Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет - УПИ

Кафедра «Радиоэлектроники информационных систем»

Пояснительная записка

к курсовому проекту

Усилитель мощности звуковой частоты

По предмету «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Екатеринбург 2002

оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1 Теоретические основы о проектировании умзч

2 Разработка принципиальной схемы

2.1 Выходные параметры

2.2 Выходной каскад

2.3 Промежуточный каскад

2.4 Входной каскад

3 Исследование УМЗЧ с помощь ЭВМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Введение

Произведем расчет всех каскадов принципиальной схемы, руководствуясь характеристиками УМЗЧ из технического задания Расчетные величины имеют размерности системы СИ:

2.1 Выходные параметры

Максимальное напряжение и максимальный ток на выходе рассчитываются по выходной мощности Pвыхмакс = 150 Вт и сопротивлению нагрузки Rн= 4 Ом? А так же вычислим номинальные значения этих величин:

2.2 Выходной каскад

Необходимое напряжение питания Uпит определяется по максимальному выходному напряжению Uвыхмакс, падению напряжения Uгст на источнике тока промежуточного каскада, напряжению база-эмиттер Uq3, Uq5 транзисторов Q3 и Q5, и падению напряжения на сопротивлениях R7 и R8. Максимальное напряжение питания Uпит_max получают с учетом запаса на колебания напряжения в сети питания:

Выбираем напряжение питания Uпит=33 В.

Напряжение пробоя выходных транзисторов Q4,Q5 должно быть:

Максимальная мощность рассеяния этих транзисторов при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе:

Суммарное тепловое сопротивление R транзисторов Q4 и Q5 (включая радиаторы) определяют, приняв максимальную температуру кристалла Тj = 175°С, а максимальную температуру окружающей среды Тu = 55°С:

Пусть на радиаторы приходится Rth_l = 1,5 К/Вт. Тогда на сами транзисторы остается Rth_g=2.908 К/Вт. Этому требованию может удовлетворить транзистор, у которого при Тu=25°С мощность рассеяния:

По справочным данным определяем, что такой мощностью рассеяния, а так же удовлетворяют соответствующим параметрам характеристик, вычисленных выше, обладают транзисторы КТ818Г И КТ819Г в корпусе типа КТ-25.

2.3Промежуточный каскад

По максимальному выходному току и минимальному усилению по току в = 30 выбранного типа транзисторов для выходного каскада Q4 и Q5 рассчитывается ток коллектора транзисторов Q1 и Q3:

Поскольку с увеличением частоты усиление по току выходных транзисторов уменьшается (т. е. при быстрых изменениях сигнала транзистор промежуточного каскада отдает больше тока), полученная величина тока предусмотрительно увеличивается в 10 раз:

Ток покоя транзисторов Q1 и Q3 выбирается по минимуму переходных нелинейных искажений величиной Iпок = 30 мА, при этом падение напряжения на R7 будет около 0.7 В:

Для вычисления ДU нам необходимо знать напряжение база- эмиттер (Ube_q1q3) транзисторов Q1 и Q3, которое вычисляется по справочнику при соответствующем Ibo:

Далее находим напряжение смещения ДU:

Мощность рассеяния транзисторов промежуточного каскада:

в состоянии покоя

С запасом принимается

Зная максимальный ток коллектора транзисторов этого каскада можно рассчитать их максимальный базовый ток:

Исходя из проведенных выше расчетов, по справочнику, выбираем транзисторы КТ817Б и КТ816Б.

Для обеспечения требуемого напряжения смещения ДU=3.08 В используем 4 диода 2Д104А. Задаваясь нужным падением напряжения на диодах, по справочнику находим ток, соответствующий данному падению напряжения:

Вычисляем параметры ГСТ для обеспечения нужного тока через диоды Id=7 мА. Выбираем по справочнику стабилитрон с напряжением стабилизации Uzener = 4,7 В при соответствующем токе Izener = 10 мА (2С147А). Задаваясь напряжением база- эмиттер Uq2 = 0,7 В транзистора Q2, находим сопротивление R6:

