Функциональный модуль усилителя мощности на биполярных транзисторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Факультет радиотехники и электроники

Кафедра электроники

Дисциплина: «Функциональные устройства информационно-управляющих систем»

Пояснительная записка

К курсовой работе

На тему «Функциональный модуль усилителя мощности на биполярных транзисторах»

Выполнил: Янцевич А.В

Проверил: Русакович В.Н.

Минск, 2021



Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Факультет радиотехники и электроники

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой М.Сацук

«10» февраля 2021 г.

ЗАДАНИЕ

по курсовой работе

Студенту

1. Тема работы: «Функциональный модуль усилителя мощности на биполярных транзисторах».

2. Срок сдачи студентом законченной работы: 25 мая 2021 г.

3. Исходные данные к работе:

Диапазон частот (при неравномерности АЧХ 2 дБ), Гц- (20...20000);

Номинальная выходная мощность при нагрузке 4 Ом, Вт - 30;

Коэффициент гармоник, %, не более - 0,01;

Номинальное входное напряжение, В - 0,8;

Входное сопротивление, кОм - 47;

Выходное сопротивление, Ом, не более - 8;

Относительный уровень шума и фона, дБ, не более - 90.

4. Содержание расчётно-пояснительной записки (перечень вопросов, которые подлежат разработке):

Введение.

1. Обзор литературы.

2. Выбор, разработка и обоснование функциональной схемы устройства.

3. Разработка и проектирование электрических принципиальных схем устройства.

4. Математическое моделирование работы электрических принципиальных схем устройства.

5. Разработка и проектирование конструкции устройства.

Заключение.

Список используемых источников.

Приложения.

5. Перечень графического материала (с точным обозначением обязательных чертежей и графиков):

1. Функциональная схема устройства (Э2) - формат А4, лист 1.

2. Принципиальная электрическая схема устройства (Э3) - формат А4, лист?1.

3. Сборочный чертёж печатной платы устройства (СБ) - формат А4, лист 1.

6. Консультант по работе (с обозначением разделов работы) Русакович В.Н.

7. Дата выдачи задания: 20.02.2021 г.

8. Календарный график работы на весь период (с обозначением сроков выполнения и трудоёмкости отдельных этапов):

Раздел 1 - 18.03.21 г. - 20 %;

Раздел 2 - 01.04.21 г. - 10 %;

Раздел 3 - 22.04.21 г. - 20 %;

Раздел 4 - 06.05.21 г. - 15 %;

Раздел 5 - 20.05.21 г. - 20 %;

Оформление пояснительной записки - 25.05.21 г. - 10 %;

Оформление графического материала - 25.05.21 г. - 5 %;

Защита курсовой работы: с 25.05.2021 г. по 30.05.2021 г.

Руководитель В.Н. Русакович

Задание принял(а) к исполнению

20.02.2021 г.



Содержание

Введение

1. Обзор литературы

2. Выбор, разработка и обоснование функциональной схемы устройства

2.1 Предварительный усилитель

2.2 Цепь смещения. Термостабильность

2.3 Стабильность выходного каскада

2.4 Самовозбуждение транзисторов

2.5 Выходные каскады

3. Разработка и проектирование электрических принципиальных схем устройства

3.1 Расчёт оконечного каскада

3.2 Расчёт предвыходного каскада

Заключение

Литература

Приложение А. Принципиальная электрическая схема

Приложение Б. Печатная плата



Введение

В данной курсовой работе мы рассмотрим усилитель мощности, что он из себя представляет, для чего применяется, а также рассчитаем его параметры.

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается. Это связано, в первую очередь, с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологии, разработкой новых усилительных приборов.

Часто при измерениях неэлектрических величин необходимо усиливать сигналы очень низких частот, порядка долей герца. Для этого требуются усилители, одинаково усиливающие напряжения всех частот, вплоть до самых низких.

Усилители мощности широко используются в электронных вычислительных устройствах, измерительной технике, управляющих и следящих системах и в ряде других областей. Чаще всего усилители применяються в звуковых устройствах. На вход подаётся сигнал низкой амплитуды, а на выходе уже получается преобразованный сигнал более высокой мощности. Усилители мощности могут усиливать во много раз.

Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники; радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры. Усилители низких частот широко используют в сфере автозвука и автоакустики.



1. Обзор литературы

Все усилители мощности в зависимотри от режима работы выходного каскада делят на классы (рис. 1.1):

Рис. 1.1

Класс A - линейный, усиление происходит на линейном участке ВАХ (вольт-амперной характеристики), отсутствие переходных искажений, но низкий КПД (10-20%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева.

Класс В - транзисторы работают в ключевом режиме, т.е. усиливают только свою полуволну сигнала в линейном режиме. Это как бы 2 отдельных класса А (для каждой полуволны свой). Высокая экономичность, но возрастают переходные искажения за счёт неидеальности стыковки верхней и нижней полуволн сигнала.

Этот класс усиления применяется только в ВЧ технике, т.к. для звуковой техники он малопригоден из-за больших переходных искажений сигнала. Рабочая точка выходного каскада смещена далеко за пределы области отсечки так, что транзистор открывается только при максимумах входного сигнала. В ВЧ схемах правильная форма сигнала восстанавливается на нагрузке - резонансном контуре. Эффективность данного усилителя очень высока.

Класс AB - за счёт начального смещения уменьшаются переходные искажения сигнала, но теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому что транзистор противоположного плеча полностью не закрывается.

Непосредственно в усилителях наиболее частно встречаются однотактные каскады предварительного усителения в режиме класса А (реже двухтактные каскады в режиме класса А) с резисторноконденсаторной связью и каскады с гальванической связью (непосредственной или резисторной).

