Усилитель звуковых частот

Содержание:

1.Введение.

2.Анализ исходных данных.

3. Общая теория и сведения.

4. Расчет схемы.

5. Список литературы.

1. Введение

Большинство усилителей состоит из нескольких ступеней (каскадов), осуществляющих последовательное усиление. Число устанавливаемых каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления элементов, составляющих каскад.

Каскадную схему можно представить в виде функционально-отличных каскадов: каскады предварительного и промежуточного усиления и выходного каскада.

Предварительный усилитель обеспечивает связь между источником сигнала и усилительным устройством. Важнейшее требование, предъявляемое предварительному усилителю, является минимальное ослабление входного сигнала. Поэтому, предварительный каскад должен иметь большое входное сопротивление, существенно большее сопротивления источника сигнала. В этом случае, изменение входного напряжения усилителя будет стремиться к изменению э.д.с. источника в его входной цепи.

В качестве входного источника обычно случит микрофон, звукосниматель и т.д. Большинство из источников развивают очень малое напряжение, подавать которое на усилительный каскад не имеет смысла, т.к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные усиления мощности на выходе. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, помимо выходного каскада, также входят каскады предварительного усиления.

Основная задача промежуточного усилителя – согласование выхода предварительного усилителя со входом выходного каскада.

Выходной каскад предназначен для получения на выходе усилителя мощности, обеспечивающей работоспособность нагрузочного устройства. Поэтому, для выходного каскада основным требованием является КПД.

Транзисторные усилители мощности разделяют на одно- и двухтактные. Однотактные используют для работы с нагрузочными устройствами, мощность которых составляет единицы ватт. Для более высоких мощностей применяют двухтактные усилители мощности.

Схемы усилительных каскадов могут быть выполнены в разнообразных вариантах. Они могут отличаться числом и режимом работы усилительных элементов. Возможны несколько принципиально различных режимов работы усилителя, называемых классами усиления:

1)                класс А. Ток в выходной цепи протекает в течение всего периода изменения напряжения входного  сигнала, точка покоя находится в средней части нагрузочной характеристики. Режим характеризуется низким значением КПД и коэффициента нелинейных искажений;

2)                класс B. Ток в выходной цепи протекает в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, точка покоя находится практически в режиме отсечки транзистора. Этот класс является предпочтительным для усилителей средних и больших мощностей. КПД каскада усиления класса В может достигать 70%, но он также обладает наиболее высоким коэффициентом нелинейных искажений;

3)                класс АВ. Ток в выходной цепи протекает в отрезке времени, большем, чем половина длительности периода изменения входного сигнала, точка покоя находится ниже средней точки нагрузочной характеристики. Этот класс является наиболее распространенным за счет получения высокого КПД при относительно низких нелинейных искажениях;

класс С. Ток в выходной цепи протекает на интервале, меньшем, чем половина периода длительности изменения входного сигнала. Этот класс

4)                распространен в импульсных усилителях, но по параметрам близок к классу В;

5)    класс D. Выходной транзистор этого класса может находиться только в двух состояниях: «включено» или «выключено» (режим насыщения или отсечки). КПД такого класса близок к единице, наиболее распространен в транзисторных ключах, цифровых схемах.

Данная курсовая работа содержит расчёт усилителя мощности звуковых частот по заданным параметрам, структурную и принципиальную схемы усилителя.

2. Анализ исходных данных

Необходимо произвести расчёт усилителя звуковых частот. Исходными для работы являются следующие данные:

1.      Выходная мощность Рн=25 Вт;

2.      Сопротивление нагрузки Rн=4 Ом;

3.      Коэффициент гармоник Кг5%;

4.      Полоса усиливаемых частот: Fн=20 Гц, Fв=20 кГц;

5.      Номинальное входное напряжение U=0,7 В;

6.      Температурный диапазон 0-40оС.

Данный УМЗЧ должен обеспечивать номинальную выходную мощность на нагрузке 4 Ом Рн=25 Вт.

Коэффициент гармоник оценивает величину нелинейных искажений, которые появляются в выходном сигнале из-за нелинейности характеристик активных элементов. В данном УЗЧ коэффициент гармоник не должен превышать 5%.

Такой параметр как диапазон рабочих частот говорит о том, что спроектированный усилитель должен будет усиливать сигнал как минимум в этих границах (Fн и Fв).

Как уже говорилось ранее, усилительное устройство – это устройство, предназначенное для повышения мощности выходного сигнала. На вход этого усилителя поступает сигнал с напряжением U=0,7 В, что является очень малой величиной.

Входной каскад усилителя собран на операционном усилителе. Предоконечный и оконечный каскады – по двухтактной схеме на эммитерном повторителе с непосредственной нагрузкой по току. Основное усиление по напряжению обеспечивает операционный усилитель. Предоконечный и оконечный каскады обеспечивают необходимое усиление по току.

Входной сигнал поступает на базу ОУ через разделительный конденсатор С1.

Генератор стабильного тока на VD1- VD4, VT1 и R4; и на VD5-VD8, VT2 и R5, создает начальное смещение выходного каскада и обеспечивает температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов. Диоды VD9, VD10 и VD11, VD12 защищают выходные транзисторы, шунтируя в случае перегрузки, переходы транзисторов. Элементы СЗ, R9 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах. Резисторы R6 и R7 служат для стабилизации рабочей точки предоконечного каскада. При малых выходных сигналах ток протекает через резистор R8 непосредственно в нагрузку. Как только падение напряжения на R8 достигает Uопр открываются выходные транзисторы.

