Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснительная записка к курсовому проекту

Усилитель мощности звуковой частоты

Выполнила

студент гр. Р-20

Гетманскиий А.Н.

Таганрог 2002

Техническое задание

Входной каскад: резистивный дифференциальный;

Предоконечный каскад: дифференциальный с активной нагрузкой;

Оконечный каскад: эмиттерный повторитель на составных квазикомплементарных транзисторах.

Технические параметры

- эффективный диапазон частот, ограниченный усилением, Гц, не менее 20 - 20000

неравномерность ЧХ усиления, относительно уровня сигнала на частоте 1000 Гц, дБ, не более ±0,6

номинальная ЭДС источника сигнала, В 0,1

номинальное сопротивление источника сигнала, кОм 0,55

входное сопротивление, кОм, не менее 8

номинальная выходная мощность, Вт 30

максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку, Вт 12

номинальное сопротивление нагрузки, Ом 8

максимальная температура окружающей среды, °С 60

Введение

В настоящее время широкое распространение получили системы высококачественного воспроизведения звука. Любители музыки хотели бы, чтобы такие системы имели большую мощность звука при едва заметных искажениях сигнала.

Один из ответственных узлов звуковоспроизводящей аппаратуры -- усилитель мощности. Он является последним звеном звукового тракта системы воспроизведения звука в качестве нагрузки имеет акустическую систему. Усилитель мощности должен обеспечивать требуемую мощность сигнала, подводимую к акустической системе, при наименьших искажениях. При этом желательно, чтобы усилитель работал стабильно в достаточно широком диапазоне температур, был экономичным и надежным.

Усилитель мощности звуковой частоты может быть выполнен по трансформаторной и бестрансформаторной схемам. Очевидны недостатки трансформаторной схемы: большой уровень нелинейных искажений сигнала, низкие энергетические показатели, громоздкость и дороговизна конструкции. К недостаткам бестрансформаторного усилителя следует отнести необходимость термостабилизации транзисторов оконечного каскада. К достоинствам же бестрансформаторной схемы следует отнести относительно высокий КПД, широкую полосу пропускания, конструктивную простоту. Очевидна перспективность бестрансформаторных усилителей ещё и потому, что они могут выполняться в виде микросхем.

Анализ технического задания

Виды каскадов усилителя определены в техническом задании. По этим данным выберем схему усилителя. Она приведена на рис.1.

Рис.1. Схема усилителя

Входной дифференциальный каскад дает большую развязку по постоянному току между входом усилителя и выходом цепи обратной связи. Для повышения входного сопротивления усилителя в эмиттерные цепи транзисторов входного каскада включен резистор R3.

В предоконечных дифференциальных каскадах бестрансформаторного усилителя для повышения стабильности работы как по постоянному так и по переменному току в качестве источника тока используется так называемый отражатель тока или “токовое зеркало”. Такое название оно получило за то, что токи транзисторов VT4 и VT6 равны. Поэтому нестабильность по постоянному и переменному току в цепи оконечных транзисторов слабо сказывается на работе усилителя.

Оконечный каскад -- двухтактный эмиттерный повторитель на составных квазикомплементарных транзисторах. Для этих транзисторов необходима стабилизация тока покоя, вызванная тем, что без принятия специальных мер при возрастании температуры окружающей среды ток покоя может лавинообразно увеличиваться, что приводит к тепловому пробою. Для стабилизации тока покоя транзисторов оконечного каскада параллельно базовым цепям оконечных транзисторов подключают термозависимую цепь из диодов и переменного резистора. На практике считают, что число диодов должно равняться числу переходов в базовых цепях транзисторов оконечного каскада. Переменный резистор используется для подстройки цепи стабилизации.

Для уменьшения уровня нелинейных искажений, получения небольшого выходного сопротивления, увеличения стабильности работы усилитель охвачен петлей отрицательной обратной связи.