Одними из основных параметров усилителя является коэффициент усиления. Различают три коэффициента усиления:

1) по напряжению

2) по току

3) по мощности

Для усилителей возможны различные значения коэффициентов, но принципиально то, что Kp всегда должен быть больше единицы. Общий коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Так, для Ku можно записать

Коэффициент усиления часто выражают в логарифмических единицах - децибелах (дБ):

,

Аналогично в децибелах можно представить Ki и Kp. Для Kp справедлива следующая запись:

,

Выражение коэффициентов усиления в децибелах связано с тем, что человеческое ухо реагирует на звуковые колебания в соответствии с логарифмическим законом слухового восприятия.

Если коэффициент усиления каждого каскада выражен в децибелах, то общее усиление многокаскадного усилителя, дБ:

,

Помимо усиления сигнала необходимо, чтобы усилитель не изменял его формы, т.е. в идеальном случае точно повторял все изменения (напряжения или тока). Отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала принято называть искажениями. Искажения бывают двух видов: нелинейные и частотные.

Нелинейные искажения определяются нелинейностью ВАХ транзисторов, на которых собран усилитель. Так, при подаче на вход усилителя сигнала синусоидальной формы выходной сигнал не является чисто синусоидальным, он будет содержать составляющие высших гармоник. Это просто пронаблюдать с помощью входной ВАХ биполярного транзистора, которая имеет форму экспоненты, а не прямой линии. Искажения этого вида оцениваются коэффициентом гармоник (коэффициентом нелинейных искажений), Kr:

,

где U1, U2, U3 - значения напряжений сигнала в выходной цепи усилителя для основной, второй и третьей гармоник соответственно.

При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, поскольку более высокие гармоники имеют малую мощность. В многокаскадных усилителях общий Kr можно принять равным сумме коэффициентов гармоник всех каскадов. На практике же основные искажения вносятся выходным (иногда предвыходным) каскадом, который работает на больших амплитудах сигналов.

Для приближенной оценки нелинейных искажений можно воспользоваться амплитудной характеристикой усилителя, представляющей собой зависимость амплитуды выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного сигнала Uвх неизменной частоты. При небольших Uвх амплитудная характеристика практически линейна. Угол ее наклона определяется коэффициентом усиления на данной частоте. Изменение угла наклона при больших Uвх указывает на появление искажений формы сигнала.

Частотные искажения определяются зависимостями параметров транзисторов от частоты и реактивными элементами усилительных устройств, в частности, разделительными ёмкостями. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Зависимость Ku усилителя от частоты входного сигнала принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). С помощью АЧХ можно представить коэффициенты частотных искажений на низшей Mн и высшей Mв частотах заданного диапазона работы усилителя:

,



Амплитудная (а) и частотная (б) характеристики, Рис. 1.2

Обычно допустимые значения коэффициентов частотных искажений не превышают 3 дБ. Отметим, что f = fв -- fн принято называть полосой пропускания усилителя.

В усилителях звуковых частот достаточно иметь fн = 20 Гц и fв = 20 кГц; в широкополосных усилителях fв может достигать десятков мегагерц; в частотно-избирательных усилителях fн ? fв и для высокочастотных усилителей может достигать сотен мегагерц; в усилителях постоянного тока (УПТ) fн = 0, а fв может составлять несколько десятков мегагерц.

Необходимо отметить, что в усилителях имеют место фазовые сдвиги между входным и выходным сигналами, которые могут привести к появлению фазовых искажений. Фазовые искажения проявляются лишь при нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты. Эту зависимость принято называть фазочастотной характеристикой (ФЧХ) усилителя. Частотные и фазовые искажения являются линейными искажениями и обусловлены одними и теми же причинами, причем большим частотным искажениям соответствуют большие фазовые искажения, и наоборот.

Помимо рассмотренных параметров и характеристик часто необходимо знать коэффициент полезного действия (КПД) усилителя, коэффициент шума, стабильность, устойчивость работы, чувствительность к внешним помехам и др. Важнейшим параметром усилителей мощности является коэффициент полезного действия з:

з = Pн /Pо,

где Pн - мощность, выделяемая на нагрузке усилителя; Pо - мощность, потребляемая усилителем от внешнего источника питания. Величина з всего усилителя определяется главным образом з выходного каскада.

Основные параметры и характеристики усилителей зависят как от числа каскадов, так и от типа активного элемента (транзистора) и способа его включения в усилительном каскаде.

Отрицательная обратная связь

При рассмотрении усилителя мощности необходимо затронуть тему обратной связи. При конструировании усилителей мощности применяют много каскадов для обеспечения на выходе необходимых параметров для работы. Усиление, которое может давать один каскад слишком маленькое, чтобы использовать его в практических целях.

Между каскадами усиления некоторая малая часть энергии может передаваться в обратном направлении, то есть из последуещего к предыдущему каскаду. Такая передача энергии и называется обратной связью. Такая связь может сильно влиять на сами параметры и свойства усилителя, поэтому её могут как намеренно вводить, так и пытаться уже возникшую обратную связь убрать.

Обратная связь возникает из-за:

Физических свойств и особенностей конструкции усилительных элементов (внутренняя обратная связь)

Введения специальных цепей, которые намеренно создают в каскаде обратную связь для изменения свойств в нужном направлении (внешняя обратная связь)

Паразитных индуктивных, ёмкостных, гальванических и т.д. связей между цепями, создающих пути для обратной передачи энергии (паразитная обратная связь)

Цепь обратной связи и часть схемы, которую она охватывает, образует замкнутый контур, который называется петлёй обратной связи. Обратная связь бывает по количеству петлей: однопетлевая и многопетлевая. Также петли могут быть независимыми, частично или полностью входить одна в другую. Если в петле обратной связи, охватывающей уилитель или его часть, имеются петли, охватывающие один каска, их называют местными обратными связями.

