Министерство образования и науки

Республики Беларусь

Белорусский Университет Информатики и Радиоэлектроники

Факультет компьютерного проектирования

Кафедра радиотехнических устройств

“К защите допускаю.”

Руководитель работы:

Крушев В.Т.

Курсовой проект

по курсу “Аналоговые электронные устройства ”

на тему “Усилитель звуковой частоты для автомобильной аппаратуры”

Минск 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Предварительный расчет и обоснование структурной схемы

1.1. Определение числа каскадов

2. Электрический расчет принципиальной схемы

2.1. Расчет оконечного каскада

2.2. Расчет предоконечного каскада

2.3. Расчет входного каскада

3. Расчет узлов предварительного усиления

3.1. Расчет мостового регулятора тембра.

3.2. Расчет каскада предварительного усиления

4. Расчет эмиттерного повторителя

5. Расчет емкостей конденсаторов

6. Анализ схемы на ПЭВМ

7. Описание принципиальной схемы

8. Конструкция печатной платы

9. Список использованных источников

10. Заключение

Приложение

Схема электрическая принципиальная

Перечень элементов

Сборочный чертеж печатной платы

Аналоговые электронные устройства можно условно разделить на две большие группы: усилители и устройства, выполненные на их основе.

Усилители являются самыми распространенными электронными устройствами. Их принято классифицировать по нескольким признакам.

По форме усиливаемых сигналов - усилители непрерывных и импульсных сигналов. К первым относятся усилители квазигармонических сигналов, например речевых, музыкальных, которые изменяются во времени сравнительно медленно, так что переходные процессы в усилителе почти не проявляются. Свойства таких усилителей оценивают по качеству передачи гармонического колебания. Усилители импульсных сигналов предназначены для усиления импульсов, например радиолокационных, телевизионных, телеграфных и т.д. Здесь проявляются переходные процессы. Поэтому свойства таких усилителей оценивают по форме переходной характеристики.

По диапазону частот - усилители постоянного и усилители переменного тока. Первыми называются такие, которые усиливают колебания с частотами начина с нуля герц, т.е. способны усиливать только переменную составляющую, называются усилителями переменного тока. Они усиливают колебания с частотами от нижней граничной частоты fн до верхней граничной частоты fв. За пределами этого диапазона частот, ширина которого называется полосой пропускания, усиление падает.

Среди усилителей переменного тока выделяют:

усилители звуковой частоты, рабочий диапазон которых находится в пределах 20 Гц… 20кГц, причем fв » fн;

усилители радиочастоты, у которых отношение fн/f в близко к единице, а диапазон частот намного выше звуковых. Эти усилители широко применяют в радиоприемных устройствах. В них полоса пропускания формируется обычно с помощью колебательных контуров, включаемых в выходные цепи каскадов. Поэтому такие усилетели называются резонансными. Все остальные усилители в отличие от них называются апериодическими;

широкополосные усилители, у которых fв>100кГц, а fн-десятки герц. Сюда относятся усилители видеотракта в телевизионной техники, видеоусилители радиолокационных приемников и т.д.

По типу усилительных элементов-транзисторные, ламповые, диэлектрические, магнитные и на интегральных микросхемах.

По области применения - микрофонные, трансляционные, измерительные, телевизионные, магнитофонные, радиолокационные и т.д. Делят усилители и по функциональному назначению. Так, если главным назначением усилителя является усиление напряжения, то он называется усилителем напряжения. Аналогично определяются усилители тока и усилители мощности.

Кроме рассмотренных основных признаков классификации могут использоваться и другие, например: по типу питания (батарейное, сетевое и т.д.), числу каскадов, конструктивному и технологическому исполнению и др.

Усилители чаще выполняют многокаскадными, так как один каскад обычно не обеспечивает требуемого коэффициента усиления. В этом случае колебание с выхода первого каскада подается на вход второго и т.д. Простейшим видом межкаскадной связи является непосредственная связь между транзисторами соседних каскадов. Ее достоинства - предельная простота, широкополосность и возможность передачи постоянных напряжений, недостаток - передача медленных изменений, т.е. нестабильности постоянного напряжения с выхода одного каскада на вход следующего, что приводит к его усилению и может вызвать запирание или насыщение транзистора последнего каскада. Непосредственные связи используются в усилителях постоянного тока и в интегральных микросхемах.

Непосредственную связь можно рассматривать как один из видов гальванической. Так называется связь, обеспечивающая передачу колебаний вплоть до частоты, равной нулю. Элементами гальванической связи могут быть не только проводники, но также резисторы, стабилитроны и специальные схемы сдвига уровня постоянного напряжения.

Очень широко применяется резистивно-емкостная схема межкаскадной связи. Здесь в вывод выходного электрода транзистора первого каскада включается резистор, а переменное напряжение на вход следующего транзистора передается через разделительный конденсатор С2. Последний разделяет каскады по постоянному напряжению. Благодаря этому их режимы по постоянному току не зависят друг от друга, что упрощает построение усилителей. Резистивно-емкостная межкаскадная связь проста и обеспечивает довольно широкую полосу пропускания. Однако разделительные конденсаторы обычно требуются значительной емкости, что делает эту схему неприемлемой для интегрального исполнения. Каскад с резистором в цепи выходного электрода называется резисторным.

Если в цепь выходного электрода транзистора включен дроссель L, а выходное напряжение передается на следующий транзистор через разделительный конденсатор, то такая связь называется дроссельно-конденсаторной. Ее полоса пропускания не столь широка, как у резистивно-емкостной связи. Это обусловлено наличием собственной емкости дросселя и пониженным его сопротивлением в области нижних частот. Каскад с дросселем в выходной цепи транзистора называется дроссельным. Так как падение постоянного напряжения на дросселе мало, а переменный ток через него почти не протекает, то такой каскад обладает высоким КПД. Однако из-за наличия дросселя он чувствителен к наводкам от магнитных полей. Дроссель увеличивает размеры и массу усилителя.

Соединение двух каскадов с помощью трансформатора называется трансформаторной связью. При этом первый каскад - трансформаторный.

Трансформатор также, как и разделительный конденсатор, передает только переменное напряжение, обеспечивая развязку каскадов по постоянному току. Выбором необходимого коэффициента трансформации можно задать оптимальное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора VT1, обеспечивающее наибольшее усиление первого каскада, либо получение от него необходимой выходной мощности. Трансформаторный каскад имеет высокий КПД (немного меньше, чем у дроссельного каскада), и широко применяется в качестве оконечного каскада усилителей мощности. Недостатки трансформаторного каскада: неширокая полоса пропускания, большие размеры, масса и стоимость трансформатора, чувствительность к наводкам от магнитных полей, большие фазовые сдвиги на высоких частотах.

В автомобильной аппаратуре Напряжение питания принимается равным 13,2 В - среднее напряжение в бортовой сети автомобиля. Более жесткие условия эксплуатации переносной и автомобильной аппаратуры определяет повышенные требования температурной стабилизации режимов транзисторов.

1.Предварительный расчет и обоснование структурной схемы.

1.1Определение числа каскадов.

Расчет производится, исходя из требуемого усиления сигнала по напряжению.

1.Определяется сквозной номинальный коэффициент передачи.

2.Задаются необходимым запасом усиления для обеспечения заданных характеристик усилителя:

а) на введение ООС запас численно равен глубине обратной связи F, обеспечивающей снижение нелинейных искажений оконечного каскада усилителя до установленного заданием предела:

б) запас на регулировку тембра определяется коэффициентом коррекции частотной характеристики:

в) технологический запас, учитывающий разброс параметров компонентов:

3.Требуемый сквозной коэффициент усиления:

4. Определяем число каскадов усиления по напряжению:

5. Определяем необходимость мер по согласованию цепей передачи сигнала в усилительном тракте.

Для уменьшения потерь в цепи источника сигнала входное сопротивление усилителя должно удовлетворять условию:

Схема включения с ОК.

Структурная схема выглядит следующим образом:

На рисунке приняты следующие обозначения: РУ- регулятор усиления; СК- согласующий каскад; РТ- регулятор тембра; КПУ- каскад предварительного усиления; ВК- входной каскад усилителя

мощности; ПОК- предоконечный каскад усилителя мощности; ОК- оконечный каскад усилителя мощности; ФП- фильтр питания; БП- блок питания; ООС- цепь обратной связи.

2. Электрический расчет принципиальной схемы.

2.1. Расчет оконечного каскада.

1.Определяем амплитуду напряжения и тока на нагрузке:

2. Определяем напряжение источника питания:

где - Остаточное напряжение на полностью открытом транзисторе выходного каскада при

3.Определяем максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторах выходных транзисторов:

4. Определяем желаемый коэффициент усиления по току для выходных транзисторов:

5. Выбираем транзисторы оконечного каскада (VT3, VT4) по следующим параметрам:

Транзистор VT3- КТ972А; транзистор VT4- КТ973А.

6. Определяем постоянный ток и мощности, потребляемые оконечным каскадом от источника питания и КПД:

2.2. Расчет предоконечного каскада.

Для расчета необходимо иметь следующие исходные данные: амплитуду тока базы выходных транзисторов:

входное сопротивление оконечного каскада:

напряжение смещения:

Задаемся током покоя:

Выбираем R8:

Рассчитываем R7:

Выбираем VT2 по следующим параметрам:

Транзистор VT2- КТ503Б.

Расчет цепи смещения:

а) находим ток делителя:

б) выбор VTt практически определяется допустимым током:

в) определяем :

г) определяем RП, учитывая, что номинальный режим соответствует среднему положению движка:

Определяем входное сопротивление ПОК. Оно практически определяется

входным сопротивлением транзистора:

Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:

2.3. Расчет входного каскада.

Исходные данные:

1. Задаем постоянный ток коллектора VT1:

2. Выбираем VT1 по критериям:

Транзистор VT1- КТ3102В.

3. Рассчитываем R4:

4.Расчет цепи обратной связи.

В предварительном расчете была найдена глубина обратной связи, необходимая для снижения нелинейных искажений до заданной величины. Коэффициент в данном случае можно определить как коэффициент передачи напряжения от точки “c” к переходу б'э транзистора VT1:

Сопротивление представляет собой нижнее плечо делителя в цепи обратной связи, состоящее из параллельного соединения сопротивления и выходного сопротивления транзистора VT1 со стороны эмиттера :

; .

Сопротивление является сопротивлением между базой транзистора VT1 и землей по переменному току. Обычно сопротивления R2 и R3 значительно больше, чем сопротивление , поэтому величину можно принять равной:

где - выходное сопротивление предшествующего VT1 каскада, в качестве которого можно принять сопротивление в цепи коллектора, используемого в нем транзистора (обычно - 1…5кОм). Если параллельное соединение сопротивлений R2 и R3 соизмеримо с величиной , то пренебрегать их влиянием не стоит.

Коэффициент петлевого усиления равен:

Определим ток базового делителя:

Сопротивление R1 и конденсатор С1 образуют фильтр в цепи питания. Его задача - уменьшить влияние помех и пульсаций питающего напряжения, а также устранить паразитную обратную связь по цепи питания. Обычно этот же фильтр используется для питания всех предшествующих каскадов, и через R1 протекают их токи. Величины R1 и С1 рассчитываются после определения этих токов, а первоначально задаются только падением напряжения на R1:

Величина сопротивления фильтра определяется падением напряжения и током, протекающим по нему. Сопротивление фильтрующей емкости для нижней частоты диапазона выбирается в 5…10 раз меньше активного сопротивления фильтра. В реальной схеме многокаскадного усилителя используется два- три фильтра в цепи питания. Весьма желательно использовать фильтр в цепи питания первого каскада. Элементы всех фильтров рассчитываются одинаково.

Зададимся значением R6:

Cопротивление R6 выбирается достаточно большим, чтобы не создавать дополнительной нагрузки для оконечного каскада. Определяем постоянный потенциал базы VT1:

При этом желательно проверить напряжение на коллекторном переходе транзистора VT1. Для нормальной работы необходимо, чтобы напряжение на переходе коллектор- база не превышало 2…3 В. Проверяем:

Если это условие не выполняется, необходимо уменьшить R6, и повторить расчет.

Определяем R3:

Определяем R2:

Коэффициенты усиления предоконечного и входного каскадов:

где , внутренняя крутизна транзистора.

Выражение для глубина обратной связи имеет вид:

Определяем величину сопротивления R5:

Находим входное сопротивление каскада на VT1:

Величины емкостей С1, С2, С3,С4 и Срн:

Коэффициент усиления по напряжению усилителя мощности:

Найдем требуемое входное напряжение при номинальной выходной мощности:

3. РАСЧЕТ УЗЛОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ.

3.1. Расчет мостового регулятора тембра.

Исходные данные для расчета:

1. пределы регулировки на НЧ и ВЧ, они, как правило, равны:

2. нижняя fн и верхняя fв рабочие частоты;

3. -сопротивление следующего за РТ каскадом

Переходим к расчету.

Определяем коэффициент коррекции в относительных единицах:

Определяем частоту раздела:

Обычно .

Проверяем выполнение условия неперекрытия зон регулирования:

Определяем сопротивление R=R2=R5. При допустимой погрешности регулирования дБ можно принять:

Определяем номиналы резисторов регулятора НЧ:

Определяем сопротивление буферного резистора:

Определяем номиналы емкостей:

Определяем входное и выходное сопротивление РТ:

Определяем требования к выходному сопротивлению предыдущего каскада: при погрешности РТ на ВЧ дБ можно принять:

Определяем положение движков R2 и R5, соответствующие линейной частотной характеристики:

Потенциометры R2 и R5 должны быть с нелинейными характеристиками типа В (обратнологарифмическая зависимость).