Все составляющие элементы схемы необходимо будет выбирать в соответствии с температурным диапазоном, для того, чтобы при работе в среде с высокой температурой усилитель не вышел из строя.

Схема усилителя изображена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1

3. Общая теория и сведения.

Примерная структурная схема усилителя мощности звуковой частоты:

ОС – Операционный усилитель;

СМ – Цепь создания начального смещения;

ЭП – Эммитерные повторители;

ООС – Отрицательная обратная связь;

ЭС – Элемент связи.

Входной сигнал подается на операционный усилитель (ОС) и затем через цепь создания начального смещения (СМ) на выходные эмиттерные повторители. Параметры элементов цепи смещения обычно термозависимы, т.е. сама цепь является частью схемы термокомпенсации тока покоя выходного каскада. Далее сигнал через элемент связи (ЭС) в виде переходного конденсатора (если используется один источник питания) или непосредственно (если используются два источника питания) подается на звукопроизводящее устройство.

УМЗЧ – это усилитель, в котором обычно используются непосредственные связи между каскадами и нагрузкой, а в некоторых случаях используется и емкостная связь с нагрузкой. Для обеспечения высокой стабильности работы выходного каскада и улучшения качественных показателей усилителя он весь охватывается цепью отрицательной обратной связи (ООС). По этой причине для обеспечения устойчивости усилителя число каскадов обычно не превышает двух-трех.

В реальном усилителе могут включаться различные цепи коррекции. Для ознакомления с такими схемотехническими решениями необходимо проработать приведенную литературу.

Промышленностью освоен выпуск УМЗЧ на мощности до 20-50 Вт в виде интегральных схем, на дискретных элементах, а также в виде смешанных конструкций. Наиболее высококачественные усилители выполняются на дискретных элементах, поскольку в таком варианте легче удается подобрать выходные транзисторы с близкими параметрами, обеспечить оптимальный режим работы каскадов и использовать транзисторы с заметно большей граничной частотой , чем транзисторы интегральных схем. Это, в свою очередь, позволяет применять и более глубокую ООС.

4. Расчет схемы.

1)                 Расчет номинального выходного напряжения и тока.

По заданным мощности в нагрузке Рн  и сопротивлению нагрузки Rн и определяются амплитуды напряжения и тока:

В

А

2)                 Расчет источника питания:

В

Выходной каскад содержит два эммитерных повторителя, поэтому все усиления по напряжению осуществляет операционный усилитель DA1. При В напряжение на выходе DA1 будет примерно 14,5 В.

Выходное максимальное напряжение на выходе DA1 может быть , отсюда должно быть не менее: . Учитывая ещё падение напряжения на диодах VD1-VD8 выбираем питание равным:

В.

Возьмем

3)     Расчет выходного каскада:

Выходные транзисторы выбираются из условий:

.

Под эти условия подходят транзисторы: Т5-КТ818Г, Т6-КТ819Г, для них:

А; В;

Выходной каскад усилителя работает в режиме «В». При малых выходных сигналах ток протекает через резистор R8 непосредственно в нагрузку. Как только падение напряжения на R8 достигает Uопр открываются выходные транзисторы.

Ток предоконечного каскада ограничивается на уровне:

В – для кремниевых транзисторов.

мА

, тогда возьмем

4)                 Расчет предоконечного каскада:

Резисторы R6 и R7 служат для стабилизации рабочей точки предоконечного каскада и подбираются из условия падения на них мощности не более 5-10%.

Транзисторы VT3 и VT4 выбираются из условий: .

Под эти условия подходят транзисторы VT3-КТ815Г; VT4-КТ814Г; для них:

5)     Расчет источника смещения:

Ток покоя предоконечного каскада:

Ток смещения равен:

Диоды выбираются из условия:

Под эти условия подходят диоды КД521А, для них

6)     Расчет Г.С.Т.

Ток смещения создается генератором стабильного тока на VD1-VD4, VT1 и R4; и на VD5-VD8, VT2 и  R5.

R4=R5=130 Ом.

Транзисторы VT1 и VT2 выбираются из условий:

.

Под эти условия подходят транзисторы: VT1-КТ3107А; VT2-КТ3102А для них:

Входные и выходные характеристики для транзистора VT2-КТ3102А представлены на рисунке 1.2

Рисунок 1.2

7)     Выбор О.У.

Операционный усилитель выбираем из условия:

Подходит О.У. : NE5534, для него:

8)     Выбор диодов VD1-VD8 и R1:

Диоды выбираются из условия:

Подходят диоды КД521А-IПР=50мА.

Резистор R1 определяет входное сопротивление усилителя:

при

Возьмем R1=47 кОм.

9)     Расчет О.О.С.:

R3 желательно взять равным R1 для лучшей стабилизации предоконечных каскадов.

R3=R1=47 кОм.

С1 и С2 определяют нижнюю граничную частоту усилителя:

Возьмем С2 из стандартного ряда – 4,7 мкФ.

5. Список литературы

1.      Баскаков С.И. «Радиотехнические цепи и сигналы». – М., 1988.

2.      Войшвилло Г.В. «Усилительные устройства». – М., 1975.

3.      Воронков Э.Н., Овечкин Ю.А. «Основы проектирования усилительных устройств и импульсных схем на транзисторах». – М., 1967.

4.      Ризкин А.А. «Основы теории и расчёта электронных усилителей». – Л., 1965.

5.      Галкин В.И., Булычёв А.Л., Лямин П.М. «Справочник: Полупроводниковые приборы». – Минск, 1979.