Обратная связь, увеличивающая коэффициент усиления называется положительной, уменьшающая - отрицательной. Обратная связь также может при изменении частоты вносить фазовые сдвиги, создавать нелинейные искажения и помехи



2. Выбор, разработка и обоснование функциональной схемы устройства

Рис. 2.1

Устройство содержит входное устройство для передачи сигнала от источника к входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала к входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной составляющей тока от источника к усилителю, или наоборот.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах.

Усилитель мощности (УМ) служит для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления.

Выходное устройство используется для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку. Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно или нецелесообразно. Тогда роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускающие постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согласования сопротивления выхода усилителя и нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе интегральных схем избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритных размеров и технологических трудностей изготовления.

Источник питания обеспечивает питание активных элементов усилителя.

Для обеспечения стабилизации требуемых параметров вводится цепь отрицательной обратной связи.

Основными признаками для классификации усилителей являются диапазон рабочих частот и параметры, характеризующие его усилительные способности: ток, напряжение, мощность. Важнейшими техническими показателями усилителя являются: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон, нелинейные, частотные и фазовые искажения. Усилители мощности характеризуются выходной мощностью и КПД.

Анализируя исходные данные, техническому заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя мощности с использованием биполярного транзистора со спектром частот канала ТЧ.

Схема усилителя



Рис.2.2

Данный усилитель работает в режиме АВ (предварительный усилитель мощности(по напряжению) в режиме А, выходной усилитель мощности(по току) в режиме АВ). Схема полностью симметрична от входа до выхода. Полная симметрия избавляет от переходных процессов в оконечном каскаде, т.е. в момент включения на выходе усилителя отсутсвуют какие бы то ни было выбросы, характерные большинству дискретных усилителей.

Рис 2.3



2.1 Предварительный усилитель

Для уменьшения количества каскадов предварительного усилителя коэффициент усиления каждого каскада желательно имень наибольшим. Для этого в каскадах предварительного усиления используют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления.

Для уменьшения нелинейных искажений и повышения стабильности усилителя в каскадах почти всегда используется режим А; это не вызывает затруднений с энергетической точки зрения, так как потребление мощности питания каскадами предварительного усиления даже в этом случае оказывается невелико. Из-за малой ампитуды сигнала и работы в режиме А вносимые каскадами предварительного усиления нелинейные искажения малы и расчёт коэффициента гармоник таких каскадов обычно не производят.

Транзисторы обычно включают с общим эмиттером, так как при работе на входную цепь следующего каскада это даёт возможность получить наибольшее усиление.

Напряжение источника питания оконечного каскада усилителя обычно оказывается вполне долтаточным и для питания всех каскадов предварительного усиления с учётом включения в цепь питания последних развязывающих и сглаживающих фильтров. Для сокращения расхода энергии питания усилительные элементы в каскадах предварительного усиления применяют маломощные, а ток покоя их выходной цепи берут малый, лишь обеспечивающий как необходимую для подачи на следующий каскад амплитуду тока или напряжения сигнала, так и удовлетворительные частотные и усилительные свойства примененного усилительного элемента.

В данной схеме предварительный усилитель состоит из трёх каскадов каскадов: двух дифференциальных каскадов и предварительного оконечного каскада. Предварительный усилитель принимает сигнал со входа и усиливает его до значения, необходимого для дальнейшей работы уже на оконечном усилителе устройства. Усиление мощности получается засчёт усиления по напряжению, иными словами можно сказать, что предварительный усилитель - это усилитель напряжения.

Дифференциальный каскад

В данной схеме у нас есть два дифференциальных каскада VT1 и VT3, VT2 и VT4. Они работают в режима А и усиливают напряжение.

Рис.2.4

Дифференциальный усилитель - это широко известная схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют синфазным. Дифференциальный или разностный входной сигнал называют еще нормальным или полезным. Хороший дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу, при условии что полезный и синфазный входные сигналы имеют одинаковую амплитуду. Обычно КОСС определяют в децибелах. Диапазон изменения синфазного входного сигнала задает допустимые уровни напряжения, относительно которого должен изменяться входной сигнал.

Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов, ведь данные усилители обраладают низкими помехами на выходе. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), звуковые сигналы (в радиотехнике понятие «балансный» импеданс обычно связывают с дифференциальным импедансом 600 Ом), радиочастотные сигналы (двухжильный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие. Дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, если синфазные помехи не очень велики. Дифференциальные каскады широко используют при построении операционных усилителей, которые мы рассматриваем ниже. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т.е. не используют для межкаскадной связи конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа.

Так как мы знаем, что база и эмиттер транзистора всегда привязаны друг к другу, то в этой схеме обе базы в рабочем режиме всегда будут иметь одинаковый потенциал. Поэтому, если на них подавать один и тот же сигнал , то ничего происходить не будет -- току течь некуда, так как все под одним и тем же напряжением. Вся конструкция из двух транзисторов будет смещаться относительно «земли» в соответствии с поданным сигналом, а на выходах ничего и не будет -- это легко проверить. Такой сигнал называют синфазным.

Обратная картина наблюдется, если сигналы на входах различаются -- они будут усиливаться. Такой сигнал называют дифференциальным. Это основное свойство дифференциального усилителя, которое позволяет выделять небольшой сигнал на фоне довольно большой помехи. Помеха одинаково (синфазно) действует на оба входа, а полезный сигнал усиливается (действует дифференциально). Таким образом, выходное напряжение дифференциального усилителя будет равно разности напряжений сигналов подаваемых на базы транзистров. Если в нашем случае мы подадим на VT1 наш исходный сигнал, например, с амплитудой 0.1 В, а на базу VT3 сигнал с амплитудой 10 В, то на выходе мы получим усиленный исходный в 100 раз. Получается, мы уже получили усиление по напряжению в 100 раз. Также, стоит отметить, что дифференциальный усилитель работает с обратной связью по напряжению (ОСН) (если вход цепи обратной связи присоединен к выходу усилителя паралельно нагрузке, напряжение на выходе цепи обратной связи будет пропорционально напряжению на нагрузке). Обратная связь обеспечивается напряжением, т.к. входной импеданс обоих входов является высоким (и приблизительно одинаковым), а входной ток (относительно) -- пренебрежимо малым. Резисторы R11 и R14 в данной схеме выступают в качестве делителей напряжения, поэтому мы может путём измениния их номиналов контролировать напряжение поступаемое на базы транзисторов VT3 и VT4, увеличивать или уменьшать его. У нас появляется возможность влиять на коэффициент усиления дифференциального каскада.

Резистор обратной связи и конденсатор выбираются такими, чтобы обеспечить работу схемы с максимальным усилением разомкнутой цепи обратной связи по переменному току, но с единичным усилением по постоянному току, для обеспечения стабильности каскада при напряжении 0 В (или около того) на коллекторе VT5.

Синфазные и противофазные сигналы



Рис.2.5

При описании распространения сигнала или помехи в электропроводной среде часто употребляются термины синфазный (СФ) и противофазный (ПФ). Эти термины употребляются тогда, когда в рассматриваемой системе есть две точки (два полюса) приложения сигнала (помехи): условно X и Y, как показано на рисунке. СФ сигнал действует с одной и той же фазой на точки X и Y приложения сигнала относительно условного нуля или некой третьей опорной или общей точки. ПФ сигнал действует с противоположной фазой (противоположным знаком) на точки X и Y приложения сигнала относительно внешней среды. Поэтому, противофазный сигнал также часто называют дифференциальным, подразумевая его "разностную" сущность.

При рассмотрении напряжений в рассматриваемых точках электропроводной среды помеха приложена синфазно, а полезный сигнал - противофазно, как это бывает в случае дифференциальных или симметричных цепей.

Некоторые функциональные узлы электрических схем (например дифференциальный приёмник сигнала, трансформатор, схемы гальваноразвязки на разных физических принципах) могут подавлять синфазный сигнал, а пропускать противофазный. В противоположность этому: линейные мостовые балансные схемы способны значительно скомпенсировать противофазный сигнал по отношению к синфазному.

Ярким примером раздельной аналоговой обработки синфазной и противофазной составляющих сигнала является стандартная схема гальваноразвязки Ethernet, в которой прослеживаются разные пути распространения СФ и ПФ сигналов.

При анализе дифференциальных электрических цепей обычно рассматривают две эквивалентные электрические схемы: для СФ и ПФ сигналов раздельно, подразумевая линейное разложение сигнала на эти две составляющие (0,5*(Х + Y) и X-Y, соответственно, если X и Y - это фазные напряжения, как показано на рисунке выше). Как следствие этого анализа, в частности, возникает необходимость описания электрических свойств дифференциального входа или дифференциального выхода для СФ и ПФ сигналов отдельно: диапазона, входного или выходного сопротивления, характеристик пропускания или подавления на определённых частотах и т.д. С этой точки зрения, мгновенные значения СФ и ПФ сигналов дифференциальной или симметричной цепей можно рассматривать как две координаты при описании мгновенного состояния физического сигнала в двумерном пространстве. Каскад усиления напряжения (усилитель A-класса)

Пройдя дифференциальные каскады, усиленный исходный сигнал поступает на базы транзисторов VT5 и VT6, которые образуют каскад усиления по напряжения.

Данный каскад представляет собой простейший усилитель напряжения класса А. Только верхний транзистор VT5 работает на нагрузку верхних транзисторов, которые открываются с верхней полуволной, а нижний транзистор VT8 работает на нагрузку нижних транзисторов, которые открываются на нижней полуволне. Усилительные каскады на этих транзисторах идентичные за исключение структуры транзисторов (VT7-NPN, VT8 - PNP). Поэтому рассмотрим каскад на транзисторе VT6.

Рис.2.6

Рис.2.7

Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи. Чтобы данный транзистор работал на его базу подают напряжение смещение - минимальное напряжение, которое необходимо, чтобы транзистор оставался всегда в чуть приоткрытом открытом состоянии. То есть, в данном случае у нас транзистор VT6 и не открыт, и не закрыт, он находиться в чуть приоткрытом состоянии. Это отличает транзистор усилителя напряжения и транзистор в ключевом режиме, где от имеет два точных состояния - открытое и закрытое.

Рис.2.8

Смещение базы транзистора позволяет ему отвечать на любое, даже малейшее, воздействие входного сигнала. Для включения транзистора на базу необходимо подать напряжение около 0,6 В (разность потенциалов между базой и эмиттером). Если же транзистор не должен находиться в проводящем состоянии, то достаточно обеспечить любое входное напряжение ниже этого уровня. При смещении же базы транзистора происходит усиление входного сигнала любой величины. Если сигнал на выходе будет без смещения, то часть его будет теряться.

