Разработка устройства усиления звуковых частот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Структурная схема усилителя звуковой частоты

2. Резисторный каскад

3. Расчет резисторного каскада на биполярном транзисторе

3.1 Выбор типа транзистора и режима работы по постоянному току

3.2 Определение элементов принципиальной схемы

3.3 Расчет результирующих показателей

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Техническая электроника широко внедряется практически во все отрасли науки и техники, поэтому знание основ электроники необходимо всем инженерам. Особенно важно представлять возможности современной электроники для решения научных и технических задач в той или иной области. Многие задачи измерения, управления, интенсификации технологических процессов, возникающие в различных областях техники, могут быть успешно решены специалистом, знакомым с основами электроники. В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим - усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиозным изобретением человечества.

Усилительные устройства актуальны были всегда. И в нынешнем, современном мире они все также находят достойное место среди другой аппаратуры. Усилители широкополосные, импульсные, осциллографические, видео, звуковые и еще много других, без которых не обходится сейчас практически ни один законченный функциональный блок. Особое место занимают усилители звуковых частот (УЗЧ). Необходимость их применения очевидна и вытекает из названия. УЗЧ применяются как в бытовой аппаратуре, так и в военной, а также космической технике.

Сейчас, в век интегральных технологий габариты устройств снизились на столько, что полностью законченное устройство можно разместить и на ладони. Не обошло стороной это и УЗЧ.

Сейчас легко приобрести довольно компактную микросхему усилителя нужной мощности и, дополнив ее некоторыми стандартными навесными элементами, получить готовый прибор. Однако, за габариты микросхем, в некоторой степени, нужно "платить". Дело в том, что многие микросхемы требуют достаточно громоздкие радиаторы, поэтому в мощных усилителях, а точнее в их выходных каскадах применяют в основном транзисторы.

Микросхемы (например, операционный усилитель) дают очень большой коэффициент усиления по напряжению, однако, для того чтобы развить в нагрузке необходимую мощность требуется еще и усиление по току. Транзисторы являются приборами, которые работают с большими токами, и, к тому же они не очень высокочастотны, то есть они отлично подходят для УЗЧ. В промежуточных и входных каскадах чаще используют все же микросхемы. Таким образом, в современной аппаратуре с успехом применяются как транзисторы, так и аналоговые микросхемы.



1. Структурная схема усилителя звуковой частоты

Структурные схемы применяются для упрощённого изображения схем электронных устройств, в том числе и схем усилителей. Структурная схема состоит из прямоугольников, обозначающих основные узлы устройства. Структурные схемы называют также блок-схемой или функциональной схемой структурная схема усилителя звуковой частоты изображена на рисунке 1, а также структурную схему можно рассмотреть в приложении А.

Рисунок 1 - Структурная схема усилителя звуковой частоты

Входное устройство служит для передачи сигнала от источника сигнала во входную цепь предварительного усилителя тогда, когда прямое подключение к источнику сигнала невозможно или нецелесообразно. В нашем случае это конденсатор, который предотвращает попадание постоянной составляющей на вход регулятора тембра. Регулятор усиления используется для обеспечения желаемой мощности на выходе усилителя. Регулятор усиления может быть реализован в виде обычного делителя или выполнен по схеме с применением ООС ОУ. В разрабатываемой схеме регулятор усиления будет смонтирован в цепи обратной связи усилителя.

Последний каскад используется для усиления напряжения, тока и мощности сигнала до величины необходимой для подачи на вход оконечного каскада мощности.

Оконечный каскад предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. Отрицательная обратная связь (ООС) охватывает усилитель и требуется для понижения нелинейных искажений усилителя, вносимых оконечным каскадом усилителя мощности и для повышения стабильности. Но при этом понижается коэффициент усиления каскадов, охваченных ООС.

Выходное устройство служит для передачи усиленного сигнала из выходной цепи в нагрузку. Применяется, когда непосредственное подключение нагрузки невозможно или нецелесообразно. Конденсатор используется для разделения постоянных составляющих тока и напряжения выходной цепи и нагрузки. Источник питания используется для питания усилителя, его энергия преобразуется в энергию усиленного сигнала.

В разрабатываемой схеме отсутствует входной каскад. Обоснованием сего служит стремление к удешевлению устройства, к тому же в качестве промежуточного каскада используем ОУ, с помощью которого обеспечим необходимый коэффициент усиления по напряжению всего усилителя. Регулировка усиления будет построена на этом же ОУ. Можно сделать регулировку тембра активной, на этом же ОУ, однако, это чревато взаимным влиянием усиления на тембр, и к тому же расчет такой схемы слишком сложен. Поэтому сделаем ее пассивной, и поставим на входе устройства, а все потери в регуляторе скомпенсируем дополнительным увеличением коэффициента усиления ОУ. При этом несколько возрастут шумы усилителя, однако, так как ограничения в этой области в техническом задании не указаны, то учитывать шумы не будем.