В высококачественных усилителях мощности используется схема с двумя источниками питания и заземлённой общей точкой, что позволяет подключать нагрузку непосредственно, а не через разделительную ёмкость. Это позволяет передавать нижние частоты практически без искажений.

2. Расчёт оконечного каскада

Поскольку этот каскад является двухтактным, то он должен работать в режиме B, однако при работе в этом режиме будут сильные нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью реальной проходной динамической характеристики транзисторов. Поэтому для данного каскада выбирается режим AB.

Максимальное напряжение и ток на выходе усилителя определяются по формулам [1]

,

где Pmax -- максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку, RН -- номинальное сопротивление нагрузки.

Необходимое напряжение питания усилителя определим из выражения

,

где UБЭ max9 и UБЭ max7 - соответственно напряжение база-эмиттер транзисторов VT9, VT7 при максимальном значении тока, протекающего через нагрузку; U2 min - минимальное значение напряжения U2 (рис.1). Последнее выражение подразумевает идентичность параметров обоих плеч двухтактного каскада. Зададимся значениями: UБЭ max9 = UБЭ max7 = 1В, U2 min = 3,5В и R13 = R15 =

= 0.05RН (типичные значения). R13 = R15 = 0,4 Ом. Из ряда Е - 24 выберем номинальное значение R13 = R15 = 0,4 Ом. Тогда

.

Поскольку схема двухтактного каскада симметрична, дальнейший расчет оконечного каскада будет проводиться только для одного (верхнего по схеме) плеча, подразумевая, что полученные результаты справедливы также и для нижнего плеча.

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT9

.

Максимальный ток коллектора транзистора VT9

.

Мощность, потребляемая от источника питания, рассчитаем по формуле [2]

,

где IК09 - начальный ток покоя транзистора VT9 оконечного каскада, работающего в режиме АВ, который определяется из выражения [3]

.

.

Максимальная мощность рассеяния на коллекторе этого транзистора

.

Поскольку входное сопротивление громкоговорителей носит комплексный характер, то выходные транзисторы оконечного каскада должны удовлетворять условиям:

(1)

(2)

где IК max - максимально допустимый ток коллектора; P*К max - максимально допустимая мощность рассеяния на коллекторе транзистора с теплоотводом (или без него).

Чтобы транзистор не вышел из строя из-за электрического пробоя необходимо, чтобы максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер удовлетворяло условию

. (3)

Частотные свойства транзисторов оконечного каскада определяются из условия

, (4)

где fh21Э - предельная частота коэффициента передачи тока базы; fВ - верхняя рабочая частота усилителя по уровню минус 0,6 дБ.

По рассчитанным значениям , , , и в соответствии с условиями (1 - 4) выбираем транзистор КТ819Г (корпус КТ-25) с параметрами: IК max = 15 A; UКЭ max = 100 В; P*К max = 100 Вт (с теплоотводом); h21Э min = 12;

,

где fT - граничная частота коэффициента передачи тока базы. Этот же тип транзистора используется в качестве VТ10. Так как PК max9 превышает максимально допустимую мощность рассеяния на коллекторе без теплоотвода, необходимо применение радиаторов.

Для определения площади радиатора воспользуемся формулой [5]

,

где PРАС -- мощность, которую требуется рассеять, -- коэффициент теплообмена, S -- площадь радиатора, tК -- температура корпуса транзистора, tСР -- максимальная температура окружающей среды.

Требуется рассеять , коэффициент теплового обмена примем равным , максимальная температура корпуса транзистора , максимальная температура окружающей среды задана в техническом задании. Однако в формулу следует подставлять не максимальную температуру корпуса транзистора, а температуру, уменьшенную на , поэтому . Требуемая площадь радиатора будет равна

.

Сопротивление резистора R12 определяем из выражения [3]

,

где RЭ9 -- входное сопротивление эмиттерного повторителя на транзисторе VT9

.

.

Из ряда Е-24 выберем номинальное значение сопротивления резистора R12 = 220 Ом. Такой же резистор выберем в качестве R16.

3. Расчёт предоконечных транзисторов

Определим максимальный ток коллектора транзистора VT7 [1]

.

Вычислим максимальный ток базы транзистора VT9

и, зная этот ток, по входной ВАХ транзистора КТ819Г, приведённой в приложении, определим . Тогда

.

Можно считать, что .

Максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзистора VT7 определяется выражением [1]

.

По рассчитанным данным и в соответствии с условиями (1 - 4) в качестве VТ7 выбираем транзистор КТ817Г с параметрами: ; ; (с теплоотводом), , . В качестве VТ8 выбираем транзистор КТ816Г с аналогичными параметрами.

Рассчитаем требуемую площадь радиатора. Исходные значения величин, входящих в формулу: , , , , . Тогда

.

Определим ток покоя транзистора VT7 из выражения

,

где -- ток покоя базы транзистора VT9, -- напряжение покоя база-эмиттер транзистора VT9, найденное по входной ВАХ этого транзистора, приведённой в приложении.

.

Определим максимальный ток базы транзистора VT7

.

Определим ток покоя базы транзистора VT7

и, зная этот ток, найдем напряжение покоя база-эмиттер транзистора VT7 по его входной ВАХ, приведённой в приложении: .

4. Расчёт промежуточного каскада

К этому каскаду предъявляются требования передать сигнал с наименьшими искажениями поэтому он работает в режиме А.

Ток покоя транзистора VT5 выбираем из условия [1]

.

Такой же ток покоя будет у транзистора VT3 и у источников тока VT4 и VT6.

Определим напряжение смещения между базами транзисторов VT7 и VT8

.

Примем падение напряжения на каждом из диодов равным . Выберем в качестве VD1-VD4 диоды Д226Д с параметрами: максимально допустимый (средний) прямой ток - 0,3 А; постоянное (среднее) прямое напряжение -- 1 В.

Примем пределы изменения напряжения на переменном резисторе R10: . Тогда

, .

Из схемы видно, что . Максимальный ток, протекающий через транзисторы VT3 и VT5 равен

.

Максимальная мощность рассеяния на коллекторе каждого из этих транзисторов [3]

.

Транзисторы промежуточного каскада должны удовлетворять условиям:

(5)

(6)

(7)

, (8)

в соответствии с которыми выбираем в качестве VT3, VT5 транзисторы КТ814Г с параметрами: , , , , . В качестве VT4, VT6 выбираем транзисторы КТ815Г с аналогичными параметрами.

Рассчитаем требуемую площадь радиатора. Исходные значения величин, входящих в формулу: , , , , . Тогда

.

Амплитуда тока базы транзистора VT5

.

Ток покоя базы транзистора VT5

.

Задаёмся падением напряжения на резисторах R6, R8, R9, R11: . Тогда . Из ряда Е-24 выберем номинальное значение этих резисторов 30 Ом.

Задамся падением напряжения на резисторе R7 таким же, как UR10max; тогда сопротивление этого резистора равно

Из ряда Е-24 выбираем номинальное значение .

Определим напряжение покоя коллектор-эмиттер транзистора VT5

Расчёт входного каскада

К данному каскаду, также как и к промежуточному, предъявляется требование передачи неискажённого сигнала, поэтому данный каскад работает в режиме А.

Выберем ток покоя транзисторов VT1 и VT2 из условий

.

Полагаем .

Ток, протекающий через резистор R3 будет равен сумме коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2

,

падение напряжения на нем будет равно половине напряжения питания . Сопротивление этого резистора будет равно

.

Из ряда Е-24 выбираем номинальное значение сопротивления резистора .

Максимальное значение тока коллектора транзисторов VT1 и VT2 равно

.

Максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер каждого из этих транзисторов

.

Максимальная мощность рассеяния на коллекторе каждого из этих транзисторов

.