Рис.2.9



2.2 Цепь смещения. Термостабильность

Параметры биполярных транзисторов зависят от многих факторов (температуры, напряжения питания и т. д.). Вследствие этого изменяется положение рабочей точки транзистора. Пассивная цепь, в которую включается транзистор, должна свести к минимуму влияние разброса параметров и обеспечить стабильное положение рабочей точки на участке передаточной характеристики, соответствующей режиму усиления

Очевидно, что в конфигурации Дарлингтона в каждом выходном каскаде имеются два базово-эмиттерных перехода. Поскольку каждый из них имеет свою собственную тепловую характеристику (уменьшение падения напряжения на переходе на примерно 2 мВ на каждый градус С°), термостабилизировать эту конфигурацию может быть трудно. Кроме того, по мере того, как транзисторы нагреваются, коэффициент их усиления часто увеличивается, что также осложняет проблему. Датчик цепи установки тока покоя, представляющей собой, как правило, умножитель VT12 транзистора, нужно устанавливать на радиатор выходных транзисторов, дабы обеспечить хорошее тепловой контакт с ними, и то в некоторых случаях термостабильность едва удается поддерживать.

Если не обеспечить достаточной термостабильности, то в усилителе может развиться лавинообразный рост температуры транзисторов выходного каскада, где после достижения определенной температуры выходного транзистора продолжающееся снижение VT12 вызывает еще бомльшее увеличение тока покоя, что ведет к дальнейшему повышению температуры и т.д. Достигается точка, при которой рассеиваемая мощность настолько велика, что выходные транзисторы отказывают, часто с катастрофическими последствиями для остальной части схемы и подключенных громкоговорителей.

Комплементарная пара Шиклаи, имеет только один управляемый база-эмиттерный переход и, тем самым, её легче термостабилизировать. Поскольку единственным Vbe является принадлежащий драйверному транзистору (который во многих случаях не будет установлен на основном радиаторе, а у некоторых радиатора не будет вообще), требования к умножителю Vbe менее строгие, монтаж намного проще, а термостабильность, как правило, очень хорошая и отличная.

Рис.2.10

Конструкции многих усилителей (особенно использующих выходной каскад по схеме Дарлингтона) требуют, чтобы цепь смещения была настроена с учетом различных параметров выходных транзисторов. Если резистор R19 вместо постоянного будет подстроечным, то что произойдет, когда (если) его подвижный контакт вдруг (из-за возраста, загрязнений или грубого обращения) потеряет контакт с резистивной дорожкой?

Ответ прост -- падение напряжения на цепи смещения теперь окажется равным полному напряжению питания (меньше, чем падение на одном или двух базо-эмиттерных переходах), в результате чего как положительные, так и отрицательные плечи выходного каскада откроются настолько полно, насколько это возможно. Результатом этого является мгновенное отказу выходных транзисторов. Это произойдет настолько быстро, что его не смогут предотвратить предохранители и даже применение сложной схемы защиты выходной цепи вряд ли сможет их уберечь.

Ответ, конечно, настолько прост, что должен быть сразу же очевидным всем но, к сожалению, это не всегда так. Если переменным компонентом сделать R17, то при его обрыве смещение просто исчезнет. Это приведет к появлению искажений в виде «ступеньки», но выходные транзисторы останутся целыми. Чтобы предотвратить возможность уменьшения значения сопротивления подстроечного резистора до 0 Ом (что будет иметь такой же эффект, как описано выше!), следует последовательно с ним включить постоянный резистор, значение которого выбрать таким образом, чтобы обеспечить адекватную настройку при сохранении надежного запаса прочности.

Здесь следует предпринять дополнительные меры предосторожности, поскольку, если значения резисторов базового делителя будут слишком малы, то напряжение смещения, создаваемое для выходных транзисторов, будет представлять собой просто падение напряжения на них. При этом транзистор цепи смещения практически никак не будет влиять на величину смещения. Этого легко избежать, если ток через резисторы базового делителя сделать равным 1/10 (или около того) общего тока смещения каскада усиления напряжения.

Сопротивление можно также сделать слишком большим, из-за чего цепь смещения будет менее стабильна по переменному току. Из-за этого цепь смещения может также приобрести слишком большой коэффициент усиления, что, в свою очередь, может привести к падению тока покоя при нагреве усилителя. Хотя с точки зрения надежности это хорошо, но, поскольку при нагреве усилителя будут возникать искажения типа «ступенька», то звуковой эффект, очевидно, будет разочаровывающим. Как правило, чтобы гарантировать стабильность, со значениями резисторов базового делителя следует поэкспериментировать. Способов их расчета на ум не приходит, хотя я уверен, что такое возможно. Падение напряжения на базо-эмиттерном переходе снижается на величину до 2 мВ/°С, однако, изменения коэффициента усиления с изменением температуры столь же легко не рассчитывается. усилитель каскад транзистор

В качестве вторичной защиты параллельно цепи смещения полезно поставить цепочку из соответствующего количества диодов. Их следует выбирать для предотвращения чрезмерного тока, однако, дополнительно к ним необходим еще какой-то метод защиты от перегрева. Это может быть вентилятор, обдувающий радиатор или термовыключатель, чтобы отключить питание, если усилитель становится слишком горячим.

Обратите внимание, что если выходной каскад использует схему Дарлингтона, транзистор цепи смещения будет располагаться на основном радиаторе. Если используется комплементарная пара транзисторов (Шиклаи), то необходимо, чтобы цепь смещения воспринимала температуру драйверного(-ых) транзистора(ов) (который(-е) не должен(-ны) находиться на основном радиаторе. Неверное расположение транзистора цепи смещения -- это приглашение к отказу выходного каскада из-за лавинообразного теплового разгона.

Драйверный каскад, особенно в случае использования биполярных транзисторов, должен обеспечивать достаточный ток для выходных транзисторов. С МОП-транзисторами драйвер должен иметь возможность достаточно быстро заряжать и разряжать затворно-истоковую емкость, чтобы можно было получить необходимую мощность на самых высоких частотах, представляющих интерес.

