Классификация и расчет усилителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Курсовой проект содержит 20 листов, 5 иллюстраций, 2 графика.

В данном проекте рассмотрен вопрос о назначении усилителей низкой частоты. Цель работы - углубить теоретические и практические знания по классификации, назначению и расчёту усилителей. В курсовом проекте содержится краткое описание усилителей низкой частоты, их классификация, применение, основные технические решения. Также разработана структурная и электрическая принципиальная схема усилителя, и произведен ее расчет.

Ключевые слова: усилитель, низкочастотный усилитель, сопротивление, напряжение, трансформатор, транзистор, входной каскад, резистор, конденсатор, ток, коллектор, схема.



Содержание

Введение

1. Исходные данные для проектирования

2. Теоретические сведения. Назначение, классификация усилителей, типовые схемы усилителей с описанием

3. Классификация усилителей низкой частоты

4. Принципиальная электрическая схема усилителя

Заключение

Список используемых источников



Введение

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены. Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям. Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей:

- усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.

- усилители постоянного тока - усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты.

- избирательные усилители - усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней.

- широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения.

Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-техническими особенностями.



1. Исходные данные для проектирования

Тип транзистора: МП40

h11э: 900 Ом

h12э: 8*10^-3 Ом

h21э: 30

h22э: 60*10^-6

Rk: 4,3 кОм = 4300 Ом

Uэ : 1,5 В

Fн : 80 Гц

Pkmax: 0,5 Вт

Ik: 1 mА = 0,001 А

Uкэ: 5 В

2. Теоретические сведения. Назначение, классификация усилителей, типовые схемы усилителей с описанием

Усилителем называется устройство, которое позволяет получить электрические колебания большей мощности, чем мощность колебаний, управляющих его работой. Получаемая от усилителя энергия электрических колебаний создается за счет расхода энергии источника питания усилителя. Преобразователем энергии постоянного тока источника питания в энергию усиленных колебаний служит электронная лампа или транзистор, которые управляются усиливаемыми колебаниями. Зажимы усилителя, к которым подводятся управляющие колебания, называются входными зажимами или входом усилителя.

Низкочастотный усилитель проектируется на основе входного усилителя, предварительного усилителя и усилителя мощности. Для обеспечения нужной величины входного сопротивления и коррекции искажений частотной характеристики используется входной усилитель. Для обеспечения качественных показателей выходного сигнала используется усилитель мощности с глубокой отрицательной обратной связью. Для обеспечения блоков аппаратуры выходными напряжениями (токами) заданного номинала и качества используется источник питания.

Функциональная схема усилителя низкой частоты

ВУ - входной усилитель;

РУ - регулятор уровня;

ПУ - предварительный усилитель;

УМ - усилитель мощности;

ЦООС - цепь частотно-зависимой обратной связи.

На усилитель мощности поступает сигнал от источника поступает через разделительную емкость (Cр) с входного усилителя (ВУ), который служит для обеспечения заданного входного сопротивления (Rвх). Разделительная емкость необходима для уменьшения дрейфа нулевого уровня выходного напряжения. Для регулирования величины выходного напряжения сигнал с входного усилителя поступает на регулятор уровня (РУ).

Источник питания является выпрямительным устройством и состоит из четырех узлов: трансформатора, вентильного комплекта (диодная схема), сглаживающего фильтра и стабилизатора постоянного напряжения.

Трансформатор необходим для получения заданного напряжения.

Вентильный комплект необходим для выпрямления переменного напряжения.

Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.

В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты могут входить микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а, следовательно, выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления.

Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако в следствии большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко.

Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана.

Данная схема получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора Rб практически не влияет на величину входного сопротивления каскада.

В этой схеме резисторы и подключенные параллельно источнику питания Ек составляют делитель напряжения. Делитель, образованный резисторами и должен обладать достаточно большим сопротивлением, иначе входное сопротивление каскада окажется малым.

3. Классификация усилителей низкой частоты

По топологии выходного каскада:

* однотактный выходной каскад

* двухтактный выходной каскад

В зависимости от режима работы выходного каскада усилители делятся на:

* класс, или режим «A» -- режим работы, в котором каждый активный прибор (лампа или транзистор) выходного каскада всегда работает в линейном режиме. Все линейные однотактные усилители работают в режиме А.

* класс «AB» -- режим работы двухтактного каскада, промежуточный между режимами А и В. Угол отсечки каждого активного прибора существенно больше 180°, но меньше 360°.

* класс «B» -- режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор воспроизводит с минимальными искажениями сигнал одной полярности (либо только положительные, либо только отрицательные значения входного напряжения). Режим С в звуковой технике не применяется из-за недопустимо высоких искажений.

