Проектирование усилителя мощности звуковой частоты

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»

Кафедра радиоэлектроники

Практическая работа

По курсу: “Аналоговые электронные устройства”

на тему: “Проектирование усилителя мощности звуковой частоты”

Содержание

Введение

1. Постановка задачи

2. Исходные данные

3. Расчет оконечного каскада

4. Выбор входного транзистора, расчет входных элементов и элементов ООС

Вывод

Литература

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 изменения 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.

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

3. Расчёт оконечного каскада

Для расчёта был выбран оконечный каскад на паре комплиментарных транзисторов, изображённый на рисунке 1.

усилитель транзистор амплитудный каскад



Рисунок 1 - Схема оконечного каскада УМЗЧ

Выбор транзисторов по допустимой мощности рассеяния на коллекторе и максимальной амплитуде коллекторного тока:

P_max(0.250.3)P_вых Р_max(1.251.5) (Вт)

По этим параметрам выбираем транзисторы VT1 и VT2 для оконечного каскада - КТ814А и КТ815А соответственно, параметры которых приведены ниже:

I_кmax = 1.5 (A) U_кэmax = 40 (B)

P_кmax = 2 (Bт) h₂₁ = 40 70

Определим точки для построения нагрузочной прямой по выходной характеристике транзистора КТ814А (КТ815А):

U_кэ= (Е_п)/2=15/2=7.5 (B) I_к=Е_п /(2*R_н)=15/12=1.25 (A)

Ku=(2*Uкэmax)/(*Eп)=(2*7.746)/ (*0.5)=21.9

Определим приблизительное количество каскадов, необходимых для выполнения заданных требований расчета усилителя:

n=lg(Ku)=lg(21.9)=1.34

Следовательно, для выполнения заданных требований достаточно двух каскадов.

По этим значениям построим нагрузочную прямую. Результат построения отображён на рисунке 2.

Рисунок 2 - Семейство выходных характеристик и нагрузочная прямая для транзистора КТ814А (КТ815А)

На рисунке 3 изображена входная характеристика транзистора КТ814 (КТ815А).

По входной характеристике транзистора КТ814А (КТ815А) определяем рабочую область:

I_бmin=0,25 (мA) U_эб0=0,7 (B)

I_бmax= 23 (мA) U_эбmax=0,86 (B)

I_mб= 22,75 (мA) U_mб=0,16 (B)

Рисунок 3 - Входная характеристика транзистора КТ814А (КТ815А)

Определим глубину ООС:

F=1+g_21*R_н ,

где g₂₁ - усреднённая крутизна характеристики транзистора.

F=1+8,07_*6=49,4

Рассчитаем делитель напряжения для выходного каскада:

Iдел=Iбо

Следовательно, выбираем ток, равный: Iдел=0,75 (мA)

Следовательно, выбираем сопротивление резистора R1 из ряда стандартных сопротивлений, равное 9.1 кОм.

Рассчитаем сопротивление резисторов R2 и R3:

R2+Rн = (Еп-Uкэ)/Iк

R2+Rн = (15- 6.4)/0.18 = 48 Ом

R2 = 48 - 6 = 42 Ом

Следовательно, выбираем сопротивление резисторов R2 и R3 из ряда стандартных сопротивлений, равные по 43 Ом.

I_диода= I_дел+I_б0; I_диода=0,75+0,25=1 (мA)

При этих токах падение напряжения на диодах должно составлять: 2*U_эб0=1.4 [B]

Включение двух диодов КД-514А последовательно обеспечит требуемое падение напряжения.

Вольтамперная характеристика диода КД-514А изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Вольтамперная характеристика диода КД-514А

Рассчитаем входное сопротивление с учётом ООС:

; где ;

Рассчитаем амплитудные значения на входе:



Построим сквозную характеристику:

Выбираем R_г=300 (Oм)

Данные для построения сквозной характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Данные для построения сквозной характеристики

Iб, (мA)	Iк, (мA)	Uэб, (B)	Iб* Rг, (B)	Eс= Iб * Rг+Uэб, (B)
0.25	20	0.700	0,075	0,775
1	80	0,760	0,300	1,060
2	180	0,780	0,600	1,380
5	350	0,810	1,500	2,310
7	430	0,840	2,100	2,940
10	560	0,850	3,000	3,850
15	670	0,852	4,500	5,352
23	800	0,860	6,900	7,760

Полученная сквозная характеристика отображена на рисунке 5.



Рисунок 5 - Сквозная характеристика

По сквозной характеристике определяем:

Im1===226.67

Im2==22.5

Im3==21.67

Im4==15.83

Определим коэффициент гармоник без учета ОС:

Кг0==15.45

4. Выбор входного транзистора, расчет входных элементов и элементов ООС

Входной транзистор необходимо выбирать таким образом, чтобы он смог обеспечить необходимый ток базы выходных транзисторов. В данном случае подойдет транзистор КТ104А. Его параметры:

h21э=9..36

Ikmax=50mA

Uкэmax=10B

Выходная характеристика транзистора КТ104А представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Выходная характеристика транзистора КТ104А

Рассчитаем номиналы элементов ООС:



Рисунок 7 - Цепь отрицательной обратной связи

Iвх=Uc/Rc=0.5/(50*10)=1*10;

R5==10 кОм;

Ku=22;

R4= Ом;

С1==3.34 мкФ

Рассчитаем конденсатор С2 :

С2=

С3=265.4 мкФ

Глубина обратной связи:

F=

Определим коэффициент гармоник с учетом ОС:

Кг=Кг0/F=15.45/4.55=3.4 ,что не превышает 5%, которые заданы изначально.

Сопротивление резистора R6 целесообразно выбирать равным сопротивлению R5, чтобы одинаковые входные токи, протекающие через них, вызывали одинаковые падения напряжения.

Выберем значения этих номиналов исходя из стандартного ряда :

R5=R6=10 кОм

R4=510 Ом

С1=3.6 мкФ

С2=0.56 мкФ

С3=270 мкФ

Таким образом, получили входной каскад и отрицательную обратную связь в виде:

Рисунок 8 - входной каскад и цепь ООС

Рассчитаем частотные искажения в области верхних и нижних частот:

где щ_В = 2рf_В - верхняя круговая частота;

ф_{В =} ф_в + ф_К - постоянная времени транзисторного каскада;

ф_К = С_к*R_н, С_к - емкость коллекторного перехода (справочные данные); R_н - сопротивление нагрузки.

щ_В = 2*3,14*15000 = 94200;

ф_К = 60*10^-12*6 = 3,6*10^-10

ф_В = 5,3*10^-8 + 3,6*10^-10 = 8,9*10^-8

щ_В = 2р*f_Н

щ_Н = 2*3,14*100 = 62,8;

Получили окончательный вид схемы:



Рисунок 9 - Окончательный вид схемы

Вывод

Настоящая работа представляет собой полный расчет усилителя мощности звуковой частоты.

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

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

Произведен подбор микросхемы и схемы ее включения с целью расчета усилителя с такими же параметрами, но на микросхеме. Произведено их сравнение.

Сравнение показало, что наиболее выгодным и целесообразным является использование усилителей на микросхемах.

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. Лавриненко В.Ю. “Справочник по полупроводниковым приборам”- М : “Техника” 1994 г.

3. Линецкий А.И. “Конспект лекций по курсу: «Электроника и микросхемотехника»”.

4. Новаченко В.М. “Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры”- М. : КубК-а 1996 г.

Размещено на Allbest.ru