Определяем номинальный коэффициент передачи регулятора тембра К:

Определяем номинальное входное напряжение РТ:

На этом расчет регулятора тембра закончен.

3.2 Расчет каскада предварительного усиления.

Исходные данные: .

В нашем случае и являются входными параметрами регулятора тембра.

Переходим к расчету.

Определяем напряжения и тока нагрузки:

Задаемся током покоя:

но не менее 0.5…2 мА.

Задаем напряжение коллектор- эмиттер транзистора:

где .

Определяем напряжение питания каскада из условий:

Напряжение источника питания должно превышать значение на величину падения напряжения на сопротивлении фильтра (примерно на 20-30%).

Определяем сопротивления в цепи эмиттера:

Определяем сопротивление R3:

Определяем амплитуду тока коллектора:

Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе:

Выбираем транзистор по критериям:

Транзистор VT- KT315Г.

Для проведения последующих расчетов из параметров выбранного транзистора определяем:

Рассчитываем базовую цепь.

а) задаем ток делителя:

б) определяем R1:

в) определяем R2:

Задаемся допустимым коэффициентом гармоник каскада:

Отсюда находим R4 и R5:

Определяем коэффициент усиления:

Определяем входное сопротивление каскада:

где

Определяем номинальное входное напряжение:

Сопротивление Rф определяется исходя из падения напряжения на нем и тока, равного сумме токов делителя в цепи базы и эмиттера.

Для определения емкости конденсатора Сф можно использовать следующую формулу:

4. Расчет эмиттерного повторителя.

Исходные данные:

1. Определяем амплитуду тока нагрузки:

2. Определяем напряжение питания каскада из условий:

3. Задаем напряжение коллектор- эмиттер транзистора:

4. Задаемся током эмиттер- коллектор транзистора:

5. Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе:

6. Выбираем транзистор по параметрам:

Транзистор КТ315Е.

7. Определяем сопротивление R3:

8. Задаемся током делителя:

9. Определяем сопротивление R2:

10. Определяем сопротивление R1:

11. Определяем входное сопротивление повторителя и коэффициент усиления:

Теперь, когда известны входные и выходные сопротивления всех каскадов, рассчитывается регулятор громкости:

Rу

Регулятор усиления обычно ставится после первого или второго каскада предварительного усиления. Установка регулятора во входной цепи усилителя обычно приводит к ухудшению шумовых свойств устройства. В качестве регулятора могут быть использованы нагрузочные сопротивления каскадов, например, сопротивление в цепи эмиттера эмиттерного повторителя. Регулятор усиления (громкости) рассчитывается по формуле:

5.Расчет емкостей конденсаторов.

Величины емкостей рассчитываются по формуле:

1. Для эмиттерного повторителя:

2. Для каскада предварительного усиления:

Литература по оформлению пояснительной записки к курсовому проекту.

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

Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: Учебное пособие для вузов. -М.: Радио и связь. 1992.

Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. / Под редакцией О.В. Головина. -М.: Радио и связь. 1994.

Гусев В.Т. ,Гусев Ю.М. Электроника. -М.: Высшая школа. 1991.

Бейтон А., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. -М.: Бином. 1994.

Варакин Л.Е. Бестрансформаторные усилители мощности: Справочник. -М.: Радио и связь. 1984.

Расчет электронных схем/ Г.И. Изъюрова и др. -М.: Высшая школа. 1987.

Применение интегральных схем: Практическое руководство. В 2-х книгах.: Перевод с английского. / Под редакцией А. Уильямса. -М.: Мир 1987.

Булычев А.Л. и др. Аналоговые интегральные схемы: Справочник/ А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко. - Мн.: Беларусь, 1985.

Справочник по электрическим конденсаторам/ М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.: Под общей редакцией Четверткова и В.Ф. Смирнова. -М.: Радио и связь. 1983.

Резисторы: Справочник/В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.: Под общей редакцией И.И. Четверткова и В.М. Терехова. -М.: Радио и связь, 1987.

С.В. Триполитов, А.В. Ермилов. Микросхемы, диоды, транзисторы: Справочник. -М.: Машиностроение, 1994.

Литература по оформлению документов и чертежей.

Сапаров В.Е., Максимов Н.А. Системы стандартов в электросвязи и радиоэлектроники. -М.: Радио и связь, 1985.

Усатенко С.Т. и др. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник. -М.: Издательство стандартов, 1989.

Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справочное пособие/ Э.Т. Романычева и др. -М.: Радио и связь, 1984.