Расчёт усилителя мощности звуковых частот

  Министерство образования   Республики Беларусь 

 

 

Учреждение образования  «Полоцкий государственный университет»

 

 

 

 

 

Кафедра радиоэлектроники

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

По курсу:

“Аналоговые электронные устройства”

 

на тему:

“Расчёт усилителя мощности звуковых частот”

 

Вариант 5

 

 

 

Разработал:         Нелин А.В.

  Группа 05-РТ

 

 

Проверил:         Капралов М.Е.

 

 

 

 

 

Новополоцк

2007 г.

1 Введение

 

Управление энергией в современной технике, как правило, характеризуется тем, что управляемая  мощность значительно превышает мощность, требующуюся для управления. К частному виду управления энергией относится усиление. Отличительными особенностями усиления являются, с одной стороны, превышение управляемой мощности над управляющей и, с другой – плавность процесса управления. Устройство, предназначенное для этой цели, называется усилительным устройством или просто усилителем. Другими словами, усилительное устройство – это устройство, предназначенное для повышения мощности выходного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов (транзисторов, электронных ламп, туннельных диодов).

По диапазону рабочих  частот усилительные устройства подразделяются на:

- усилители постоянного  тока;

- усилители переменного  тока;

Последние, в свою очередь, подразделяются на:

- усилители звуковых частот (УЗЧ) (20 Гц – 20 кГц);

- усилители высоких  частот (20 кГц – 300 МГц);

- усилители СВЧ (свыше  300 МГц);

УЗЧ должны по возможности  равномерно усиливать все частоты  звукового диапазона. Их нагрузка не должна обладать заметными резонансными свойствами. В этих усилителях важно то, чтобы выходной каскад мог обеспечить необходимую на выходе мощность.

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=10 Вт;
2. Сопротивление нагрузки Rн=3 Ом;
3. Коэффициент гармоник Кг 5%;
4. Полоса усиливаемых частот: Fн=80 Гц, Fв=15 кГц;
5. Коэффициент частотных искажений Мн=Мв=6 дБ;
6. Данные об источнике сигнала: Ес=0,4 В, Rc=50 кОм;
7. Напряжение питания Uпит=15+15 В
8. Температурный диапазон 0-40^оС.

Данный УМЗЧ должен обеспечивать номинальную выходную мощность на нагрузке 3 Ом Рн=10 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). Коэффициент частотных при этом как на нижних частотах усиления, так и на верхних не должен превысить 6 дБ.

Как уже говорилось ранее, усилительное устройство – это устройство, предназначенное для повышения  мощности выходного сигнала. На вход этого усилителя поступает сигнал с напряжением Ес=0,4 В, что является очень малой величиной.

Данное напряжение питания Uпит=15+15 В говорит о том, что схему должен будет питать двухполярный источник напряжения.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Составление  схем усилителя

3.1 Составление структурной схемы усилителя

 

Усилитель звуковых частот должен обеспечивать достаточно большой  уровень сигнала на выходе. А, исходя из того, что с источника сигнал подаётся очень маленькое напряжение, то в данном случае обеспечить требуемые параметры усилителя можно путём соединения нескольких каскадов. Приблизительная структурная схема

проектируемого УМЗЧ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема УМЗЧ

 

ВхК - входной каскад

КПУ - каскад предварительного усиления

ВыхК - выходной каскад

 

Входной каскад ставится на входе усилителя для увеличения входного сопротивления усилителя.

Выходной каскад ставится на выходе усилителя и обеспечивает усиление мощности полезного сигнала в нагрузку.

Каскад предварительного усиления обеспечивает требуемый уровень сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Разработка принципиальной  схемы усилителя

 

В качестве входного каскада  целесообразнее всего поставить дифференциальный каскад. Этот выбор сделан по ряду причин:

1. Дифференциальный каскад обеспечивает повышенную температурную стабильность предварительного усиления;

2.    У дифференциального каскада сравнительно большое входное сопротивление.

Второе свойство является особенно важным, так как большое входное сопротивление необходимо для согласования схемы усилителя с источником сигнала (сопротивление источника сигнала 50 кОм). Общий вид дифференциального каскада представлен на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Схема дифференциального  каскада

 

Схемная реализация каскада  предварительного усиления представлена на рис 3. Это схема усилителя на биполярном транзисторе включенном по схеме с общим эмиттером. Эта схема была выбрана в качестве предварительного каскада потому, что у нее сравнительно большие коэффициенты усиления по напряжению и по току, а также большое входное сопротивление. Недостаток этой схемы – сдвиг фаз между входным и выходным сигналом равен 180°.

Рисунок 3 – Каскад предварительного усиления

Недостаток предварительного каскада  устраняется использованием в выходном каскаде комплиментарной пары транзисторов. Такой выходной каскад представлен  на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема двухтактного оконечного каскада

 

Примерный вид схемы  проектируемого усилительного устройства изображён на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема электрическая  принципиальная усилителя мощности звуковых частот

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчёт усилителя мощности  звуковых частот

4.1 Расчёт оконечного каскада

 

Расчёт усилителя подразумевает  подбор элементной базы и параметров элементов таким образом, чтобы  они могли обеспечить требуемую  мощность на заданную нагрузку. Расчёт необходимо начинать с оконечного каскада. В качестве выходного каскада для проектируемого УМЗЧ был выбран бестрансформаторный двухтактный каскад.