Для простоты, если биполярные выходные транзисторы имеют коэффициент усиления 20 при максимальном токе в нагрузке, драйверы должны быть в состоянии обеспечить для этого достаточный базовый ток. Если максимальный ток равен 4 А, то драйверы должны иметь возможность выдать выходным транзисторам 200 мА базового тока.

2.3 Стабильность выходного каскада

То, что эмиттерный повторитель (будь то Дарлингтона или Шиклаи) может стать генератором, как правило, на очень высоких частотах, является просто реальным фактом из жизни. Это особенно верно, если выходной кабель имеет вид настроенной цепи. Длина кабеля к динамикам, будучи совершенно безобидной на звуковых частотах, является линией передачи на некоторой частоте, определяемой ее длиной, диаметром проводника и расстоянием между проводниками.

Во многих усилителях мощности выходные каскады выполнены в виде эмиттерных повторителей и, когда к ним кабелем подключается динамик (или даже неиндуктивная эквивалентная нагрузка), часто возникает самовозбуждение. Это происходит почти всегда при работе усилителя и более вероятно, если ток является вытекающим. Этому явлению более подвержена комплементарная пара Шиклаи по сравнению с парой Дарлингтона, возможно, потому, что управляющим элементом является драйверный транзистор (его эмиттер связан с нагрузкой), имеющий более широкую полосу пропускания.

Некоторые из «супер»-кабелей в этом отношении часто хуже, чем обычный экранированный шнур или трехжильный сетевой шнур, из-за их способности выступать в качестве линий передачи радиочастот и, следовательно, являются источником указанной проблемы.

Обычная цепь Цобеля (состоящая из резистора 10 Ом и конденсатора 100 нФ), как правило, ослабляет влияние внешней линии передачи кабелей и внутренней проводки усилителя к выходным клеммам и обеспечивает стабильность в большинстве нормальных рабочих условий.



Рис.2.11

Цепь Цобеля

Очень многие усилители могут самовозбуждаться при отсутствии нагрузки или без подключения кабелей к колонкам и цепь Цобеля, показанная на рисунке, этому также препятствует. Причины самовозбуждения поначалу понять немного сложно, но они могут быть прослежены, в частности, до небольших величин паразитной индуктивности и емкости вокруг выходного каскада. На очень высоких частотах эти паразитные параметры легко могут сформировать настроенную схему, вызывая сдвиг фазы между выходом усилителя и инвертирующим входом. На этих высоких частотах некоторые усилители имеют большой запас по фазе (разница между фазами усилителя сдвигается на 180°). Любая паразитная индуктивность или емкость могут потребовать только нескольких дополнительных градусов сдвига фазы, чтобы вызвать самовозбуждение. Поскольку на таких высоких частотах глубина обратной связи очень мала, общий импеданс может быть намного выше ожидаемого.

На этих частотах конденсатор цепи Цобеля представляет собой, по сути, короткозамкнутую перемычку, поэтому параллельно схеме с высоким импедансом включается в работу резистор на 10 Ом. 10-омный резистор нарушает добротность (Q) настроенной цепи и обеспечивает сильное затухание, нейтрализуя тем самым фазовый сдвиг и восстанавливая стабильность. Не рекомендуеться, исключать эту цепь из любого усилителя, даже если он кажется стабильным и без нее.

При емкостной нагрузке (как это происходит при подключения громкоговорителя и пассивного кроссовера) цепь Цобеля дополнительно влияет очень мало и может вообще никак не влиять. Единственный верный способ предотвратить самовозбуждение, либо резко выраженный звон при использовании кабелей с высокой емкостью -- включить на выходе усилителя индуктивность. Она должна быть зашунтирована соответствующим резистором для уменьшения добротности индуктивности.

Рис.2.12

Другой альтернативой является включение резистора последовательно с выходом усилителя, но это, естественно, даст двойной эффект -- уменьшит выходную мощность и коэффициент демпфирования. При значениях резисторов, достаточных для предотвращения самовозбуждения, указанные выше потери становятся чрезмерными и вся потерянная мощность должна преобразоваться в тепло на резисторе.

Выбор номинала индуктивности не составляет труда -- при нагрузке 8 Ом он должен быть, как правило, не более 20 мкГн, причем, любая индуктивность больше, чем указанная, приведет к неприемлемому затуханию высоких частот. Дроссель индуктивность 6 мкГн будет приводить к потерям (при условии, что его сопротивление составляет 0,03 Ом) на 0,03 дБ на низких частотах и около 0,2 дБ на частоте 20 кГц. Эти потери незначительны и слышны не будут. В отличие от этого, звон (или, в крайних случаях, самовозбуждение) выходных каскадов будет слышен (даже очень низкого уровня), как увеличение искажений, а в крайних случаях даже может разрушить выходные транзисторы.

2.4 Самовозбуждение транзисторов

Самовозбуждаться может транзисторный каскад даже с единичным усилением. В операционных усилителях и усилителях мощности на выходах обычно используются эмиттерные повторители, а отказ от изоляции транзисторного каскада от влияния соединительного кабеля может заставить каскад (и регулярно заставляет) самовозбуждаться. Для всех операционных усилителей, подключаемых к внешней периферии (к примеру, через разъемы на передней или задней панели), должен применяться последовательный резистор. Как правило, достаточно значений от 47 до 220 Ом.

Рис.2.13

Этот эффект ухудшается по мере снижения импеданса источника, но даже базовый резистор-пробка самовозбуждению не препятствует. Эффективным будет только заглушение линии передачи цепью Цобеля или последовательным сопротивлением.

Для усилителей мощности эта проблема решается с помощью цепи Цобеля, опционально с последовательной индуктивностью. Для малосигнальных каскадов разумнее использовать резистор последовательно с выходом. Обычно номинал резистора составляет от 22 до 100 Ом. Резистор можно использовать и с усилителями мощности, но за счет потери мощности, повышения тепловыделения и потери коэффициента демпфирования. Для усилителя мощности выходная индуктивность может быть заменена резистором на 1 Ом (иногда меньше), но так делается очень редко.

В нашем случае установлен не резистор, а корректирующий конденсатор (между коллектором и базой транзистора каскада усиления напряжения) с емкостью несколько больше обычной. Это позволило стабилизировать усилитель во всех рабочих режимах, но за счет скорости нарастания (и, как следствие, ограниченной скорости нарастания мощности на высоких частотах). Полная пропускная способность -- способность усилителя выдавать полную мощность во всем диапазоне рабочих частот -- это верный способ повредить слух, высокочастотные рупорные динамики (и т.д.) в условиях живой музыки, поэтому такой компромисс не являлся ограничивающим.

2.5 Выходные каскады

Основным требованием, предъявляемым к каскадам мощного усиления, является отдача в заданное сопротивление нагрузки заданной величины мощности сигнала. Эта мощность должна отдаваться при допустимом уровне нелинейных, частотных и переходных искажений. Также, необходимо возможно меньшее потребление мощности от источников питания.

Режим работы, положение точки покоя на характерискиках усилительного элемента и, если возможно, сопротивление нагрузки его выходной цепи у каскада мощного усиления выбирают, исходя из указанных выше требований. Коэффициент усиления обычно оказывается ниже, чем у предварительного каскада усиления. Но для каскада мощного усиления коэффициент усиления является второстепенным показателем.

На вход каскада мощного усиления поступает большая амплитуда сигнала, которая захватывает всю рабочую область характеристик усилительного элемента, вследствие чего его параметры за период сигнала изменяются в широких пределах.

Каскады мощного усиления сигналов произвольной формы могут работать как в режиме А, так и в режиме В. При усилении прямоугольных импульсов постоянной амплитуды наиболее выгодным является режим D.

Наиболее употребительным в каскадах мощного усиления является включение транзисторов с общим эмиттером, дающее наибольшееусиление мощности сигнала, а поэтому требующее меньшеё выходной мощности от предыдущего и наименьшее усиление от предварительного усилителя. Включение с общей базой позволяет получить меньший коэффициент гармоник и очень малое изменение свойств каскада при изменении температуры, напряжения питания, старении и замене транзистора; однако при таком включении входной ток сигнала очень велик, что обычно заставляет предыдущий каскад делать трансформаторным, а также приводит к необходимости иметь большее усиление предварительного усилителя и большую выходную мощность предыдущего каскада. Включение с общим коллектором здесь не имеет особых преимуществ и применяется редко.

Во время работы усилительного элемента электрическая энергия преобразуется в тепловую и нагревает сам элемент. У маломощных транзисторов тепло от коллекторного перехода передается корпусу и охлаждается окружающеё средой. У мощных транзисторов поверхность корпуса для охлаждения недостаточна, поэтому тепло отводят с помощью специального радиатора, имеющего большую площадь соприкосновения с откружающей средой.

Эмиттерный повторитель



Рис.2.14

Биполяный транзистор с общим коллектором имеют повышенное входное сопротивление, пониженную емкость и малое выходное сопротивление.

Так как каскад с усилительным элементом, включенным этими способами, не изменяет полярности подаваемого на него сигнала, и коэффициент усиления напряжения такого каскада обычно близок к единице, выходной сигнал почти не отличается от входного ни по фазе, ни по амлитуде; по этой причине каскады рассматриваемого типа обычно называют повторителями (в данном случае эмиттерный, в цепи которого получают «повторяемое» напряжение сигнала). Но схема с общим коллектором имеет высокий коэффициент усиления по току. Поэтому эммитерный повторитель назвают усилителем по току.

Вследствие малой входной ёмкости и очень низкого выходного сопротивления посторители имеют очень широкую полосу пропускаемых частот: поэтому, несмотря на отсутствие усиления напряжения сигнала, их используют в качестве выходного каскада при работе усилителя на нагрузку с малым сопротивлением.

Глубокая отрицательная обратная связь, которая есть в повторителе, снижает его коэффициент усиления напряжения меньше единицы в области средних часто. Однако, снижая усиления напряжения, ООС настолько улучшает частотную и переходную характеристики повторителя, что он обычно не нуждается в высокочастотной коррекции даже при использовании в широкополосных усилителях. Эквивалентная индуктивность выходной цепи транзистора при наличии ёскостной составляющей нагрузки улучшает частотную характеристику эмиттерного повторителя на верхних частотах, и при оптимальном сопротивлении нагрузки и источника сигнала и наивыгоднейшей ёмкости нагрузки площадь усиления транзистора в повторителе остаётся той же, что и при общем эмиттере.

При работе транзистора в режиме A невозможно реализовать высокий КПД усилителя. В качестве альтернативы может подойти режим работы B, но он приводит к значительным нелинейным искажениям. Однако если реализовать два усилителя, работающие в режиме B, и заставить их усиливать положительную и отрицательную полуволны синусоиды отдельно, а затем соединить эти полуволны вместе, то получится усилитель, работающий почти без искажений. В нашей схеме оконечный каскад работает по такому же принципу. Транзистор VT8 усиливает и пропускает положительную полуволну, а транзистор VT9 усиливает и пропускает только отрицательную полуволну. Далее на выходе эти полуволны складываются и получается уже полный выходной усиленный сигнал, форма сигнала восстанавливается. Стоит отметить, что на выходе возрастают переходные искажения за счёт неидеальности стыковки верхней и нижней полуволн сигнала. Поэтому в нашем случае выходные мощные каскады работают в режиме АВ, который обладает начальным смещением, что уменьшает переходные искажения сигнала, но при этом теряется экономичность и возникает опасность сквозного тока, потому что транзистор противоположного плеча полностью не закрывается.

