Структурная схема усилителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Наименование изделия

2. Область применения

3.Обзор аналогов и обоснование структурной схемы усилителя.

3.1 Обзор современных технических решений

3.2 Выбор структурной схемы

4. Расчет структурной схемы

4.1 Данные для расчета

4.2 Определение колебательной мощности на входе

4.3 Определение суммарного коэффициента усиления по мощности

4.4 Определение амплитуд напряжения и тока на нагрузке

4.5 Предварительное определение мощности потребляемой и рассеиваемой оконечным каскадом.

4.6 Выбор транзисторов оконечного каскада

4.7 Расчет оконечного каскада

4.7.1 Расчет первого транзистора оконечного каскада (VT7)

4.7.2 Расчет коэффициента гармоник транзистора (VT7)

4.7.3 Расчет второго транзистора оконечного каскада (VT5)

4.8 Расчет каскада возбуждения

4.9 Расчет вспомогательного оконечного каскада

4.10 Расчет операционного усилителя

4.11 Расчет второго плеча

4.12 Пересчет параметров с учетом ООС

4.13 Распределение коэффициента частотных искажений по каскадам

Введение

В современной схемотехнике популярно использование ИМС, совместно с обычными транзисторами, так как это позволяет совмещать, простоту изготовления с высокими выходными требованиями.

1. Наименование изделия

Усилитель мощности звуковой частоты бытовой первой группы сложности - «Оратор 001».

2. Область применения

Домашняя стационарная акустическая система используется в домашних условиях или в небольших залах, для проведения любительских концертов, вечеров и т.п. Усилитель в ее составе предназначен для усиления мощности воспроизводимого звука.

3. Обзор аналогов и обоснование структурной схемы усилителя

3.1 Обзор современных технических решений

При разработке усилителей ЗЧ с максимальной выходной мощностью более 100Вт важным становится получение возможно большего КПД усилителя, при достаточно малых нелинейных искажениях.

В режиме А КПД оказывается не более 50%, и то только для трансформаторной выходной цепи. При непосредственном включении нагрузки КПД составит максимум 25%.Достоинством режима А являются малые нелинейные искажения, однако на больших мощностях он не используется из-за большого расхода энергии.

В режиме В выходной ток существует ровно половину периода, в течении другой равен 0. Максимальный КПД, которого можно достичь в режиме В равен 78,5%( в 1,6 раз больше, чем в режиме А). Значительным недостатком является высокий уровень четных гармонических составляющих. Поэтому режим В применяется, только в двухтактных УМ или при усилении одно полярных импульсных сигналов. Двухтактная схема обеспечивает компенсацию четных гармоник, поэтому искажения отсутствуют.

Именно этот режим чаще всего используется в усилителях большой мощности.

Но, наиболее удачным решением является сочетание каскадов работающих в различных режимах АВ и В (или А и В, и даже А и С) причем при малой мощности работает только один из них ( первый), а при большой мощности - оба.

Рассмотрим несколько вариантов усилительных каскадов работающих по данной схеме.



Рис.1. Варианты усилительных каскадов работающих в разных режимах.

