Технические дисциплины - Схемотехника

1. Введение

Усилители звуковой частоты применяются во всех частях тракта радиовещания: студийной, передающей, приёмной. УЗЧ так же применяются в каналах записи и воспроизведения звука. Кроме радиовещания они широко используются в различных областях техники. Основное назначение усилителей мощности - это усиление сигнала, т. е. при подаче на вход УМ электрического сигнала малой мощности на нагрузке получается сигнал той же формы, но большей мощности. Для усиления сигнала используется энергия источника питания при помощи усилительных элементов.

Усилители звуковых частот делятся на две группы: усилители недетерминированных сигналов и усилители детерминированных сигналов. К первой группе относятся усилители, работающие от звуковых сигналов после их преобразования в электрические. Назначением этих усилителей является передача звуковой информации. Усилители этой группы входят в состав аппаратуры вещания, а также звукового кино. Ко второй группе относятся усилители, входящие в состав устройств автоматического управления и контроля, а также усилители измерительных устройств.

Требования к электрическим параметрам усилителей звуковых сигналов на основе компромисса между соображениями о качестве воспроизведения и экономичности. При этом для головных звеньев тракта передачи (радиовещательных и телевизионных центров) и для магистральных кабельных  и радио релейных линий, обслуживающих весьма большие контингенты слушателей и зрителей, электроакустические показатели выбираются предельно высокими, а для распределительной и приемной сетей (усилительные станции проводного вещания, радиовещательные и телевизионные приемники) по экономическим соображениям – существенно более низкими. Вследствие массовости и больших суммарных мощностей усилителей распределительной и приемной сетей большое значение приобретает требование высокой энергетической эффективности. При этом методы и возможные пределы повышения этой эффективности определяются свойствами звукового сигнала.

 

2. Структурная схема усилителя

 

Структурные схемы применяются для упрощённого изображения схем электронных устройств, в том числе и схем усилителей. Структурная схема состоит из прямоугольников, обозначающих основные узлы устройства. Структурные схемы называют также блок-схемой или функциональной схемой.

Рассмотрим назначение и структуру основных узлов усилителя мощности (рис. 1).

 

ООС

 

 

Предварительный                    Оконечный                           Нагрузка

усилитель                             усилитель

 

 

 

Блок питания

 

 

ис. 1

 

Входное устройство служит для передачи сигнала от источника сигнала во входную цепь предварительного усилителя тогда, когда прямое подключение к источнику сигнала невозможно или нецелесообразно. В нашем случае это конденсатор, который предотвращает попадание постоянной составляющей на вход предварительного усилителя.

Регулятор усиления используется для обеспечения желаемой мощности на выходе усилителя. Его работа основана на изменении коэффициента делителя напряжения.

Предварительный усилитель используется для усиления напряжения, тока и мощности сигнала до величины необходимой для подачи на вход оконечного усилителя мощности.

Оконечный усилитель предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. Транзисторные усилители с выходной мощностью в несколько ватт и более делают двух- и трёхкаскадные, т. к. последний каскад требует подачи на вход значительной мощности сигнала.

Отрицательная обратная связь (ООС) охватывает усилитель и требуется для понижения нелинейных искажений усилителя, вносимых оконечным каскадом усилителя мощности и для повышения стабильности. Но при этом понижается коэффициент усиления каскадов охваченных ООС.

Выходное устройство служит для передачи усиленного сигнала из выходной цепи в нагрузку. Применяется когда непосредственное подключение нагрузки невозможно или нецелесообразно. Конденсатор используется для разделения постоянных составляющих тока и напряжения выходной цепи и нагрузки.

Источник питания используется для питания усилителя, его энергия преобразуется в энергию усиленного сигнала.

 

3.Расчёт усилителя мощности

3.1. Расчёт оконечного каскада.

Усилитель мощности построен по схеме: двухтактный, бестрансформаторный на составных транзисторах. Достоинства такой схемы следующие:

А) Высокий КПД, т. к. выходной каскад работает в режиме B.

Б) Свойство схемы компенсировать чётные гармоники.

В) Достаточно подобрать один транзистор, входящий в оконечный каскад, другой будет такой же.

При расчёте оконечного каскада основными исходными величинами являются мощность усилителя Pн, сопротивление его нагрузки Rн, нижняя и верхняя рабочие частоты fн и fв , коэффициент гармоник Kг. Заданная мощность в нагрузке обеспечивается выбором напряжения источника питания и типом оконечных транзисторов.