По полученным данным можно рассчитать следующие параметры:

1. Максимальное напряжение в нагрузке В;
2. Максимальный ток, протекающий через нагрузку А;

Зная максимальный ток в нагрузке и напряжение питания (Епит=15 В) можно определить допустимые параметры для биполярных транзисторов выходного каскада:

, - ток коллектора покоя

По справочной литературе подбираются следующие транзисторы:

VT6 – КТ819Б, VT7 – КТ818Б

Их предельно допустимые параметры:

Входная и выходная характеристики транзистора КТ819Б представлены на рисунках 6 и 7 соответственно.

Рисунок 6 – Входная характеристика транзистора КТ819Б

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Выходная характеристика транзистора КТ819Б

 

По заданию на нагрузке требуется мощность 10 Вт. Так как выходной каскад представлен двухтактным усилителем, то один транзистор (так как пара КТ818Б и КТ819Б является комплиментарной) должен выдавать в нагрузку (с учётом влияние ООС) мощность, примерно, 5,5 Вт.

По рисунку 7 Uкэm и Iкэm подбираются таким образом, чтобы была равна пяти с половиной ваттам (половина произведения берётся из-за того, что мощность рассчитывается как произведение действующих значений тока и напряжения, которые в раз меньше амплитудных). Пускай транзистор VT6 работает в режиме АВ. Тогда по рисунку 7:

Напряжение определяется по входной характеристике транзистора (рисунок 6):

По рисунку 6 определяется амплитудное значение напряжения и тока на базе транзистора VT6:

Резистор R11 для верхнего плеча оконечного каскада соединён последовательно с резистором Rн. Резисторы R11 и R12 полезны в том смысле, что улучшают стабильность режима, способствуют снижению частотных искажений и несколько выравнивают параметры плеч двухтактного каскада, что приводит к уменьшению нелинейных искажений, обусловленных асимметрией плеч. То есть транзистор VT6 работает на нагрузку . Тогда сопротивление можно определить из следующего соотношения:

 

 

Входное сопротивление транзистора VT6 (VT6 включён по схеме с общим коллектором) определяется по формуле:

,

где h11 - входное сопротивление транзистора (определяется по входной характеристике),

      h21 – коэффициент передачи по току (определяется по выходной характеристике).

По рисункам 6 и 7 определяются соответственно:

 

Зная эти параметры можно  найти входное сопротивление  каскада:

 

 

Следующие два транзистора, VT4 и VT5, должны обеспечивать базы транзисторов VT6 и VT7 токами по 52 мА. Такие токи могут дать следующие транзисторы:

VT4 – КТ815А, VT5 – КТ814А

Их предельно допустимые параметры:

 

Входная и выходная характеристики транзистора КТ815А представлены на рисунках 8 и 9 соответственно.

Рисунок 8 – Входная характеристика для транзистора КТ815А

 

 

 

 

 

Рисунок 9 – Выходные характеристики для транзистора КТ815А

 

Напряжение  и ток необходимо подобрать таким образом, чтобы на последующем каскаде (который для верхнего плеча состоит из входного сопротивления транзистора VT6 и сопротивления R9) рассеивалась оптимальная мощность.

 

Путём подбора по рисунку 9 были выбраны следующие значения:

Резисторы R9 и R10 выполняют такую же функцию, как и резисторы R11 и R12 для каскада с транзисторами VT6 и VT7.

Ток на резисторе R10 определяется из условия

Отсюда следует:

 

 

Нагрузкой для транзистора VT4 служит параллельное соединение .

Зная ток, протекающий в этой нагрузке ( ; это амплитудное значение), можно найти мощность, рассеиваемую в :

(здесь производится деление  на 2 из-за того, что для нахождения  мощности необходимо знать действующее  значение тока, которое в  раз меньше амплитудного).

По определённым по рисунку 9 параметрам можно определить мощность, выдаваемую транзистором в последующий каскад:

Запас мощности взят с  учётом ООС.

По рисунку 9 определяется амплитудное  значение тока базы транзистора VT4:

 

 

Так же по рисунку 9 определяется коэффициент передачи VT4 по току:

По рисунку 8 – входное  сопротивление транзистора VT4:

Зная эти параметры можно  определить входного сопротивление  каскада на транзисторе VT4:

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Расчёт предоконечного  каскада

 

Из расчёта каскада  на транзисторах VT4 и VT5 видно, что транзистор VT3 должен обеспечивать оба транзистора токами базы по 3 мА. В приближении это означает, что максимальный ток коллектора транзистора VT3 должен быть больше 3 мА.

Такой ток может обеспечить следующий n-p-n транзистор:

VT3 – КТ315В

Его предельно допустимые параметры:

Выходные ВАХ этого  транзистора представлены на рисунке 10.

 

 

Рисунок 10 – Выходные характеристики транзистора КТ315В

 

Одним из параметров, который  также послужил причиной выбора данного  транзистора, является максимальная мощность коллектора Pkmax. У КТ315В этот параметр равен

  . В рассчитываемом УМЗЧ этот транзистор не будет нуждаться в охлаждающем устройстве.

Зная ток на базах  транзисторов VT4 и VT5 и подбирая ток коллектора от VT3, находятся токи на резисторах R7 и R6:

, где  принимается равным  току .

Падения напряжений на резисторах R6 и R7 находятся из следующего условия:

Здесь U8 – это падение напряжения на резисторе R8, (так как ).

 

Резистор  R8 по постоянному току вместе с входным сопротивлением транзистора VT3 ( ) определяют входное сопротивление предоконечного каскада. Для того чтобы это сопротивление было сравнительно большим необходимо сопротивление резистора R8 взять порядка кОм. Пускай R8=960 Ом, тогда входное сопротивление предоконечного каскада равно: