Расчет бестрансформаторных усилителей сигналов звуковых частот

Содержание 
 

    1. Введение…………………………………………………………...…2

2. Исходные данные……………………………………………..…….3

    3. 1. Выбор и обоснование схемы…………………………………...4

4.  2. Электрический расчет элементов схемы…………………….6

2.1. Расчет выходного двухтактного бестрансформаторного каскада на комплементарных транзисторах режиме «В»……6

2.2 Расчет предвыходного  однотактного каскада  в режиме "А"  с резисторной  связью с выходным  каскадом……………………..9

2.3 Расчет элементов  схем смещения  и стабилизации  выходного и предвыходного каскадов………………………….12

2.4 Расчет требуемой глубины общей отрицательной обратной связи УМЗЧ для обеспечения заданного коэффициента гармоник……………………………………………………………13

2.5 Расчет коэффициентов  частотных искажений  с учетом общей  отрицательной обратной  связи УМЗЧ………………….13

2.6 Расчет цепей общей отрицательной обратной связи в двухкаскадном УМЗЧ……………………………………………......15

2.7 Расчет необходимого  усиления и количества  предварительных  каскадов бестрансформаторных усилителей звуковых частот……………………………………………………17

2.8 Расчет схемы предварительного каскада бестрансформаторного усилителя звуковых частот…………..20

2.9 Расчет емкостей переходных конденсаторов С_рвых и С_рвх и блокировочного конденсатора……………………………….…27

Заключение

         Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    В трактах частот модуляции (в последетекторных трактах) современных вещательных и профессиональных радиоприемных устройств, а также в разнообразной аппаратуре записи, воспроизведения и усиления сигналов речи и музыки, находят широкое применение высококачественные бестрансформаторные апериодические усилители сигналов звуковых частот на биполярных и полевых транзисторах, как в дискретном, так и в интегральном (смешанном) исполнении с выходной мощностью от долей ватт до 20...50 Вт.

    Они отличаются высокой стабильностью  режима работы по постоянному току (по питанию), стабильностью коэффициентов усиления и выходного напряжения сигнала, малыми нелинейными и линейными (частотными и фазовыми) искажениями, малыми собственными помехами и большим динамическим диапазоном, а также малыми габаритами, массой и стоимостью. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Исходные  данные по курсовой работе

 

Вариант № 5 
 

Выходная мощность P_~ВЫХ, Вт         5

Сопротивление нагрузки, R_Н, Ом                                             8

Нижняя рабочая  частота, F_Н, Гц         40

Верхняя рабочая  частота, F_В, кГц                                             12

Внутреннее сопротивление  источника сигнала, R_ИСТ, кОм                       2

Коэффициент сброса нагрузки, Н, в разах       1,1

Коэффициент гармоник, К_Г.ДОП, %                                                                         - 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1 Выбор и обоснование схемы

    Бестрансформаторные усилители звуковой частоты отличается от трансформаторных усилителей в основном особенностями построения и расчета выходных и предвыходных каскадов.

    Отличительные особенности выходных и предвыходных каскадов бестрансформаторных усилителей звуковой частоты в значительной мере обусловлены непосредственным включением внешней нагрузки в выходную цепь усилительных элементов выходного каскада этих усилителей.

Непосредственное  включение нагрузки в выходную цепь усилительных элементов позволяет исключить из схемы выходного каскада выходной трансформатор, устранить вносимые им частотные, фазовые и нелинейные искажения, уменьшить габариты, массу и стоимость усилителя и повысить технологичность его изготовления. Но исключение из схемы выходного трансформатора создает трудности в обеспечении оптимального значения сопротивления нагрузки усилительному элементу. Непосредственное подключение нагрузки к усилителю без выходного трансформатора целесообразно лишь в случае, когда заданное значение сопротивления нагрузки усилителя близко к оптимальному сопротивлению нагрузки выходной цепи усилительных элементов. Это условие легко выполняется в усилителях на биполярных транзисторах.

    В настоящее время широко применяются  усилители с выходным двухтактным бестрансформаторным каскадом с последовательным включением транзисторов по постоянному току. Эти каскады чаще всего работают в экономичном режиме "В". Предельный КПД таких каскадов равен 78,5 %, как и у трансформаторных каскадов, но реальный КПД выше, чем у трансформаторных из-за отсутствия трансформатора, который вносит дополнительные потери.

    Широкое применение получили варианты выходных двухтактных бестрансформаторных каскадов, в плечи которых включаются комплементарные транзисторы. Расчет достаточно будет вести только для одного плеча.

    Для того чтобы последовательно вести  расчет всех каскадов и цепей усилителя, необходимо задаться первоначальной схемой усилителя, для расчета всех ее элементов и коррекции при необходимости. Она представлена на рисунке 1. В этой схеме делитель R_б1 и R1 подключается не к источнику, а к транзистору VТЗ. Далее опишем назначение каждого элемента: С_Рвх - не пропускает постоянную составляющую на вход усилителя; С_Э - исключает ООС первого каскада по переменному току (сигналу); С_Рвых - не пропускает постоянную составляющую равную Е_в/2 в нагрузку и питает VТЗ, когда VТ2 -закрывается; R_Э1 - обеспечивает местную ООС первого каскада по постоянному току; R_К1 - для подачи питания на VТ1; R_т и R_ш - обеспечивает смещение на VТ2 и VТЗ, регулируемое при изменении рабочей температуры; VТ1 -предвыходной каскад; VТ2 и VТЗ - выходной двухтактный каскад. 

Рисунок 1. Принципиальная схема усилителя 
 
 
 
 
 
 
 

2  Электрический расчет элементов схемы 
 

2.1.   Расчет выходного двухтактного бестрансформаторного каскада на комплементарных транзисторах режиме «В»

    Расчет  выходного двухтактного бестрансформаторного каскада на комплементарных транзисторах в режиме "В" будем вести для одного плеча, и полученные при этом результаты используем для второго плеча.

    Учитывая  потери в цепях ООС, транзисторы  выходного каскада должны обеспечивать на выходе мощность:

    

    Амплитуда переменного коллекторного напряжения транзистора VТ2 (амплитудное значение напряжения сигнала между коллектором и эмиттером VТ2):

    

    Выбрав  минимальное коллекторное напряжение, отсекающее нелинейную часть выходных характеристик транзистора, = 2В, определим постоянное коллекторное напряжение в точке покоя транзистора VТ2:

    

   Выбираем  напряжение источника питания из стандартных значений так, чтобы:

    

          Используя неравенство , найдем Е_в :

     , тогда Е_в=24 В.

    Теперь  мы можем определить амплитуду переменного  коллекторного тока транзистора VТ2:

      

    Найдем  максимальную мощность рассеяния на коллекторе транзистора VТ2:

    

    Рассчитанных  данных уже достаточно, чтобы выбрать  транзистор, обеспечивающий нормальную работу выходного каскада. Этот транзистор должен иметь себе комплементарную пару, и должен удовлетворять следующим параметрам:

    

Транзистор  VТ2 должен быть проводимостью n-р-n.

Всем этим условиям удовлетворяет транзистор КТ819Б. Он имеет себе комплементарную пару (КТ818Б) для другого плеча. 

    Зададимся током покоя:

    

    Теперь  определим среднее значение тока и мощности, потребляемые от источника питания коллекторными цепями транзисторов при номинальной выходной мощности:

    

    

    Из-за невозможности точного нахождения входных токов по выходным характеристикам, найдем i_бо2, через выходные токи:

    

      

      
 

      
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 2. Входные характеристики транзисторов КТ816Б  и КТ817Б 

    На  этой характеристике отметим токи базы и , нахожу значения напряжения: U_6о2=0,7 В и U_6макс2 =0,9 В. Амплитуда переменного напряжения на входе транзистора VТ2 (между базой и эмиттером) будет:

    

    Зная  переменное  входное напряжение и входной ток транзистора, мы можем теперь найти входное сопротивление транзистора:

    

    Определим амплитуду напряжения возбуждения  для верхнего и нижнего плеч выходного  каскада

      

    Тогда входное сопротивление каждого из плеч выходного каскада будет равно

    

Мощность, требуемая  для возбуждения выходного каскада

    

    Теперь   мы   можем   определить   коэффициенты   усиления   мощности   и напряжения выходного каскада

    

         

    Рассчитанные  значения цепи базы выходных транзисторов будут исходными данными для расчета предвыходного однотактного каскада на транзисторе VТ1 в режиме "А".

    2.2 Расчет предвыходного  однотактного каскада в режиме "А" с резисторной связью с выходным каскадом

    Предвыходной  каскад должен работать в режиме "А" для обеспечения усиления сигнала  с малым коэффициентом гармоник К_г.

    На  коллекторе  предвыходного  каскада  должно  действовать  постоянное напряжение: 

      

      

    Опираясь  на схему усилителя (рис.1), определим  сопротивление резистора Rк1 в коллекторной цепи VT1 

           [ГОСТ ]

    где     -    минимально     допустимое значение тока коллектора ( ).

Теперь найдем постоянный ток коллектора транзистора VT1:

И определим  мощность рассеяния на коллекторе транзистора VТ1

Найдем амплитуду  тока сигнала через R_К1:

    По  законам Кирхгофа, определяем переменную составляющую коллекторного тока транзистора VТ1:

Тогда максимальное значение тока коллектора транзистора VТ1: