Проектирование усилителя мощности звуковой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru

Курсовой проект

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

5. Расчет мощности элементов схемы

Вывод

Литература

транзистор связь мощность

Введение

Усилитель звуковых частот -- прибор для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот (обычно от 16 до 20 000 Гц).

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

Вариант	№	4
Выходная мощность	Вт	5
Сопротивление нагрузки	,Ом	3
Коэффициент гармоник	,%	2,5
Полоса усиливаемых частот	,Гц	80
	,кГц	15
Коэффициент частотных искажений	,(дБ)	3
	,(дБ)	3
Источник сигнала(детектор приемника или микрофон)	(В)	0,4
	(кОм)	70
Напряжение питания	,В	15

3. Расчёт оконечного каскада

Для расчёта был выбран оконечный каскад, построенный на паре комплиментарных транзисторов

Рисунок 1 Схема оконечного каскада УМЗЧ

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

Pmax(0.250.3)Pвых Рmax(1.251.5) (Вт)

По этим параметрам выбираем транзисторы VT2 и VT3 для оконечного каскада - КТ818А и КТ819А соответственно. Они имеют следующие параметры:

Iкmax = 10(A) Uкэmax = 25 (B)

Pкmax = 1.5 (Bт) h21 = 10 - 15

Произведем определение точек для построения нагрузочной прямой по выходной характеристике транзистора КТ818А (КТ819А):

Uкэ= (Еп)/2=15/2=7.5 (B) Iк=Еп /2=15/2=7.5 (A)

Ku=(2*Uкэmax)/(*Eп)=(2*5,477)/ (*0,4)=19,36

Произведем приблизительный подсчет количества каскадов, необходимых для выполнения заданных требований расчета усилителя:

n=lg(Ku)=lg(19,36)=1,2869

Из этого следует, что 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 КТ818А (КТ819А)

По входной характеристике транзистора КТ818А (КТ819А) определяем рабочую область:

Iб0=20 (мA) Uэб0=0,78 (B)

Iбmax= 100 (мA) Uэбmax=0,95 (B)

Imб= 80 (мA) Umб=0,17 (B)



Рисунок 3 Входная характеристика транзистора КТ818А (КТ819А)

Определим глубину ООС:

F=1+g21*Rн

где g21 - усреднённая крутизна характеристики транзистора.

F=1+10,74*3=33,22

Осуществим расчет делителя напряжения для выходного каскада:

Iдел=Iбо

0.02(A)

Следовательно, выбираем ток, равный: Iдел=100 (мA)

Следовательно, выбираем сопротивление резистора R3 из ряда стандартных сопротивлений, равное 68 Ом.

Рассчитаем сопротивление резисторов R5 и R6:

R5+Rн = (Еп-Uкэ0)/Iк0

R5+Rн = (15- 6.8)/1.1 = 7 Ом

R5 = 7 - 3 = 4 Ом

Следовательно, выбираем сопротивление резисторов R5 и R6 из ряда стандартных сопротивлений, равные по 3,9 Ом.

Iдиода= Iдел+Iб0; Iдиода=100+20=120 (мA)

При этих токах падение напряжения на диодах должно составлять: 2*Uэб0=1.56 [B]

Включение двух диодов КД-102Б последовательно обеспечит требуемое падение напряжения.

Вольтамперная характеристика диода КД-102Б изображена на рисунке 4.



Рисунок 4 Вольтамперная характеристика диода КД-102Б

Рассчитаем входное сопротивление с учётом ООС:

;

;

Рассчитаем амплитудные значения на входе:

Построим сквозную характеристику:

Выбираем Rг=100 (Oм)

Данные для построения сквозной характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 Данные для построения сквозной характеристики

Iб, (мA)	Iк, (mA)	Uэб, (B)	Iб* Rг, (B)	Eс= Iб * Rг+Uэб, (B)
16	480	0.764	1,6	2,364
20	720	0.78	2	2,78
27	960	0.80	2,7	3,5
34	1240	0.82	3,4	4,22
40	1520	0.834	4	4,834

Полученная сквозная характеристика отображена на рисунке 5.



Рисунок 5 Сквозная характеристика

По сквозной характеристике определяем:

Im1==520

Im2==20

Im3==0

Im4==-6.67

Определим коэффициент гармоник без учета ОС:

Кг0==4,05

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 КТ3117А. Его параметры:

h21э=20..200

Pkmax=0.3Вт

Ikmax=400mA

Uкэmax=60B

Выходная характеристика транзистора КТ3117А представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 Выходная характеристика транзистора КТ3117А

Рассчитаем номиналы элементов ООС:



Рисунок 7 Цепь отрицательной обратной связи

Iвх=Uc/Rc=0.4/(70*10)=0,57*10;

R4==17,54 кОм;

Ku=19,36;

R2= Ом;

С2==2,156мкФ

Рассчитаем конденсатор С1 :

С1=

С3=663,48 мкФ

Глубина обратной связи:

F=

Определим коэффициент гармоник с учетом ОС:

Кг=Кг0/F=4,05/5=0,81

что не превышает 2.5%, которые заданы изначально.

Сопротивление резистора R1 целесообразно выбирать равным сопротивлению R4, чтобы одинаковые входные токи, протекающие через них, вызывали одинаковые падения напряжения.

Выберем значения этих номиналов исходя из стандартного ряда :

R4=R1=18 кОм

R2=510 Ом

С2=2,2 мкФ

С1=

С3=680 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 низних частот:

где щВ = 2рfВ - верхняя круговая частота;

фВ = фв + фК - постоянная времени транзисторного каскада;

фК = Ск*Rн, Ск - емкость коллекторного перехода (справочные данные); Rн - сопротивление нагрузки.

щВ = 2*3,14*15000 = 94200 ;

c

фК = 60*10-12*3 = 1,8*10-10 c

фВ = 5,3*10-8 + 1,8*10-10 = 5.318*10-8 c

щН = 2р*fН

щН = 2*3,14*80 = 502,4 ;

Получили окончательный вид схемы:



Рисунок 9 Окончательный вид схемы

5. Расчет мощности элементов схемы

Расчёт мощности резисторов.

R1:

R3:

R5:

R6:

R4:

R2:

Т.к. напряжение питания схемы 15В, то наиболее рациональным решением было бы использование в схеме конденсаторов, рассчитанных на 25В, т.к. в этом случае мы будем иметь некоторый запас надежности.

Вывод

Данная курсовая работа представляет собой полный расчет усилителя мощности звуковой частоты.

В ходе работы осуществлен полный электрический расчет усилителя, а также 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.

Спроектированный усилитель полностью удовлетворяет требованию технического задания.

Литература

1. Гершунский Б.С. “Справочник по расчету электронных схем”- Киев : Вища школа 2010 г.

2. Лавриненко В.Ю. “Справочник по полупроводниковым приборам”- М : “Техника” 2008 г.

3. Новаченко В.М. “Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры”- М. : КубК-а 2010 г.

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

5. Войшвило Г.В. “Усилительные устройства”- Москва : издательство Радио и Связь 2009 г.

Размещено на Allbest.ru