* класс «D» -- режим работы каскада, в котором активный прибор работает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов промодулированных по ширине (ШИМ), управляющих мощными выходным ключом (ключами).

Режиму А свойственны наилучшая линейность при наибольших потерях энергии, режиму D -- наименьшие потери при удовлетворительной линейности. Совершенствование базовых схем в режимах А, AB, B и D породило целый ряд новых «классов», от «класса АА» до «класса Z».

По конструктивным признакам

По типу применения в конструкции усилителя активных элементов:

* ламповые -- на электронных лампах. Составляли основу всего парка УНЧ до 70-х годов. Занимают большую долю рынка профессиональной и полупрофессиональной гитарной усилительной аппаратуры.

* транзисторные -- на биполярных или полевых транзисторах. Такая конструкция оконечного каскада усилителя является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности.

* интегральные -- на интегральных микросхемах (ИМС). Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах. Из преимуществ -- минимальное количество элементов и, соответственно, малые габариты.

* гибридные -- часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах, а часть на электронных лампах.

* на магнитных усилителях. В настоящее время являются «забытой» технологией.

* микротелефонные (англ. carbon amplifier). В прошлом усилители этого типа находили применение в слуховых аппаратах.

* пневматические (en:compressed air gramophone). В таком усилителе источник колебаний (например, маломощный громкоговоритель, граммофонная игла) приводит в движение модулятор интенсивности потока воздуха от компрессора, за счёт чего происходит усиление амплитуды колебаний по мощности.

По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:

* трансформаторные -- в основном такая схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки, а также необходимостью гальванической развязки выходных ламп и нагрузки.

* бестрансформаторные -- в силу дешевизны, малого веса и большой полосы частот бестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение. Бестрансформаторные схемы легко реализуются на транзисторах.

По типу согласования выходного каскада с нагрузкой

* Согласование по напряжению -- выходное сопротивление УМ много меньше омического сопротивления нагрузки. В настоящее время является наиболее распространённым. Позволяет передать в нагрузку форму напряжения с минимальными искажениями и получить хорошую АЧХ. УМЗЧ хорошо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и хорошо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, рассчитанных на источник сигнала с нулевым выходным сопротивлением. В настоящее время используется повсеместно. усилитель резистивный каскад коллекторный

* Согласование по мощности -- выходное сопротивление УМ равно или близко сопротивлению нагрузки. Позволяет передать в нагрузку максимум мощности от усилителя, из-за чего в прошлом было весьма распространённым в маломощных простых устройствах. Сейчас является основным типом для работы на линию с известным волновым сопротивлением (например, LAN), и иногда в выходных каскадах ламповых усилителей.

* Согласование по току -- выходное сопротивление УМ много больше сопротивления нагрузки. В основе такого согласования -- следствие из закона Лоренца, согласно которому звуковое давление пропорционально току в катушке ГД. Позволяет сильно (на два порядка) уменьшить интермодуляционные искажения в ГД и их ГВЗ (групповое время задержки). УМЗЧ слабо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и плохо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, которые обычно рассчитаны на источник сигнала с нулевым выходным сопротивлением. В настоящее время используется крайне редко.

4. Принципиальная электрическая схема усилителя

Схема состоит из предварительного усилителя, построенного на операционном усилителе, и оконечного каскада, являющегося усилителем мощности, охваченных цепью общей отрицательной обратной связи (ЦООС).

Принципиальная схема усилителя низкой частоты (УНЧ) с описанием назначения элементов

Rн - сопротивление нагрузки усилителя

Rк - коллекторный резистор

Rэ - эмиттерный резистор

R1, R2 - резисторы усилителя

Ек - напряжение питания

Uвх - входное напряжение

Uвых - выходное напряжение

Cэ - шунтирующий конденсатор

СБ - разделительный конденсатор на входе схемы

Ск - разделительный конденсатор на выходе схемы

5. Аналитический расчет УНЧ

Порядок расчета:

1) Определяем падение напряжения на коллекторном резисторе в состоянии покоя:

Uk=Ik*Rk=0,001*4300=4,3 В

2) Рассчитываем ток базы транзистора в состоянии покоя:

IБ = Ik/h21э=0,001/30=3,3*10^-5

3) Ток делителя, протекающий по резисторам R1, R2, берут в 5 раз больше тока базы:



Iд=5*IБ=5*3,3*10^-5=0,0001

4) Рассчитываем напряжение питания схемы как сумму трех напряжений:

Ek=Ukэ+Uk+Uэ=5+4,3+1,5=10,8

5) Определяем падение напряжения на резисторе R2, делителя как сумму двух напряжений:

U2=Uэ+UБэ=1,5+0,2=1,7

6) Определяем падение напряжения на резисторе R1 как разность напряжений питания Ек и падения напряжения на резисторе R2:

U1=Ek-U2=10,8-1,7=9,1

7) Рассчитываем сопротивление резистора по закону Ома:

R2=U2/I2=1,7/0,0001=17000

8) При расчете сопротивления резистора R1 нужно учитывать, что через него протекает сумма токов:

R1=U1/(IД+IБ)=91/(0,0001+(3,3*10^-5))=68421

9) Находим входное сопротивление усилителя Rвх как эквивалентное сопротивление трех включенных параллельно резисторов R1, R2 и h11э:

1/Rвх=1/R1+1/R2+1/ h11э=1/(1/68421+1/17000+1/900)=844,2

10) Сопротивление нагрузки берут такого же значения:

Rн=Rвх=844,2

11) Рассчитываем сопротивление резистора Rэ по закону Ома:

Rэ=Uэ/(Uк+IБ)=1,5/(0,0001+3,3*10^-5)=1452,08

12) Оцениваем ёмкость разделительного конденсатора Сэ в эмиттерной цепи по приближенной формуле:

Сэ=1/(2*П*fн*rЭ)=1/(2*3,14*80*2666,6)=7,4*10^-7

rЭ=2h12Э/h22Э=2*(8*10^-3)/(60*10^-6)=2666,66

13) Оцениваем ёмкость разделительного конденсатора на входе схемы по приближенной формуле:

СБ=1/(fн*Rвх)=1/(80*844,2)=1,4*10^-5

14) Ёмкость разделительного конденсатора на выходе схемы рассчитываем по аналогичной формуле, но вместо Rвх берут Rн:

Ск=1/(fн*Rн)=1/(80*844,2)=1,4*10^-5

15) Определяем коэффициент напряжения по напряжению в области средних частот:

Ко=h12Э*RКн*h22Э=30*676,9*(60*10^-6)=1,21

1/Rкн=1/Rкн+1/Rн+1/Rвых=1/4300+1/844,2+1/16666,6=676,9



Rвых=1/h22Э=1/(60*10^-6)=16666,6

16) Рассеиваемая на коллекторе мощность Рк=UкЭ*Iк не должна превышать максимально допустимой мощности Ркmах, которая приводится в таблице 1.

Рк=UкЭ*Iк=5*0,001=0,005 Вт

17) Рассчитываем мощность, рассеиваемую отдельно на резисторах Rк и Rэ.

PRk=Pk*Ik^2=0,005*0,001^2=5*10^-9

PRэ=(Uэ^2)/Rэ=(1,5^2)/1452,08=0,0015

Графическая часть. Схема моделирования УНЧ в программе Electronic Workbench и его частотные характеристики

Схема моделирования УНЧ



Заключение

Целью курсового проекта являлись разработка, составление и расчёт схемы усилителя низкой частоты. В ходе выполнения проекта была разработана схема электрическая структурная, схема электрическая принципиальная, произведен сравнительный анализ существующих схем усилителей. Проведены расчеты оконечного каскада мощного усиления, определены коэффициенты усиления отдельных каскадов и усилителя в целом. Рассчитаны значения сопротивлений и емкостей схемы, на базе которых проведен выбор стандартных резисторов и конденсаторов, составлен перечень элемен???.

Из проведенной работы следует, что полученная частотная характеристика расчетной схемы полностью удовлетворяет условиям задания. Работа демонстрирует основы расчета усилителя низкой частоты, что позволяет достичь полного согласования нагрузки (входного сопротивления последующего каскада) с выходным сопротивлением транзистора, а, следовательно, максимального усиления мощности в каждом каскаде. Спроектированный усилитель должен питаться от двух источников питания, т.к. ОУ питается от двухполярного источника, а фазоинверсный и оконечный каскады от однополярного. Это затрудняет использование усилителя в переносных устройствах. Схема настраивается относительно несложно. Расчет частотной характеристики усилителя показал, что частотные искажения в полосе пропускания усилителя не превышают значений заданных в техническом задании.



Список используемых источников

1. Хиленко В.И. Основы радиоэлектроники: Учебник.- 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1983.

2. Буланов Ю.А., Усов С.А. Усилители и радиоприемные устройства. - М.:. Высшая школа, 1980.

3. Арес??? К.А., Яковенко Б.С. Основы электроники: Учебное пособие для техникумов.- М.: Радио и связь, 1988.

4. Гольцев В.Р., Богун В.Д., Хиленко В.И. Электронные усилители. - М.: Высшая школа, 1990.

5. Вайсбурд Ф.И., Панаев, Г.А., Савельев Б.Н. Электронные приборы и усилители.- М.: Радио и связь, 1987.

Размещено на Allbest.ru

...