2. Резисторный каскад

Основным каскадом усиления в предварительных усилителях является резисторный каскад, так как он содержит минимальное число реактивных элементов и может обеспечить при определенных условиях достаточно большой коэффициент усиления. Свое указание каскад получил по нагрузке по постоянному току в цепи коллектора - резистору R_к. Резистор R_к определяет нагрузку каскада по постоянному току. Через него напряжение источника Е_к поступает на коллектор. Резисторы R_{д 1,} R_{д 2,} R_э обеспечивают заданное напряжение смещения на эмиттерном переходе и температурную стабилизацию токов транзистора. С_{р 1,} С_{р 2} - разделительные конденсаторы: С_{р 1} отделяет источник сигнала от попадания на него постоянного напряжения, С_{р 2} защищает вход транзистора VT2 от постоянного напряжения, благодаря чему на вход следующего каскада попадает только переменная составляющая сигнала.

Таким образом, в схеме имеются усилительный элемент, его нагрузка по постоянному и переменному току, а также цепи межкаскадной связи, подачи смещения и эмиттерной стабилизации. На вход первого каскада поступают от источника сигнал, который необходимо усилить, и напряжение смещения для выбора точки покоя. Усиленный сигнал через разделительный конденсатор С_р подается на вход второго каскада.

Выводы: 1. Каскады предварительного усиления должны обеспечить усиление входного сигнала до уровня, который необходимо подать на вход оконечного каскада. 2. К каскадам предварительного усиления предъявляют следующие основные требования: получение максимального усиления от отдельного каскада; получение минимальных частотных, фазовых, переходных и нелинейных искажений сигнала. 3. Основным каскадом предварительного усиления.



3. Расчет резисторного каскада на биполярном транзисторе

Расчеты электронных схем имеют свою структуру, которая определяет последовательность действий. Каждый расчет должен содержать техническое задание, в которое входят исходные данные для расчета и перечень того, что надо получить в результате расчета.

Исходные данные: полоса усиливаемых частот … , допустимые частотные искажения на верхних и нижних частотах … , требуемый коэффициент усиления по току , напряжение источника питания - , входное сопротивление следующего каскада , емкость , эквивалентное сопротивление делителя для подачи смещение в цепи входа следующего каскада .

Требуется определить: тип транзистора, положение точки покоя на статистических характеристиках и данные режима по постоянному току, сопротивления и емкости элементов принципиальной схемы каскада, коэффициенты усиления по току и по напряжению, реальные частотные искажения в схеме. усилитель звуковая резисторный транзистор

Таким образом, в соответствии с заданием определяется последовательность расчета: выбор типа транзистора и его режима по постоянному току, определение элементов принципиальной схем, расчет результирующих показателей. Расчет ведется по схеме с ОЭ, в режиме А. Ознакомиться с принципиальной электрической схемой резисторного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ можно на рисунке 2, а также в приложении Б.



Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема резисторного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ

3.1 Выбор типа транзистора и режима работы по постоянному току

1. Транзистор выбираем по предельной частоте и по требуемому усилению по

(3.1)

= .

(1,2…1,5) (3.2)

(1,2…1,5)= .

Выбор производим среди маломощных транзисторов, предпочтительнее кремниевых, параметры выбранного транзистора указаны в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры выбранного транзистора

Гц			Ом	, В	, мА	, мВт	, См
500	20	60	1130	20	10	150	13*

2. Определяем коллекторный ток в точке покоя :

(1.2… 1,5),

но не меньше тока , при котором обеспечивается соответствие параметров указанных в паспорте.

(1.2… 1,5) (3.3)

- ток коллектора, мА;

- ток следующего каскада, мА.

(1.2… 1,5) мА.

Находим напряжение в точке покоя

= (0,4…0,5) (3.4)

- напряжение коллектор-эмиттер, В.

= (0,4…0,5)= В.

4. На семействе статистических выходных характеристик выбранного транзистора определяем положение точки покоя и ток базы в этой точке

Смотрим приложение В.

= мА.

где - ток базы, мА.

Переносим точку покоя на входную характеристику, снятую при || 0, и находим напряжение в этой точке. Смотрим приложение В.

= В,

где - напряжение база-эмиттер, В.

3.2 Определение элементов принципиальной схемы

6. Выбираем эмиттерную стабилизацию точки покоя. Задаемся падениями напряжения на сопротивлении :

= (0,2… 0,3) (3.5)

= (0,2… 0,3) = В.