Каждый из усилителей состоит из двух выходных каскадов -- основного и вспомогательного, включенных параллельно. Причем основной каскад работает в режиме В, а вспомогательный -- в режиме А В. Основной каскад усилителя, показанного на рис. 1.а выполнен на транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме комплементарного эмиттерного повторителя, работающего в режиме В. Транзисторы VT3, VT4 и резисторы R6 -- R9 образуют вспомогательный каскад, который работает в режиме АВ. Резисторы R1--R5 и диоды VD1, VD2 обеспечивают необходимое смещение на базах транзисторов и задают режим работы обоих каскадов. Как видно из схемы, напряжение смещения на базах транзисторов вспомогательного каскада всегда больше, чем на базах основного каскада на величину падения напряжения на диодах VD1, VD2. В результате, если с помощью изменения сопротивления резистора R4 задать напряжение смещения на базах транзисторов VT3, VT4, соответствующее режиму АВ, то напряжение смещения на базах транзисторов VT1, VT2 будет меньше и каскад будет работать в режиме В. Резисторы R8, R9 создают необходимую термостабилизацию вспомогательного каскада, а резисторы R6, R7 ограничивают базовый ток транзисторов VT3, VT4. При малых уровнях входного сигнала транзисторы основного каскада VT1, VT2 закрыты и работает только вспомогательный каскад. При этом переменный ток, поступающий в нагрузку, мал, мало и падение напряжения на резисторах R8, R9. С ростом входного напряжения начинают открываться транзисторы VT1, VT2 и увеличивается ток, поступающий в нагрузку от включенных параллельно выходных каскадов. Увеличение тока, протекающего через резисторы R8, R9, приводит к росту падения напряжения на них и ограничению тока транзисторов VT3 и VT4. При максимальном выходном токе, например, при положительной полуволне входного напряжения, транзистор VT1 полностью открыт, а через транзистор VT3 при этом протекает в нагрузку гораздо меньший ток, ограниченный в основном резистором R8 и частично R6. Таким образом, чем больше будет сопротивление резисторов R8, R9, тем на меньшем уровне будет ограничен максимальный ток транзисторов вспомогательного каскада, а значит, и максимальная мощность в режиме АВ, отдаваемая в нагрузку. Как показало макетирование, сопротивление резисторов R8, R9 порядка 2...10 Ом ограничивает максимальный ток транзисторов вспомогательного каскада на уровне 200...40 мА. Более сложен выходной каскад, изображенный на рис. 1.б. Он обеспечивает усиление, как по току, так и по напряжению. В основном каскаде (VT3, VT4) предусматривается использование мощных составных транзисторов КТ825, КТ827. Вспомогательный каскад VT5--VT8 также должен быть собран на составных транзисторах. Резисторы R1--R11, стабилитроны VD1, VD2, диоды VD3, VD4 и транзисторы VT1, VT2 определяют режим работы выходных каскадов, который не меняется при изменении напряжения питания в значительных пределах. Объясняется это тем, что напряжение смещения на базах транзисторов VT1, VT2 поддерживается постоянными стабилитронами VD1, VD2. Работа транзисторов выходного каскада в режиме усиления тока и напряжения обеспечивает максимальный КПД выходного каскада, поскольку в этом случае напряжение насыщения транзисторов минимально и максимальное значение амплитуды выходного сигнала приближается к напряжению питания. Как и при коррекции искажений с использованием прямой связи, усилитель мощности, построенный по предложенным схемам, должен иметь достаточно глубокую ООС, обеспечивающую малые нелинейные искажения в широком динамическом диапазоне выходных сигналов. Очевидно, что наилучшим образом решить эту задачу позволяют современные быстродействующие ОУ.

3.2 Выбор принципиальной схемы

На основе вышесказанного возьмем за основу для разработки схему изображенную на рис. 2.

Рис.2. Схема усилителя (предварительная)

Каскад предварительного усиления выполнен на быстродействующем ОУ DA1 (К544УД2Б), который наряду с необходимым усилением по напряжению обеспечивает устойчивую работу усилителя с глубокой ООС. Резистор обратной связи R3 и резистор R1 определяют коэффициент усиления усилителя. Выходной каскад выполнен на транзисторах VT1--VT8. Конденсаторы С5--С8 корректируют фазовую и частотную характеристики каскада. Стабилитроны VD1, VD2 стабилизируют напряжение питания ОУ, которое одновременно используется для создания необходимого напряжения смещения выходного каскада. Диоды VD3-- VD6 и резисторы R2, R8 образуют цепь нелинейной ООС, которая уменьшает коэффициент усиления ОУ, когда выходное напряжение усилителя мощности достигнет своего максимального значения. В результате уменьшается глубина насыщения транзисторов VT1, VT2 и снижается вероятность возникновения сквозного тока в выходном каскаде. Конденсатор, С5 -- корректирующий. С увеличением емкости конденсатора С5 растет устойчивость усилителя, но одновременно увеличиваются нелинейные искажения, особенно на высших звуковых частотах. Усилитель сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до +_25 В. Возможно и дальнейшее снижение напряжения питания вплоть до +_l5 и даже до +_12 В при уменьшении сопротивления резисторов R4, R5 или непосредственном подключении выводов питания ОУ к общему источнику питания и исключении стабилитронов VD1, VD2. Снижение напряжения питания приводит к уменьшению максимальной выходной мощности усилителя прямо пропорционально квадрату изменения напряжения питания, т.е. при уменьшении напряжения питания в два раза максимальная выходная мощность усилителя уменьшается в четыре раза.