В соответствии с условиями (5 -- 8) выберем в качестве VT1 и VT2 транзисторы КТ315Г с параметрами , , (без теплоотвода), .

Определим значение сопротивлений R2 = R4 [2]

,

где RВХ -- входное сопротивление промежуточного каскада

.

В этом выражении h21Э3 -- типовое значение коэффициента передачи тока базы транзистора VT3.

.

Из ряда Е-24 выберем номинальные значения сопротивлений .

Расчёт цепи отрицательной обратной связи

Определим коэффициент усиления усилителя по напряжению [1]

,

где Pном -- номинальная выходная мощность, UВХ -- номинальное входное напряжение усилителя, определяемое по формуле

,

в которой eS -- номинальная ЭДС источника сигнала, Ri -- входное сопротивление усилителя (примем Ri = 8 кОм), RS -- номинальное сопротивление источника сигнала.

.

Зададимся значением сопротивления резистора R5 = 300 Ом. Тогда [1]

.

Из ряда Е-24 выберем номинальное значение резистора R14 = 7,5 кОм.

При этом должно выполняться условие

.

Входное сопротивление усилителя (без учёта R1)

.

Значение R1 определяется из условия

.

Находим R1 = 9 кОм. Из ряда Е-24 выбираем номинальное значение R1 = 9,1 кОм.

7. Расчёт конденсаторов

Определим нижнюю граничную частоту усилителя

,

где fН -- нижняя рабочая частота усилителя, -- нормированный коэффициент усиления по напряжению на частоте fН.

.

.

Зная эту частоту, определим ёмкости конденсаторов [2]

,

где -- коэффициент. Выбираем из ряда Е-12 номинальное значение ёмкости .

.

Выбираем из ряда Е-12 номинальное значение ёмкости .

8. Проверка устойчивости усилителя

Определим глубину отрицательной обратной связи на нижних частотах

,

где -- коэффициент передачи цепи ООС, К -- коэффициент усиления усилителя по напряжению с разомкнутой цепью ООС.

,

где h21Э5 -- типовой коэффициент передачи тока базы транзистора VT5, -- крутизна транзистора VТ1.

.

Рис. 2. Эквивалентная схема усилителя

Определим частоты полюсов ЛАЧХ усилителя по методике, изложенной в [6]. Для этого используем его эквивалентную схему (рис.2),

где eS, RS - ЭДС и сопротивление источника сигнала; RIi, CIi - входные сопротивление и ёмкость i-го каскада усилителя; R0i, C0i, - выходные сопротивление и ёмкость i-го каскада; --сопротивление эмиттерной цепи i-го каскада.

Определим входную ёмкость эмиттерного повторителя [6]

усилитель схема транзистор конденсатор

,

где -- сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT9, СК9 и СЭ9 -- ёмкости соответственно коллекторного и эмиттерного переходов транзистора VT9.

Входное сопротивление эмиттерного повторителя

.

Выходная ёмкость третьего каскада

,

где СК7 -- ёмкость коллекторного перехода транзистора VT7, -- эквивалентная ёмкость эмиттерного перехода транзистора VT7.

,

где -- сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT7, СЭ7 -- ёмкость эмиттерного перехода транзистора VT7.

Выходное сопротивление третьего каскада

,

где -- выходное сопротивление второго каскада; -- сопротивление коллектора транзистора VТ5.

,

где - коэффициент передачи тока эмиттера транзистора VТ5.

Входная ёмкость третьего каскада

.

Входное сопротивление третьего каскада

.

Выходная ёмкость второго каскада

,

где СК5 и СК6 -- ёмкости коллекторных переходов соответственно транзисторов VT5 и VT6.

Входная ёмкость второго каскада

.

.

Входное сопротивление второго каскада

,

где -- сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT5.

Выходная ёмкость первого каскада

,

где СК1 -- ёмкость коллекторного перехода транзистора VT1.

Выходное сопротивление первого каскада

.

Входная ёмкость первого каскада

,

где -- сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT1.

.

Входное сопротивление первого каскада

,

где -- типовой коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Определяем частоты полюсов ЛАЧХ усилителя. Полюс, обусловленный входной ёмкостью четвертого каскада

.

Полюс, обусловленный входной ёмкостью третьего каскада

.

Полюс, обусловленный входной ёмкостью второго каскада при CI2 = CI2L

.

Поскольку fП2L < fП3, то fП2 = fП2L, а

.

Полюс, обусловленный входной ёмкостью первого каскада при CI1 = CI1L

Поскольку fП1L > fП2, то

.

Известно, что в устойчивом усилителе выполняется соотношение [3]

,

где fL = fП2 - граничная частота самого узкополосного каскада; x - запас по усилению.

Определим максимальное значение fП max2 при котором проектируемый усилитель сохраняет устойчивость, если |x| = 9 дБ (по 3 дБ на каждый каскад).

.

Поскольку fП2 > fП max2, то усилитель неустойчив. Обеспечение устойчивости усилителя достигается уменьшением fП2 с помощью корректирующей ёмкости С3, подключаемой между коллектором и базой транзистора VТ5. Значение ёмкости С3 можно определить из выражения [6]

,

где К2 - коэффициент усиления по напряжению второго каскада.

.

.

Из ряда Е-12 выберем номинальное значение ёмкости С3 = 68 пФ.

Определяем верхнюю граничную частоту усилителя с замкнутой петлёй обратной связи

.

Неравномерность АЧХ на верхней рабочей частоте fВ усилителя

,

что много меньше заданного в техническом задании.

9. Расчёт коэффициента гармоник

Расчет коэффициента гармоник усилителя с разомкнутой петлей ООС проводится при номинальном значении выходной мощности. При этом считаем, что нелинейные искажения вносятся в основном каскадами со второго по четвертый поскольку они работают в режиме большого сигнала. Методика расчета коэффициента гармоник усилителя изложена в [4].

При использовании в выходном каскаде составных транзисторов порядок построения нагрузочной сквозной динамической характеристики следующий. Вначале для каждой точки 1, 2, 3… прямой транзистора VТ9 (рис. 3) определяется зависимость

.

Рис. 3. К определению коэффициента гармоник усилителя

Затем по входной характеристике находим соответствующие этим точкам значения напряжения UБЭ9. Далее для тех же точек находим значения эмиттерного и практически совпадающего с ним коллекторного токов транзистора VТ7

.

Откладывая полученные значения IК7 на нагрузочной прямой, построенной на выходных характеристиках транзистора VТ7, определяем зависимость

.

Наконец, по входной характеристике находят соответствующие значения UБЭ7.

ЭДС источника сигнала еs определяют из выражения

,

где R02 - выходное сопротивление второго каскада.

Входные и выходные ВАХ транзисторов VТ9 и VТ7 приведены в приложении. Полученные значения для транзисторов VТ9 и VТ7 приведены соответственно в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

	1	2	3	4	5	6	7	8
IK9, А	6,3	6	5,2	4,7	3,8	2,4	1,6	1
IБ9, мА	260	220	180	140	100	60	40	20
UБЭ9, В	1,6	1,55	1,4	1,25	1,1	1	0,85	0,8

Таблица 2

	1	2	3	4	5	6	7	8
IK7, А	0,54	0,51	0,44	0,4	0,33	0,21	0,14	0,09
IБ7, мА	7	6	5,5	5	4	2,5	2	1
UБЭ7, В	0,84	0,82	0,81	0,8	0,79	0,76	0,74	0,7

Рассчитанные по приведенной выше формуле ЭДС гармоник источника сигнала приведены в таблице 3.

Таблица 3

eS1	eS2	eS3	eS4	eS5	eS6	eS7	eS8
774,4	666,57	609,8	554,29	443,85	278,09	221,31	112,2

Коэффициент гармоник усилителя без петли ООС рассчитаем по формуле

.

При охвате усилителя петлей ООС коэффициент гармоник будет равен

,

что является приемлемым.

10. Определение типов пассивных элементов

Для определения типов резисторов рассчитаем мощность, рассеиваемую на каждом из них.

На резисторе R1 падает напряжение, равное ЭДС сигнала: . Мощность, рассеиваемая на этом резисторе

.

Примем резистор R1 типа С2 -23 - 0,125.

Мощность, рассеиваемая на резисторах R2 и R4 равна

.

Примем резисторы R2 и R4 типа С2 - 23 - 0,125.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R3, равна

.

Примем резистор R3 типа С2 - 23 - 0,125.

На резисторе R5 также падает напряжение, равное ЭДС сигнала: . Мощность, рассеиваемая на этом резисторе

.

Примем резистор R5 типа С2 - 23 - 0,125.

Мощность, рассеиваемая на каждом из резисторов R6, R8, R9, R11, равна

.

Примем резисторы R6, R8, R9, R11 типа С2 - 23 - 0,5.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R7, равна

.

Примем резистор R7 типа С2 - 33 - 0,5.

Максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе R10, равна

.

Выберем в качестве R10 подстроечный резистор СП3 - 19б.

Максимальное падение напряжения на резисторах R12 и R16 равно . Мощность, рассеиваемая на каждом из этих резисторов, равна

.

Примем резисторы R12 и R16 типа С2 - 23 - 0,125.

Мощность, рассеиваемая на резисторах R13 и R15, равна

.

Вместо каждого из этих резисторов включим в схему последовательно два резистора сопротивлением 0,1 Ом каждый типа С5 - 16МВ - 5.

Максимальное падение напряжения на резисторе R14 равно половине напряжения питания. Мощность, рассеиваемая на резисторе R14 , равна

.

Примем резистор R14 типа С2 - 23 - 0,125.

Примем конденсаторы С1 и С2 типа К52 - 1. Примем конденсатор С3 типа КМ.

11. Расчёт потребляемой мощности

Ток, потребляемый двухтактным оконечным каскадом, равен среднему значению тока одного плеча. Ток, потребляемый составными транзисторами, равен [4]

 .

Суммарный ток, потребляемый усилителем, равен

.

Мощность, потребляемая усилителем, равна

.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта рассчитан бестрансформаторный усилитель мощности звуковой частоты, проверена его устойчивость, рассчитаны коэффициент гармоник и потребляемая мощность. Все значения, полученные при расчёте, удовлетворяют требованиям технического задания. Чертёж схемы электрической принципиальной усилителя и перечень элементов схемы приведены в приложении.

Список литературы

Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике : Пер. с нем. - М.: Мир, 1991. - 446 с

.Варакин Л. Е. Бестрансформаторные усилители мощности : Справочник. - М.: Радио и связь, 1984. - 128 с.

Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот / Под ред. Н. Л. Безладнова. - М.: Связь, 1978. - 368 с.

Проектирование усилительных устройств на транзисторах / Под ред. Г. В. Войшвилло. - М.: Связь, 1972. - 384 с.

Сухов Н. Е. и др. Техника высококачественного звуковоспроизведения. - К.: Техника, 1985. - 160 с.

Апериодические усилители на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / Под ред. Р. В. Валитова, А. А. Куликовского. - М.: Советское радио, 1968. - 300 с.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник / Под ред. Б. Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.

Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. - К.: Наукова думка, 1981. - 672 с.

Резисторы. Справочник / Под ред. И. И. Четверикова и В. М. Терехова. - М.: Радио и связь, 1987.

Вопросы интенсификации дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов радио и электротехнических специальностей / Под ред. В. Г. Кабарухина. Таганрог: ТРТИ, №110. 1988. - 186 с.

Размещено на Allbest.ru