Чем больше тем сильнее ООС по току и схема работает стабильнее, но увеличиваются потери напряжения источника :

= (3.6)

= = = Ом.

= + (3.7)

где - ток эмиттера, мА.

= + = мА.

Мощность, рассеиваемая на резисторе:

= * (3.8)

= * = * 1300 = 7803,25 Вт.

Выбираем соответствующий стандартный резистор.

7. Определяем ток в цепи делителя смещения:

= (3… 10) (3.9)

= (3… 10) = мА.

8. Определяем сопротивления резисторов делителя:

= (3.10)

= = Ом.

= (3.11)

= = Ом.

= (+ * (3.12)

= (+ * = .

= * (3.13)

= * .

Выбираем соответствующие стандартные резисторы.

9. Общее сопротивление делителя:

= (3.14)

= = Ом.

10. Определяем емкость . Для того, чтобы эта емкость не вносила заметных частотных искажений на нижних частотах, выбираем ее сопротивление во много раз меньше сопротивления :

= (3.15)

= = Ф.

Выбираем стандартную емкость.

11. Определяем сопротивление резистора в коллекторной цепи :

= (3.16)

= = Ом.

= * (3.17)

= * = Вт.

Выбираем стандартный резистор.

12. Определяем емкость разделительного конденсатора, исходя из заданных частотных искажений на нижних частотах:

= (3.18)

= = Ф.

R_{нэкв =} (3.19)

R_{нэкв =} = = 960 Ом.

= (3.20)

= = =Ом.

при , .

Выбираем стандартный конденсатор .

3.3 Расчет результирующих показателей

13. Определяем коэффициент усиления по току:

= (3.21)

= = .

14. Определяем коэффициент усиления по напряжению:

К = (3.22)

К = = .

= (3.23)

= = = 296,01 Ом.

15. Проверяем частотные искажения на верхних частотах:

= (3.24)

= = = * = 1,12.

= (3.25)

= = Ом.

при , = .

= .

Ф (3.26)

так как .

16. Строим амплитудно-частотную характеристику каскада в таблице 2, при значениях:

f=0.5; 2 ; 2.

Таблица 2 - амплитудно-частотная характеристика каскада

f, Гц	28	56	112	5900	11800	23600
М	1	1	1	1,03	1,12	1,43

В приложении Г приведен график зависимости допустимого частотного искажения от частоты.



Заключение

В данной курсовой работе было разработано устройство усиления звуковых частот, удовлетворяющее техническое задание. Данный усилитель получился достаточно простым и дешевым, что удовлетворяет серийность производства. К достоинствам этого аппарата можно отнести его компактность, и малый коэффициент гармоника. Недостатками данного усилителя является не проконтролированный уровень шумов ( более 2 мкВ) и довольно невысокое входное сопротивление.

Все усилители мощности звуковой частоты предназначены для решения одной задачи - повысить уровень поступающих на них электрических сигналов до величины, обеспечивающей нормальную работу громкоговорителей. В нашем современном мире усилитель звуковой частоты можно встретить во всей современной и даже несовременной техники: в телевизорах, музыкальных центрах, радиоприёмниках, радиопередатчиках, радиотрансляционных сетях, телефонах, мобильных телефонах и т. д.



Список использованной литературы

1. Аналоговые электронные устройства: Методические указания к курсовой работе / РГРТА; Сост. Д.И. Попов. Рязань, 1992. 32 с.

2. Регуляторы усиления: Методические указания к курсовой работе / РГРТА; Сост. В.С. Осокин. Рязань, 1990. 28 с.

3. Мигулин И.Н., Чаповский И.З. Усилительные устройства на транзисторах (проектирование). Киев: Техника, 1971. 324 с.

4. Справочная книга радиолюбителя- конструктора. Под ред. Н.И. Чичтякова М.: Радио и связь, 1990. 624 с.

5. Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот / Н.Л. Безладнов, Б.Я. Герценштейн, В.К. Кожанов и др.; под ред. Н.Л. Безладнова. М.: Связь, 1979. 368 с.

6. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие / В.В. Ефимов, В.Н. Павлов, Ю.П. Соколов и др.; под ред. Н.В. Терпугова. М.: Высш. школа, 1982. 190 с.

7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гатман, Т.И. Давыдова и др.; Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. 656 с.

8. Курс лекций по дисциплине "Схемотехника аналоговых электронных устройств" /Попов Д.И.

9. Ф.И. Вайсбурд, Г.А. Панаев, Б.Н. Савельев "Электронные Приборы и Усилители" Б.Н. Савельев.

Размещено на Allbest.ru