Проектування підсилювача гучного зв'язку

Зміст

 

Вступ...................................................................................................................3

1. Вибір, обгрунтування та попередній розрахунок структурної схеми        підсилювача.......................................................................................................4

• Повний електричний розрахунок підсилювача..............................................8

• Вибір схеми підсилювача потужності...................................................8
• Вибір ланцюга термостабілізації...........................................................9
• Розрахунок кінцевого каскаду.............................................................10
• Розрахунок перед кінцевого каскаду..................................................13
• Розрахунок вхідного каскаду...............................................................16

3. Розрахунок мостового регулятора тембру.....................................................20

4. Розрахунок регулювання гучності..................................................................24

Висновок...........................................................................................................25

Список використовуваної літератури............................................................26

Додаток……………………………………………………………………….27 
Вступ

 

Підсилювач сигналів звукової частоти виконує функцію  посилення і корекції сигналів звукового  діапазону частот. Як джерело такого сигналу може виступати телевізійний приймач, радіоприймач, магнітофон, програвач компакт-диск дисків або грамплатівок, звукова карта персонального комп'ютера.

ПСЗЧ повинен володіти по можливості лінійною амплітудною характеристикою, щоб у вихідному сигналі по можливості були відсутні побічні продукти. Лінійність амплітудної характеристики оцінюється допустимим коефіцієнтом гармонік kГ. Чим менше коефіцієнт гармонік, тим більше лінійна амплітудна характеристика. При суб'єктивній оцінці якості звучання допустимим рівнем коефіцієнта гармонік можна рахувати рівень kГ=1%, оскільки  менше значення коефіцієнта гармонік на слух мало помітно.

Важливим параметром ПСЗЧ є діапазон робочих частот. Оскільки діапазон частот, що розрізняються людським вухом, займає смугу від 20 Гц до 20 кГц, то робити діапазон частот ПСЗЧ ширше 20 Гц ...20 кГц особливого сенсу не має. Звуження діапазону частот ПСЗЧ приводить до погіршення якості звучання фонограми. Для досягнення прийнятної якості звучання необхідно, що ПСЗЧ видавав достатню потужність. Рівень шуму в квартирі в денний час доби складає близько 30 дБ. Практичний досвід показує, що вихідна потужність підсилювача для якісного звучання повинен складати 4.5 Вт.

Будь-який підсилювач володіє певним коефіцієнтом шуму. Коефіцієнт шуму підсилювача визначає його реальну чутливість. Чим менше коефіцієнт шуму, тим вище чутливість (тим менше напругу треба подати на вхід, щоб отримати номінальну вихідну потужність).

 

 

1. Вибір, убгрунтування  та попередній розрахунок структурної  схеми підсилювача

 

Посиленням є процес перетворення енергії від деякого  її джерела в результаті дії на нього сигналу. Посиленням є процес збільшення потужності джерела сигналу. Пристрій, що володіє здатністю збільшувати (підсилювати) потужність джерела сигналу, називається підсилювачем (рис. 1.1). Таким чином, невід'ємною властивістю підсилювача є його здатність збільшувати потужність сигналу, отримуючи P2>P1. Елементи, що володіють здатністю підсилювати, називаються підсилювальними елементами (ПЕ).

 

Простий підсилювач містить один ПЕ. При необхідності отримання великого посилення використовується підсилювач, що складається з декількох ПЕ, що сполучаються так, що сигнал, посилений одним елементом, підводиться до наступного і так далі, і елементів зв'язку (ЕЗ). Один ПЕ з приєднаними до нього ЕЗ утворюють каскад посилення – мінімальну частину підсилювача, що зберігає його функцію. У загальному випадку підсилювач містить декілька каскадів посилення, утворюючи багатокаскадний пристрій. Вхідний і декілька подальших каскадів складають групу каскадів попереднього посилення.

Їх призначення – посилення  вхідного сигналу до такого значення, при якому забезпечується збудження  вихідного каскаду.

