Рт, Uк,эmax, Iк,max:

РТ=10Вт, Uкэmax=18В, Iк,max=7А.

Данным требованиям удовлетворяют транзисторы КТ818А (p-n-p) и КТ819А (n-p-n) с идентичными параметрами:

Ik,max=10A, Uкэ,гр=25В, Pk,max=60Вт, h21э=40.



КТ819А

КТ818А

Расчет коэффициента гармоник.

При расчёте коэффициента гармоник (далее КГ), используется метод пяти ординат:

Рис. 12. ВАХ транзистора КТ 819А

Расчёт КГ для пары транзисторов VT19 и VT20 по рис. 12.

Ik, A	Iб, мА	Uбэ, В
Ik1 = 1	Iб1 = 20	Uбэ1 = 0,65
Ik2 = 1,75	Iб2 = 40	Uбэ2 = 0,67
Ik3 =2,5	Iб3 = 60	Uбэ3 = 0,7
Ik4 =3,25	Iб4 = 100	Uбэ4 = 0,75
Ik = 3,5	Iб5 = 140	Uбэ5 = 0,8

a = Ik3 - Ik1 = 1.5.

b = Ik4 - Ik2 = 1.5.

c = Ik5 - Ik3 = 1.

Кг 2 = 3(c - a)/4(a + b + c) = 0.093 = 9%.

Кг 3 = (c + a - 2b)/2(a + b + c) = 0.0625 = 6.25%.

Кг = [(Кг 2)^2 + (Кг 2)^2]^0.5 = 11.34%

Кг без введения обратной связи.

Необходимо, по техническому заданию, обеспечить КГ равный одному проценту Кг = 1%.

Для уменьшения КГ введём ООС:

Кu oc = Uвых / Uвх = 100.

К г ос = 1/(1+Кu/Ku oc), из чего:

Кu = Кu ос(Кг/Кг ос - 1) = 1034 - коэффициент усиления по напряжению без ООС.

Расчет выходного каскада

КТ815А



Рис. 13. Принципиальная схема оконечного каскада

По статической выходной ВАХ транзистора КТ815А определяем, что вmin=35 при максимальном выходном токе. Коллекторный ток покоя выходных транзисторов VT4 и VT5:

.

Ток базы VT4 и VT5:

Выбираем транзистор VT1по параметрам:

,

Данным требованиям удовлетворяет транзистор КТ 814А.

,

,

,

,

.

Определим ток базы транзистора VT1.

Зададим ток делителя (Iд1):

Ток делителя (Iд1):

.

Диод в цепи делителя базы выбираем по прямому току равному Iд1 и падению напряжении на база-эмиттерном переходе Uбэ=0,7(В).

Сопротивление в цепи делителя (R1):

с учётом E24 R1 =820(Ом).

На месте второго ГСТ стоит усилитель напряжения каскад с ОЭ на транзисторе VT2. Для того, чтобы перевести транзисторы выходного каскада в режим АВ, зададим напряжение смещения с помощью источника напряжения смещения на VT2 между базами VT4 и VT5, учитывая, что Uбэ,VT4=Uбэ,VT5=0,7(В) .

Исходя из и величины тока, протекающего по R2, R3 и равного получаем

,

Так как Uбэ,VT2 = 0,7(В)

То,

С учётом E24 R2 =R3 =7,5(Ом).

Мощность рассеяния транзистора VT2:

,

ею пренебрегают.

Мощность рассеяния транзистора VT1:

В качестве VT2 используем транзистор КТ815А, а VT1 КТ814А. Их основные параметры указаны в таблице 1.

Таблица 1.

	тип	Iк.max, A	Uкэ.гр, В	РКmax, Вт	H21Э	fгр, МГц
КТ515А	n-p-n	1,5	25	10	90	3
КТ514А	p-n-p	1,5	25	10	90	3
КТ819А	n-p-n	10	25	60	35	3
КТ818А	p-n-p	10	25	60	35	3

Входное сопротивление выходного каскада.

,

.

Расчет предоконечного каскада.

Рис. 14. Принципиальная схема предварительного каскада

Ток коллектора транзистора VT3, включенного по схеме с ОЭ, определяется током ГСТ на VT1: I_б4=100 мА=Iк30. В качестве VT3 используем транзистор КТ815А (параметры указаны в таблице 1).

Выходное сопротивление каскада:

где выходное сопротивление коллектора транзистора,

=100(В) напряжение Эрли.

В данном случае,



Коэффициент усиления по напряжению каскада.

Входное сопротивление каскада.

