Расчет усилителя мощности низкой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Усилители звуковой частоты предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.

Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.

В качестве источника входного сигнала УНЧ могут использоваться такие устройства как микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара, детектор и т.д.

Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть громкоговоритель, измерительный прибор, записывающая головка магнитофона, последующий усилитель, осциллограф, реле и т.д. Большинство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение.

Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительное изменение выходного тока, а следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, как правило, входят предварительные каскады усиления.

Основными техническими показателями УНЧ являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала. Для многокаскадного усилителя (рис.1)

Рисунок 1 Структурная схема усилителя

звуковой усилитель микрофон



1. Постановка задачи

Расчет любого сложного электронного устройства (ЭУ) сводится к последовательному расчету функциональных элементов. Расчет ЭУ, состоящего из ряда последовательно соединенных функциональных элементов, начинают со стороны его выхода, с конца. Выходной функциональный элемент - единственный в ЭУ, для расчета которого в техническом задании сформулированы достаточные требования. Расчет ЭУ часто имеет итерационный характер. После выполнения ряда расчетных операций возникает необходимость повторить предыдущие операции для улучшения структуры или режимов всего ЭУ или его функциональных частей. Например, расчет может показать необходимость введения дополнительных обратных связей, что, собственно, потребует повторения некоторой части расчетов.

Детальному расчету функциональных элементов должны предшествовать ориентировочный расчет значений выходных параметров тех функциональных элементов, которые определяют значение выходных параметров всего ЭУ. Это позволяет достаточно быстро оценить практическую возможность их реализации. Например, перед тем как рассчитывать каскады многокаскадного усилителя, необходимо распределить между ними все виды искажений, определить их коэффициенты усиления и полосы пропускания. Если полученное значения представляются достижимыми, то можно переходить к расчету функциональных элементов.

При проектировании ЭУ наиболее часто выполняют:

а) ориентировочный расчет выходных параметров функциональных элементов, производимых при выборе их принципиальных схем;

б) расчеты, на основе которых выбирают типы активных электрорадиоэлементов;

в) расчеты рабочих режимов активных ЭРЭ, включая расчет температурной нестабильности;

г) расчет значений параметров R, C, L пассивных ЭРЭ, обеспечивающих выбранные режимы активных ЭРЭ, а также расчет протекающих через пассивные ЭРЭ токов, падающих на них напряжений и рассеиваемых ими мощностей;

д) определение номинальных значений параметров пассивных ЭРЭ и выбор их типов;

е) расчет выходных параметров ЭУ с целью проверки их соответствия требованиям технического задания. Задача анализа наиболее ответственная, его результаты должны быть достаточно точными. Поскольку аналитические методы не обеспечивают требуемой точности, анализ электронных схем чаще производится или на физической модели, или на ЭВМ.

2. Исходные данные

Выходная мощность Pн, Вт	Сопротивление нагрузки Rн, Ом	Коэффициент гармоник Kг, %	Полоса усиливаемых частот	Коэффициент частотных искажений	Источник сигнала	Напряжение питания Uн, В
			Fн (Гц)	Fв (кГц)	Mн (дБ)	Mв (дБ)	Eс (В)	Rс (кОм)
7	4	?1,5	100	15	3	3	0,4	75	27

3. Расчёт оконечного каскада

Для расчёта был выбран оконечный каскад на паре комплементарных транзисторов, изображённый на рисунке 2.



Рисунок 2 Схема оконечного каскада УМЗЧ

Для выбора транзисторов в оконечный каскад выполним следующие действия:

1.Рассчитаем максимальное напряжение в нагрузке по формуле:

,

где Рвых Ї выходная мощность;

RН Ї сопротивление нагрузки.

2. Максимальный ток, протекающий через нагрузку приблизительно равен удвоенному значению коллекторного тока одного из выходных мощных транзисторов. Определим максимальный ток, протекающий через нагрузку:



3. Максимальную амплитуду мощности, рассеиваемой на нагрузке, находим следующим образом:

4.Определяем максимальную мощность, рассеиваемую на одном транзисторе:

;

5.На основании рассчитанных выше значений из справочной литературы производим выбор мощных транзисторов выходного каскада, руководствуясь следующими параметрами:

- предельная (граничная) частота ;

- максимальный ток коллектора ;

- максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора ;

- максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе ;

- статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером .

По справочной литературе в оконечном каскаде выберем транзисторы следующих марок:

КТ816А - транзистор VT1;

КТ817А - транзистор VT2.

Данные транзисторы являются кремниевыми меза-планарно-эпитаксиальными универсальными p-n-p (КТ816А) и n-p-n (КТ817А) транзисторами. Предназначены для работы в выходных каскадах усилителей низкой частоты. Параметры данных транзисторов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Параметры транзисторов КТ816А и КТ817А.

Параметры транзисторов	, (А)	, (В)	, (Вт)	, (МГц)	(раз)	, (оС)	Масса (г)
Численное значение	3	25	25	3	25	125	0,7

В двухтактном выходном каскаде, в силу симметричности плеч, каждый транзистор выдает половину мощности нагрузки, следовательно:

1.Максимальное напряжение на коллекторе одного транзистора определяется по формуле:

2.Максимальный ток коллектора одного из выходных мощных транзисторов определяется следующим образом:

3.Максимальная величина базового тока транзистора, необходимая для обеспечения заданной мощности в нагрузке, определяется соотношением:



,

где Ї коэффициент передачи по току, определяемый по справочным данным (=25):

мА.

4. Выбор рабочей точки для выходных транзисторов

Выходные транзисторы КТ816А и КТ817А являются комплементарной парой, поэтому для удобства будем рассматривать характеристики одного из транзисторов, например КТ817А.

Входные и выходные вольтамперные характеристики транзистора КТ817А приведены на рисунке 3.



Рисунок 3 Входные и выходные характеристики транзистора КТ817А

Определим точки для построения нагрузочной прямой по выходной характеристике транзистора КТ816А (КТ817А):

;

;

По этим значениям построим нагрузочную прямую. Результат построения отображён на рисунке 4.



Рисунок 4 Семейство выходных характеристик и нагрузочная прямая для транзистора КТ816А (КТ817А)

Из выходной характеристики видно что усилитель работает в режиме АВ, положение рабочей точки : Iб0=5 мA; Uкэ0=11,7

На рисунке 5 изображена входная характеристика транзистора КТ816А (КТ817А).

По входной характеристике транзистора КТ816А (КТ817А) определяем рабочую область:

Iбmin=5 (мA) Uэб min=0,8(B)

Iбmax= 35 (мA) Uэбmax=1 (B)

Imб= 30 (мA) Umб=0,2 (B)



Рисунок 5 Входная характеристика транзистора КТ816А (КТ817А)

По входной характеристике транзистора КТ816А (КТ817А) определяем рабочую область:

Определим глубину ООС:



где g21 - усреднённая крутизна характеристики транзистора.

Рассчитаем делитель напряжения для выходного каскада:

;

Iдел=(35)Iб0; Iдел=(1525) (мA)

Следовательно, выбираем ток делителя, равный: Iдел=25 (мA)

согласно ряда E24

Iдиода= Iдел+Iб0; Iдиода=25+5=30 (мA)

Рисунок 6 Вольтамперная характеристика диода 1N5400



Рассчитаем входное сопротивление с учётом ООС:

Imб= 30 (мA) Umб=0,2 (B)

;

Рассчитаем амплитудные значения на входе:

Построим сквозную характеристику:

Выбираем Rг=300 (Oм)

Данные для построения сквозной характеристики приведены в таблице 2.



Таблица 2 Данные для построения сквозной характеристики

Iб, (мA)	Iк, (A)	Uэб, (B)	Iб* Rг, (B)	Eс= Iб * Rг+Uэб, (B)
0,005	0,4	0,8	0,9	1,7
0,01	0,8	0,85	1,8	2,65
0,02	1,3	0,9	3,6	4,5
0,025	1,5	0,95	4,5	5,45
0,03	1,6	0,97	5,4	6,4
0,035	1,8	1	6,3	7,3

Полученная сквозная характеристика отображена на рисунке 7.

Рисунок 7 Сквозная характеристика

По сквозной характеристики определяем две точки:

I1=1,8 A;

I2=1,3 A.

Отсюда следует, что коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике равен:



Задаемся коэффициентом асимметрии плеч равным Х=0.5, тогда коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике равен:

С учетом ООС коэффициент нелинейных искажений по второй и третьей гармоникам определяется следующим образом:

;

;

;

Расчетное значение коэффициента гармоник (1,34%) не превосходит значение коэффициента гармоник указанное в задании на проектирование (1,5%), следовательно данный выходной каскад можно использовать.

5. Расчет входного каскада

Входной транзистор необходимо выбирать таким образом, чтобы он смог обеспечить необходимый ток базы выходных транзисторов. В данном случае подойдет транзистор КТ315Г. Его параметры:

h21э=20..90

Ikmax=100mA

Uкэmax=25B

Входная и выходная характеристика транзистора КТ315Г представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 Входная и выходная характеристики транзистора КТ315Г

По нагрузочной прямой на рисунке 6 выбираем рабочую точку с координатами:

|Uэк|=14(В) Ik=21(мА) Iб=0,2 (мА).



Рассчитаем делитель напряжения для выходного каскада:

;

Iдел=(35)Iб0; Iдел=(0,61) (мA)

Следовательно, выбираем ток делителя, равный: Iдел=1 (мA)

согласно ряда E24

Рассчитаем номиналы элементов ООС:



Рисунок 7 Цепь отрицательной обратной связи

;

R5=;

Rк (0.2 0.3) Rвых = (30,14 45,21) (Ом).

Выберем значения этих номиналов исходя из стандартного ряда Е24 :

R3=R6=4,3 кОм

R4=360 Ом

С1=3,6 мкФ

Rк=43 Ом

R5=9,1 кОм



Рассчитаем частотные искажения в области верхних и нижних частот:

Коэффициент частотных искажений в области верхних частот рассчитывается по формуле:

,

где щВ = 2рFВ - верхняя круговая частота;

фВ = фв + фК - постоянная времени транзисторного каскада;

;

;

Ск - емкость коллекторного перехода;

Rн - сопротивление нагрузки.

Для транзистора VT1:

по справочным данным Ск 60пФ

;

;

;

;

.

Для транзистора VT3: по справочным данным Ск 7пФ



;

;

;

;

.

Коэффициент частотных искажений на высоких частотах для всего усилителя:

Конденсаторы рассчитываем по формуле:

;

(мкФ)=150(мкФ)

(мкФ)

(нФ)

Коэффициент частотных искажений в области нижних частот рассчитывается по формуле:



,

Рассчитанные значения коэффициентов частотных искажений в области нижних и верхних частот не превышают значения коэффициентов частотных искажений предъявленных в задании на проектирование.

Получили окончательный вид схемы:



Рисунок 9 Окончательный вид схемы



Заключение

Настоящая курсовая работа представляет собой расчет усилителя мощности звуковой частоты.

В ходе работы выполнен электрический расчет усилителя, разработан конструктивный чертеж устройства.

В схеме оконечного каскада для задания рабочего напряжения используются делитель напряжения, диоды в прямом включении, комплементарные транзисторы. Для уменьшения нелинейных искажений ввели отрицательную обратную связь.

Спроектированный усилитель полностью удовлетворяет требованию технического задания и конструктивно может быть выполнен на печатной плате.



Литература

1. Гершунский Б.С. “Справочник по расчету электронных схем”- Киев : Вища школа 1983 г.

2. Галкин В.И. “Справочник по полупроводниковым приборам”- М : “Техника” 1994 г.

3. Капралов М.Е. “Методические указания по выполнению курсового проэкта по курсу: «Аналоговые электронные устройства»”.

4. Войшвило Г.В. “Усилительные устройства”- Москва : издательство Радио и Связь 1983 г.

Размещено на Allbest.ru