Розрахуємо число каскадів, що необхідні для підсилювача:

1. Визначуваний номінальний крізний коефіцієнт передачі:

  (1.1)

2) Задаємося необхідним запасом посилення для забезпечення заданих характеристик підсилювача:

а) на встановлення НЗЗ запас чисельно дорівнює глибині зворотного зв'язку F, що забезпечує зниження нелінійних спотворень кінцевого підсилювача до встановленої межі:

,  (1.2)

де  = 15...20 % - коефіцієнт гармонік кінцевого двотактного каскаду без НЗЗ;

б) запас на регулювання  тембру визначається коефіцієнтом корекції частотної характеристики:

;  (1.3)

в) технологічний запас, що враховує розкид параметрів компонентів:

.

3. Необхідний крізний коефіцієнт посилення:

.  (1.4)

4. Визначаємо число каскадів посилення по напрузі:

,  (1.5)

де = 30...40 – усереднений коефіцієнт посилення по напрузі для одного каскаду.

5. Визначаємо необхідність заходів для узгодження ланцюгів передачі сигналу в підсилювальному тракті.

Для зменшення втрат в ланцюзі джерела сигналу вхідний опір підсилювача повинен задовольняти умові:

.  (1.6)

Вхідний опір підсилювача  залежить від схеми включення, режиму роботи і параметрів транзисторів. Типові значення   каскадів попереднього посилення на біполярних транзисторах складають:

• при включенні ЗЕ  ,
• при включенні ЗК  .

Для каскадів, зібраних на польових транзисторах з p-n-переходом, що управляє:

• при включенні ЗВ  ,
• при включенні ЗС  .

Як видно з набутих значень вхідного опору, в каскаді попереднього посилення має бути застосований біполярний транзистор по схемі загальний колектор (ЗК).

6. Визначаємо місця включення регулювань:

Оскільки для схеми  з ЗЕ не виконується умова (1.6), то на вході підсилювача бажано включити додатковий узгоджуючий каскад (УК), що погоджує, по схемі ЗК (емітерний повторювач). Оскільки повторювач не підсилює по напрузі, то даний каскад не входить до числа каскадів, розрахованого по формулі (1.5).

Регулятор посилення (РП), як правило, ставиться на вході підсилювача. Проте в нашому випадку (ε_i = 3 мВ) для зниження шумів і перешкод, що вносяться регулятором, його ставлять після першого каскаду посилення напруги. Пасивний регулятор тембру (РТ) чутливий до зміни опору зовнішніх ланцюгів, тому від регулятора посилення його необхідно відокремлювати як мінімум одним каскадом. Отримана схема виглядає таким чином:

 

 

На рис. 1.2 прийняті наступні позначення:

 

УК – узгоджуючий каскад ;

КПП1, КПП2 – каскади попереднього посилення;

РП – регулятор посилення;

РТ – регулятор тембру;

ВК – вхідний каскад підсилювача потужності;

ПКК – передкінцевий каскад;

КК – кінцевий каскад;

НЗЗ – ланцюг зворотного зв'язку ;

БЖ – блок живлення;

ФЖ – фільтр живлення.

 

2. Повний електричний розрахунок підсилювача

 

2.1 Вибір схеми підсилювача потужності

 

Схема підсилювача для стаціонарної апаратури 1-ої і вищої груп складності представлена на мал. 2.1. У такій апаратурі допустиме використання двуполярного живлення. Це дає можливість підключити навантаження безпосередньо до виходу кінцевого каскаду, і, що особливо важливе, забезпечити нульову постійну напругу на навантаженні. На транзисторах VT1 і VT2 зібраний так званий диференціальний каскад (ДК). У нього два входи: лівий по схемі – що інвертує, правий – що не інвертує. Резистором R3 встановлюється струм спокою.

R₂ – навантаження VT1 по постійному струму.

R₁ забезпечує прив'язку бази VT1 до нульового потенціалу.

С₂ – паралельна по напрузі частотно-залежна НЗЗ, службовка для забезпечення стійкості схеми.

R_t – умовне позначення ланцюга, що створює початковий зсув на базах VT4 і VT5 і забезпечує термостабілізацію.

R₆, R₇ – колекторне навантаження транзистора VT3 по постійному струму, причому R₆+R₇>>R_t.

C₃ – стежучий зворотній зв’язок по ланцюгу живлення транзистора, або схема вольтдобавки  - усраняет протікання змінного струму по ланцюгу R₆>R₇>земля і відповідно збільшує коефіцієнт посилення каскаду на транзисторі VT2.

R₉=R₁₀=(0.05...0.1) R_н – місцевий зворотній зв’язок, вирівнює параметри пари транзисторів кінцевого каскаду. R₉=R₁₀=0.075•4=0.3 (Ом)

Ця схема має ряд важливих переваг:

1) висока температурна стабільність, що забезпечує підтримку нульового потенціалу в точці «0» (на опорі R_н) з високою точністю; ця гідність визначається унікальними властивостями диференціального каскаду;

2) у схемі можна отримати більше посилення в петлі НЗЗ, оскільки в ДК відсутній місцевий НЗЗ.

 

 

2. Вибір ланцюга термостабілізації

 

Схема на транзисторі (рис. 2.2) застосовується в ношеній і бортовій апаратурі.

 

      

Діапазон робочих температур -20.+50°С. Напруга зсуву визначається виразом:

(В),  (2.1)

де U_обэ – постійна напруга на переході емітер-база транзистора VT. Струм через дільника R_бт – Rп вибирається згідно наступному співвідношенню:

(мА).  (2.2)

Транзистор VT кріпиться на радіаторі кінцевого каскаду.

 

• Розрахунок кінцевого каскаду

 

 

1. Визначаємо амплітуду  напруги і струму на навантаженні:

 ;  (2.3)

;  (2.4)

2. Визначаємо напругу джерела живлення:

,   (2.5)

де  =1…3 (В) – залишкова напруга на повністю відкритому транзисторі вихідного каскаду при P=1…10 (Вт). Але завжди  >0.4…0.7 (В). E₀ повинне мати запас 10…15%, тобто

;  (2.6)

E₀ вибираємо із стандартного ряду Е12, рівне 33 В.

Визначимо максимальну потужність звичайного двотактного каскаду:

(Вт)  (2.7)

3. Визначаємо максимальну потужність, що розсіюється на колекторах вихідних транзисторів:

.  (2.8)

4. Визначуваний бажаний коефіцієнт посилення по струму h₂₁ для вихідних транзисторів:

,  (2.9)

де P_П =10…20 мВт – вихідна потужність передкінцевого каскаду, що працює в режимі А. У нашому випадку приймемо P_П =20 мВт.

5. Вибираємо транзистори кінцевого каскаду (VT4, VT5 див. рис. 2.1) по наступних параметрах:

(Вт);  (2.10)

(А);  (2.11)

(В);   (2.12)

;     (2.13)

(кГц);  (2.14)

Вибрані транзистори: VT4 – КТ972Б і VT5 – КТ973Б.

6. Для завершення розрахунку  кінцевого каскаду необхідно перевірити чи зможуть вихідні транзистори нормально працювати без додаткового тепловідводу.

Максимально допустима потужність розсіювання на колекторі Pк _доп при заданій температурі навколишнього середовища t_{c max} і відсутності радіатора визначається виразом:

,   (2.15)

де t_{п max} – максимальна температура переходу колектор-база, t_{c max} – максимальна температура навколишнього середовища, R_{t пс} – тепловий опір проміжку перехід-середовище. Зазвичай t_{п max} вибирається на 5-10% нижче за максимальну температуру, вказану в довіднику для матеріалу, з якого виготовлений транзистор. Тепловий опір радіатора і площа його поверхні знаходяться за допомогою виразів:

(C/Вт);  (2.16)

(см2), (2.17)

де R_{t кс} – тепловий опір проміжку корпус транзистора-окружающая середовище (радіатора), R_{t пк} – тепловий опір проміжку колекторний перехід-корпус транзистора (довідкова величина).