Входное сопротивление каскада мало, а поскольку он будет являться нагрузкой дифференциального каскада (ДК), то для получения наибольшего коэффициента усиления по напряжению ДК, необходимо увеличить его нагрузку, для это используем дополнительный каскад на транзисторе VT6 по схеме общий коллектор(ОК) , обладающий малым выходным и относительно высоким входным сопротивлением.

Выходной ток берем в 5ч10 токов базы тр-ра VT3.

,

Для этого каскада возьмем тр-р КТ815А.

Падение на сопротивлении в цепи эмиттера равно начальному напряжению смещения для открытого тр-ра, т.е.

U_Э6=U_Б3=0,65(В).

Таким образом

Коэффициент передачи каскада с ОК по напряжению . Входное сопротивление каскада определим как,

Расчет входного каскада.

КТ3102А

КТ3107А



Рис. 15. Принципиальная схема дифференциального каскада

В качестве входного используем дифференциальный каскад (ДК), отличающийся высокой температурной стабильностью и ослабляющий синфазный сигнал. Нагрузкой для этого каскада является входное сопротивление промежуточного каскада, на тр-ре VT3, т.е. .

Для ГСТ (VT3) и дифф. каскада (VT1,VT4) берем тр-ры КТ3107А с , а для ГСТ на тр-ах VT2,VT5 - КТ3102А с .

Выходной ток покоя ДК выбираем из условия:

,

где ток базы транзистора VT6 промежуточного каскада.

Падение напряжения на резисторах в цепях эмиттеров транзисторов ГСТ.

берем равным

U_R5=U_R7=0,2В

Отсюда,

С учётом E24=91ом.

Для ГСТ на транзисторе VT3 получаем:

U_R6=2В

Находим ток делителя I_Д3:

Рассчитаем сопротивления R₄ и R₃ :

С учётом E24=8,2Ком

Находим ток делителя I_Д1 в цепях баз транзисторов ДК.

Рассчитаем сопротивления R₁,R₂,R₈,R₉:

Рассчитаем основные параметры ДК.

Входное сопротивление ДК, определяющее входное сопротивление УНЧ:

Коэффициент усиления по напряжению каскада.

так как является выходным сопротивлением ГСТ, то

Расчет ООС УНЧ.

В мостовой схеме при параллельном включении усилителей, один работает как неинвертирующий, второй как инвертирующий.

Рис. 16. Мостовая схема включения (параллельное включение)

Для неинвертирующего включения усилителя коэффициент усиления устанавливается путем подбора .

,

где

- коэффициент усиления усилителя с ООС.

- общий коэффициент усилителя без ООС.

- коэффициент обратной связи.

При достаточно высоком , получаем

Отсюда .

Вход будет соединен с выходом усилителя через резистор R₁₁, так, что по постоянному току напряжение на выходе усилителя, т. е для выполнения этого условия падение напряжения на R₁₁ должно быть минимальным.

С учетом Е24 примем R₁₁=910 Ом.

С учетом Е24 примем R₂₂=82 Ом.

Для инвертирующего включения усилителя коэффициент усиления устанавливается путем подбора .

,

где

- коэффициент усиления усилителя с ООС.

- общий коэффициент усилителя без ООС.

- коэффициент обратной связи.

При достаточно высоком , получаем,



Отсюда .

Вход будет соединен с выходом усилителя через резистор R₁₁, так, что по постоянному току напряжение на выходе усилителя, т. е для выполнения этого условия падение напряжения на R₁₁ должно быть минимальным.

.

Таким образом коэффициент гармоник каждого усилителя, охваченного обратной связью к_Г.ОС равен

%

%

Сопротивление емкости С3 Rc=R17/10=91 Ом. Емкость находим по формуле:



R_Cвх=Rвх/10=91Ом

Заключение

В данном курсовом проекте произведен расчет усилительного устройства низкой частоты. Параметры рассчитанного усилителя удовлетворяют требованием технического задания. Спроектированный усилитель имеет коэффициент гармоник 0,06 %, выходную мощность 1 Вт. Коэффициент усиления по напряжению рассчитанного усилителя не менее 10600 . Напряжение питания усилителя 6 В.

Список литературы

амплитуда транзистор мощность

1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. М.: Радио и связь, 1989.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М: Мир, 1983.

3. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М.: Мир, 1991.

4. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro- Cap 7. М.: Горячая линия Телеком, 2003.

5. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. М.: ИП Радио-Софт, 2002.

6. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. М.: Радио и связь, 1983.

Размещено на Allbest.ru

...