4. Расчет принципиальной схемы

4.1 Данные для расчета

Данные для расчета в таблице 1.

Таблица 1:

Диапазон воспроизводимых частот, Гц, не менее	Неравномерность АЧХ, дБ, не более	Коэффициент гармоник по электрическому напряжению, %, не более	Входное сопротивление Rвх, кОм, не менее	Выходная мощность Pвых, Вт, не менее	Номинальное сопротивление нагрузки Rн, Ом
20-20000	3	0,1	10	150	4

Напряжение питания .

Уровень входного сигнала U_mc=1В.

4.2 Определение колебательной мощности на входе

Где -- амплитуда входного напряжения, -- входное сопротивление.

4.3 Определение суммарного коэффициента усиления по мощности

Где -- выходная мощность, -- мощность на входе.

4.4 Определение амплитуд напряжения и тока на нагрузке

Так как оконечный каскад собран по двухтактной схеме на комплементарных транзисторах , то будем вести расчет только одного плеча, пологая что во-втором плече значения токов и напряжений равны соответственным значениям для первого плеча.

Где -- мощность в нагрузке отдаваемая одним плечом,

-- сопротивление нагрузки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

4.5 Предварительное определение мощности потребляемой и рассеиваемой оконечным каскадом

Найдем среднее значение тока потребляемого от источника питания:

Мощность потребляемая от источника питания равна

Где -- напряжение питания.

КПД оконечной ступени определим как отношение выходной мощности к потребляемой:

Найдем максимальную рассеиваемую на коллекторах мощность(на двух транзисторах):

На один транзистор приходиться половина этой мощности

4.6 Выбор транзисторов оконечного каскада

транзистор усилитель мощность звуковой частота

В предыдущем пункте мы не учли, что в оконечном каскаде применены составные транзисторы, то есть действительно ток коллектора будет меньше, так как часть тока( незначительная) в нагрузку будет поступать от первого транзистора пары Дарлингтона.

Вполне очевидно что если транзистор подходит по параметрам приведенным выше, то он наверняка будет подходить и после уточнения параметров.

По данным f_в, f_н, P_рас1, E выбираем транзистор КТ818Г.

Для него , следовательно, ток базы приблизительно будет равен:

Из схемы ясно, что .Тогда, для второго транзистора пары имеем (приблизительный расчет):

Максимальная рассеиваема на коллекторе одного транзистора мощность.

Где -

- входное сопротивление следующего транзистора(VT7)

На основе предварительных расчетов выбираем второй транзистор пары Дарлингтона (VT5).

Нам подходит КТ816Г, но он имеет низкий коэффициент усиления по току().Второй вариант, это транзистор КТ814Г, у него, но допускается использовать транзистор, когда один из параметров имеет граничное значение.

Пара Дарлингтона состоит из транзисторов КТ818Г и КТ814Г, суммарный коэффициент усиления равен

,

где -- коэффициент передачи по току транзистора VT5,а-- VT7.

Амплитуда входного тока равна

Теперь можем найти токи коллекторов обеих транзисторов:

4.7 Расчет оконечного каскада

4.7.1 Расчет первого транзистора оконечного каскада(VT7)

Основной нагрузкой для транзистора является R_н. Поэтому нагрузочная прямая будет проходить до E/2*R_н.



Рис.3 Пересчет выходных характеристик во входные КТ818Г

Из ВАХ:

U_бэо=0,6 В

I_бо=0,1 мА

U_бэм=0,6 В

Найдем напряжение база-земля

U_бз = U_бэм +U_R20

Зададимся U_R20 = 0,01*E = 1.16 В - падение напряжения на резисторе R20

U_бз = 0,6 + 1,16 = 1,82 В

Коэффициенты усиления выходного каскада составят:

4.7.2 Расчет коэффициента гармоник транзистора VT7

По методу пяти ординат проведем построение сквозной динамической характеристики по данным из таблицы 2

Таблица 2.

Номер точки	1	2	3	4
Uбэ, В	0.78	1	1.07	1.24
Iб'=Iб - Iб0, А	0.04	0.15	0.21	0.29
Uс~= Uбэ - Iб'Rc, В	6.38	22	30.47	41.84
Iк'=Iк - Iк0, А	2.4	3.5	5.1	5.9

где , -- разница, напряжений и соответствующее отклонение токов транзистора VT5.

Построим сквозную динамическую характеристику (Рис.4.):

Рис.4. Сквозная динамическая характеристика VT7

I`kmax=5.9 А

I`1=3.8 А

Найдем амплитуды первых четырех гармоник

Коэффициент гармоник вычисляется по формуле

Данное значение коэффициента гармоник превышает коэффициент гармоник заданный в ТЗ(Кг_тз=0.1%). Целесообразно ввести межкаскадную обратную связь последовательную по напряжению.

Воспользовавшись формулой

найдем множитель

Где -- коэффициент гармоник из ТЗ.

При вводе ООС уменьшается коэффициент усиления по мощности в раз. То есть для получения необходимой мощности на выходе необходимо без учета ООС получить K_u=*K_uоос.

Где K_uоос коэффициент усиления по мощности рассчитанный ранее ( пункт 2.3) и равный

То есть

4.7.3 Расчет второго транзистора оконечного каскада(VT5)

Основной нагрузкой для транзистора является R_н. и входное сопротивление транзистора VT7.



Видно что (пункт 2.6) мы взяли достаточно точно (9.75) значит, транзистор КТ814Г нас удовлетворяет.

Рис.5 Пересчет выходных характеристик во входные КТ814Г

Из ВАХ:

U_бэо=0.58 В

I_бо=0.1 мА

U_бэм=0.23 В

Найдем напряжение база-земля

U_бз = U_бэмVT7 +U_R20+ U_бэмVT5

U_R20 = 1.16 В - падение напряжения на резисторе R20

U_бз = 0.6 + 1.16 + 0.23 = 2.054 В

Коэффициенты усиления выходного каскада составят:

4.8 Расчет каскада возбуждения

Для каскада возбуждения выберем транзистор КТ815Г. Проведем пересчет выходных характеристик во входные характеристики. R_нVT1=R_вхVT5||R₁₂. R₁₂=100Ом R_н=72.85 Ом.

Рис.6. Пересчет выходных характеристик во входные КТ814Г

Каскад работает в режиме А.

Амплитуда тока коллектора равна

Амплитуда напряжения на нагрузке равна

По характеристикам определяем:

U_бэм = 0.08 В

I_бм = 0.63 мА

U_бэо = 0.6 В

I_бо = 0.7 мА

I_ко = 31.5 мА

Определяем коэффициенты передачи

,

Где -- падение напряжения в на резисторе обратной связи, равное 1.438 В

4.9 Расчет вспомогательного конечного каскада

Вспомогательный каскад работает только при малом входом сигнале, поэтому существенного влияния на коэффициент усиления не имеет. Резистор R18 и частично R16 ограничивают максимальный ток транзистора вспомогательного каскада на уровне 200...40 мА.

Расчет каскада сводится к выбору мощного транзистора, скорее всего составного, и подборе с помощью макетирования резисторов R18, R16, так чтоб ток ограничивался на нужном уровне (порядка 2...10 Ом).

4.10 Расчет операционного усилителя

Операционный усилитель окружен глубокой параллельной ООС по напряжению. Следовательно по известной формуле ,

где R_св - резистор обратной связи, а R_и - сопротивление источника. В нашем случае:



К_и можно найти по формуле:

,

Где -- входное сопротивление операционного усилителя с учетом ООС.

Вычисляется по формуле

-- выходное сопротивление операционного усилителя с учетом ОСС

, значение определяется постепенным преобразованием сопротивлений R9, R10, R11, R_вхVT1 и R_св.

Имеем

4.11 Расчет второго плеча

Так как транзистор собран на комплементарных транзисторах, то значения всех параметров остаются таким же, нужно только заменить транзисторы на комплементарные( с другим типом проводимости).Это сделано в таблице 3.

Таблица 3.

Транзистор (p-n-p)	Комплементарный транзистор (n-p-n)
КТ818Г	КТ819Г
КТ814Г	КТ815Г

4.12 Пересчет параметров с учетом ООС

Общий коэффициент усиления по мощности без учета обратной связи равен.