2.4 Входной каскад

Во входном каскаде используется операционный усилитель LM344 (Uпитмакс = ±40, частота ед. усиления Ft=2,5 МГц). Сигнал с генератора подается на разделительную цепочку С1, R1 далее на цепочку С2, R3, затем на инвертирующий вход ОУ. С выхода на вход ОУ идет обратная связь в виде параллельно- соединенных резистора R4 и конденсатора С3. Рассчитаем нужный коэффициент усиления ОУ по напряжению, исходя из уже рассчитанных параметров схемы (Uоуном - напряжение на выходе ОУ при номинальном входном напряжении Uвхном = 1 В):

Выбираем

Далее произведем расчет величин ёмкостей С2 и С3 дабы обеспечить заданную полосу пропускания УМЗЧ (Ku - коэффициент усиления по уровню 0.7):

Частоту fв устанавливаем конденсатором С3:

Частоту fв устанавливаем конденсатором С2:

Для второго ОУ нашей мостовой схемы входным является сигнал с первого ОУ, а входное сопротивление равно сопротивлению обратной связи, тем самым обеспечивая повторение входного сигнала. В схеме симметричные элементы соответствующие элементам рассчитанным выше имеют сходные с ними параметры. В результате использования мостовой схемы мы получаем амплитуду напряжения на нагрузке в 2 раза больше, чем в обычной схеме, тем самым добиваясь характеристик заданных в техническом задании. Питание операционных усилителей, с учетом запаса на колебания напряжения в сети выбираем равным 33 В, как и у самой схемы.

3. Исследование УМЗЧ с помощь ЭВМ

Исследование рассчитанного усилителя проведем с помощью пакетом автоматизированного проектирования MicroCap 6.0 и OrCAD 9.1. Собираем схему используя SPICE- модели транзисторов и операционных усилителей. На вход подключаем генератора синусоидальных сигналов с частотой 1КГц. Остальные элементы схемы задаются исходя из расчетов. Загрузочный файл пакета OrCAD 9.1 нашей схемы приведен в приложении D, а графическое представление в пакете MicroCap 6.0 в приложении G.

Готовую схему исследуем используя разные виды анализов. Результаты переходного анализа приведены в приложении А. Здесь приведены графики сигналов на выходе усилителя при трех разных температурах (10, 27 и 60°С) и при номинальной амплитуде входного сигнала.

В приложении В приведена характеристика выходной мощности при максимальном входном сигнале.

В приложении C приведена АЧХ УМЗЧ при трех температурах (10, 27 и 60°С), показана полоса пропускания по уровню 0.7 (а в дБ уровень 0.7 соответствует -3дБ от максимального коэффициента передачи). Более точная настройка полосы усилителя осуществляется конденсаторами С2 и С3.

Вычисление чувствительности на постоянном токе выходного напряжения к изменениям параметров схемы производилось в пакете OrCAD 9.1. Результат этих вычислений в виде выдержки из выходного файла приведен в приложении H.

Результаты из выходного файла для Фурье- гармоник приведены в приложении E. Анализ Monte Carlo для наихудшего случая, приведенный в приложении F, позволяет проследить, как зависит форма сигнала на выходе от влияния разброса параметров (в данном примере разброс задается величинам резисторов 10%).

заключение

Мы выполнили курсовой проект, который заключался в проектировании аналогового электронного устройства, в нашем случае усилителя мощности звуковой частоты. В процессе работы была подобрана техническая литература по разрабатываемому устройству, проанализировано техническое задание, в результате чего мы произвели выбор структурной схемы устройства, выполнили расчет её элементов. Проверка работы и дальнейшая настройка схемы производилась с использованием современных методов автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств, а именно MicroCap 6.0 и OrCAD 9.2. С помощь этих пакетов были проведены (и некоторые представлены графически) следующие анализы разработанной схемы:

Вычисление чувствительности на постоянном токе выходного напряжения к изменениям параметров схемы

Расчет частотных характеристик

Переходный анализ

Анализ Фурье- гармоник для определения коэффициента гармоник

Температурный анализ (для трех значений температуры (10, 27, 60)

Анализ характеристик для наихудшего случая

Оформление технической документации было произведено в точности по результатам проектирования. Цели, которые были поставлены перед нами в техническом задании, были успешно достигнуты.

Библиографический список