Рис.2.15

Рис.2.16

Следует отметить, что выходное напряжение ниже входного из-за падения напряжения на эмитерном переходе:



,

Усиление мощности происходит засчёт усиления по току.

Коденсатор С19 создаёт большую связь по переменному напряжению между плечами усилителя. На выходе установлены резисторы мощностью 5 Вт, потому что на них выделяется большая мощность.



3. Разработка и проектирование электрических принципиальных схем устройства

Постановка задачи

Диапазон частот (при неравномерности АЧХ 2 дБ), Гц - (20…20000);

Номинальная выходная мощность при нагрузке 4 Ом, Вт - 30;

Коэффициент гармоник, %, не более - 0,01;

Номинальное входное напряжение, В - 0,8;

Входное сопротивление, кОм - 47;

Выходное сопротивление, Ом, не более - 8;

Относительный уровень шума и фона, Дб, не более - 90;

Рис.3.1

3.1 Расчёт оконечного каскада

Выходной каскад представляет собой двухтактный эммитерный повторитель в режиме В. Расчёт ведется с использованием графоаналитического метода.

Уравнение выходной цепи плеча на транзисторе VT8:



,

Нагрузочная прямая на семействе ВАХ транзистора VT8 проходит через точки с координатами ; и ;

Рис.3.2

Находим амплитуды выходного напряжения:

,

,

Рассчитываем напряжение источника питания с учётом потерь питающего напряжение на сопротивлении резистора R24 в эммитерной цепи VT8:

,

Где , (для кремниевых транзисторов)

Напряжение и ток покоя транзистора VT8:

,

Мощность, отдаваемая двумя транзисторами VT8 и VT9:

,

Среднее значение тока, потребляемого транзисторами VT8 и VT9 от источника питания:

,

Мощность, потребляемая каждым транзистором от источника питания:

,

Коэффициент полезного действия выходной цепи каскада:

,

Максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзисторе VT2

,

Данным параметрам соответствует комплементарная пара транзисторов VT8-KT819B, VT9-KT818B.

Расчитываем значения

Ток смещения

Амплитуда базового тока

Входное сопротивление между базой и эммитером транзистора VT8

Входное сопротивление плеча на транзисторе VT8 Амплитуда переменного напряжения на базе относительно эммитера

Амплитуда переменного напряжения на входе плеча

Мощность возбуждения выходного каскада

Коэффициент передачи напряжения

3.2 Расчёт предвыходного каскада

Рассчитываем мощность сигнала на выходе транзисторов VT5 и VT6:

,

Амплитуда переменного коллекторного тока VT5 должна быть:

,

Так как транзистор VT5 работает в режиме «А», ток в точке покоя должен быть

,



Максимальное значение коллекторного тока VT5 будет

,

Постоянное коллекторное напряжение транзистора VT5

Максимальная амплитуда переменного коллекторного напряжения

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером

Мощность, потребляемая коллекторной цепью VT5 от источника питания будет:

Мощность, рассеиваемая на коллекторе VT5:

По полученным параметрам выбираем предвыходные транзисторы VT5- BD239 и VT6- BD240

Теперь перейдём к расчёту транзистора смещения VT7 - BD135

Для расчёта сопротивлений делителя смещения в цепи базы задаются данным током делителя

,

Или же

Ориентировочная сумма резисторов

,

Расчитываем входные значения для VT5

Ток смещения

Амплитуда базового тока

Входное сопротивление между базой и эммитером транзистора VT5

Входное сопротивление плеча на транзисторе VT5

Амплитуда переменного напряжения на входе плеча

Мощность возбуждения выходного каскада

3.3 Расчёт предварительного каскада

Мощность сигнала на выходе транзистора VT1 должна быть:

,

Амплитуда переменного коллекторного тока VT5 должна быть:

,

Коллекторный ток в точке покоя должен быть

,

,

Максимальное значение коллекторного тока VT1 будет

,

Постоянное коллекторное напряжение:



,

Максимальная амплитуда переменного напряжения на коллекторе

,

Максимально возможное напряжение между коллектором и эммитером

,

Мощность, потребляемая от источника питания выходной цепью VT1

,

Мощность, рассеиваемая на коллекторе

,

Выбираем транзистор по условиям

,

,

,

,

VT1- КТ502А VT2- КТ503А VT3- КТ502А VT4- КТ503А

После выбора транзисторов определяем параметры

Ток смещения

Амплитуда базового тока

Входное сопротивление = 740 Ом

Амплитуда переменного напряжения на базе относительно эммитера

Мощность возбуждения входного каскада

Напряжение смещения на базе VT1 можно взять примерно

Сопротивление резистора в цепи коллектора выбирают в пределах

Далее выбирают ориентировочно сопротивление местной OOC

В целях повышения температурной стабильности выбирают

Тогда

Сопротивление

Коллекторная нагрузка

,

3.4 Результаты моделирования в САПР OrCad



Напряжения в схеме, рис.3.3

Токи в схеме, рис.3.4

Выделяемая мощность на элементах, рис.3.5

Входной и выходной сигналы, рис.3.6



Положительная полуволна оконечного каскада, рис.3.7

Отрицательная полуволна оконечного каскада, рис.3.8



Заключение

В данной курсовой работе мы познакомились с усилителями мощности на биполярном транзисторе, параметрами, классификациями и видами их. Далее мы, зная функциональную схему нашего устройства подобрали принципиальную электрическую схему. Описали подробно работу каждого усилительного каскада. В конце произвели расчёт принципиальной схемы, согласно нашим параметрам, и подобрали необходимые компоненты. Также, сделали математическое моделирование в САПР Orcad.