С учетом обратной связи

Видим что , больше необходимого общего коэффициента усиления рассчитанного ранее (пункт 2.3):, значит можно еще увеличить глубину ООС, тем самым повысив стабильность, и качество усиления.



4.13 Распределение коэффициента частотных искажений по каскадам

На основании частотных искажений заданных в ТЗ распределим частотные искажения по каскадам так:

На вход 2дБ, так как там стоит разделительный каскад, который вносит нелинейные искажения на низких частотах.

На оконечные каскады

На выходной каскад 1дБ, здесь нет разделительных емкостей, но возможно проявление шунтируещего действия емкости монтажа и емкости коллектора транзистора.

Розробка технічного завдання

1. Назва КР і підстава для виконання КР

1.1. Назва КР: Підсилювач потужності 1 класу складності

1.2. Підстава для виконання КР: Завдання кафедри РОС, видане 12 вересня 2009 р.

1.3. Термін початку і закінчення КР: 12 вересня 2009 р. - 10 грудня 2009 р.

2. Мета виконання КР

Метою виконання курсової роботи (КР) є розробка схемотехнічної документації на підсилювач.

3. ДЖЕРЕЛА РОЗРОБКИ

Джерелами розробки є:

3.1 ГОСТ 24388-88 Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия.

3.2 ГОСТ 24838-87 Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Входные и выходные параметры.

3.3 ГОСТ 2.701-84 (2000) ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.

3.4 ГОСТ 15150-69 Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

3.5 Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 9-е изд., перераб.

3.6 Цыкина А.В. Электронные усилители. М.: Радио и связь, 1982.

3.7 Николаенко Н.С. Проектирование транзисторных усилителей измерительных устройств М.-Л.: Энергия, 1965.

3.8 Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.; Радио и связь, 1988 - 199 с: ил.

3.9 Цыкин Г.С. Усилительные устройства. - 4-е изд, перераб. - М.: «Связь» 1971.

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

3.11 Изьюрова Г.И. Расчет электронных схем. Примеры и задачи. - М.: Высшая школа, 1987

3.12 Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности. Справочник. - под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь. 1989.

3.13 Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. - под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь. 1989.

3.14 Справочник по учебному проектированию приёмно-усилительных устройств /М. К.Белкин и др.

Склад продукції

До складу підсилювача входять

- плата підсилювача;

- блок регуляторів;

4. ТЕХНІЧНІ ВИМОГИ

5.1. Вимоги призначення.

5.1.1. Технічні вимоги за електроакустичними показниками в табл. 1. Згідно ГОСТ 24388-88 розроблюваний підсилювач відповідає 1 групі складності.

Таблиця 1

Параметр або характеристика	Одиниця	Норма	Джерело	Прим.
I	2	3	4	5
1. Вихідна потужність Pвых не менше	Вт	150	3.1
2. Діапазон робочих частот, не менше	Гц	від 20 до 20000	3.1
3. Коефіцієнт частотних спотворень на нижній частоті не більше , Мн	dB	3	3.1
4. Коефіцієнт частотних спотворень на верхній частоті не більше , Мв	dB	3	3.1
5. Опір навантаження підсилювача Rн	Ом	4±0,025	3.2
6. Вхідний опір Rвх	кОм	10±0,5	3.2
7. Коефіцієнт гармонік, не більше	%	0.1	3.1

5.2. Вимоги життєздатності та стійкості до зовнішніх впливів і чинників.

5.2.1. За умовами експлуатації складові частини підсилювача повинні задовольняти вимогам ГОСТ 15150-69 виконання УХЛ категорія 4.2 при цьому значення температур прийняти рівними: від +10єС до +40єС

5.3. Вимоги надійності.

Середній наробіток на відмову відповідно до ГОСТ 24388-88 не менше 11000 годин.

5.4. Вимоги конструкції.

5.4.1. Конструкція повинна допускати можливість демонтажу окремих функційних вузлів і складових частин для ремонту й виключати неправильне під'єднання складових частин до джерел живлення.

5.4.2. Габаритні розміри підсилювача, мм: 90х100х200 і можуть уточнюватися в процесі проектування.

5.4.3. Орієнтовна загальна вага підсилювача не більше 5 кг і може уточнюватися в процесі розробки.

Размещение на Allbest.ru