Найдём напряжение источника питания                                       Рис. 2

_______            ______

E = Ö 8*Pн*Rн /x = Ö 8*18*8 /0,9 = 37,7 В.

Для выбора оконечных транзисторов найти амплитуду напряжения на нагрузке _______      _______

Uкm = Ö 2*Pн*Rн = Ö 2*18*8 = 16,97 В

и амплитуду коллекторного тока

Iкm = Uкm /Rн = 16,97/8 = 2,12 А.

Постоянное и переменное напряжение в выходной цепи каскада создают максимальное напряжение между коллектором и эмиттером

Uкэ max = E/2+Uкm =37,7/2+16,97 = 35,82 В.

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора в режиме B, равна

Pк max =E2/(4*p2Rн) = 37,72/(4*3.142*8) = 4,5 Вт.

Предельная частота оконечных транзисторов должна быть следующая

fh21э =(2…3)*fв = 3*12*103 = 36 кГц.

По рассчитанным данным Iкm, Uкэ max, Pк max, fh21э выберем оконечные транзисторы VT4, VT5. Этим данным удовлетворяет транзистор КТ803А. Границы изменения коэффициента передачи тока у него следующие h21эmin=10, h21эmax=70. Тогда среднее значение

___________        _____

h21э = Ö h21эmin*h21эmax = Ö 10*70 = 26,46.

Для построения нагрузочной прямой вычислим Uкэ и Iк

Uкэ = Е/2 = 18,85 В, Iк = E /(2*Rн) =37,7/(2*8) = 2,4 А.

 

Рис. 3

 

Определим фактически отдаваемую оконечными транзисторами мощность

Pвых = Uкm*Iкm/2 = 16,97*2,12/2 =18 Вт.

Значит необходимая мощность возможна.

По выходным характеристикам определим ток базы: Iбm = 125 мА, а по входным напряжение на базе Uбэm = 1,6 В.

Теперь выберем предоконечные транзисторы VT2 и VT3 и сделаем расчёт их режимов работы. Амплитуда переменной составляющей тока коллектора предоконечного транзистора

I’кm =(1,2…1,5)*Iбm = 1,3*125*10-3 =

= 162,5 мА.

Ток покоя лучше задавать только в предоконечных транзисторах, обеспечивая падение напряжения на резисторах R5 и R6 порядка 0.4 В. Для того, чтобы получить достаточно низкий уровень переходных искажений, выбираем наименьшую  допустимую величину тока покоя

I’ок=(0,05…0,1)*I’кm=0,07*162,5*10-3 = 11,38 мА.                              Рис.4

Тогда сопротивление резисторов R6 и R7 будут равны

R6=R7=0,4/I’ок = 0,4/(11,38*10-3) = 35,15 Ом.

Уточним амплитуду коллекторного тока предоконечных транзисторов

I’кm = Iбm+Uбэm /R6 = 125*10-3 +1,6/35,15 = 170,5 мА.

Максимальная мощность рассеяния на предоконечных транзисторах

P’к max = I’ок*E/2 + (0.3…0.4)*Pн /h21э = 11,38*10-3*37,7/2+

+0,3*18/26,46 = 0,42 Вт.

Выберем предоконечные транзисторы p-n-p КТ502Г и n-p-n КТ503Г. Границы изменения коэффициента передачи тока у них следующие h’21эmin = 80, h’21эmax = 240. Тогда среднее значение

_____________      ______

h’21э = Ö h’21эmin*h’21эmax = Ö 80*240 =138,6.

Рассчитаем токи базовой цепи

I’бm = I’кm/h’21э =170,5*10-3/138,6 =1,23 мА,

I’б0 = I’ок/h’21э = 11,38*10-3/138,6 = 82 мкА.

По входным характеристикам для транзистора VT2 определяем величину U’бэm=0,78 В, а для транзисторов VT2 и VT3 соответственно величины U’бэ02 = 0,65 В и U’бэ03 = 0,57 В. Найдём напряжение смещения между базами транзисторов VT2 и VT3

Uсм = U’бэ02 + U’бэ03 + UR6 = 0,65 + 0,57 + + 0,4 = 1,62 В.

Рис. 5

Рис. 6

Напряжение смещения обеспечивается термостабилизирующими элементами, например диодами. Для того чтобы при максимальном входном сигнале диоды не запирались, выбираем ток смещения

 

 

 

Iсм >(2…3)*I’бm = 3*1,23 = 3,69 мА.

Выберем диод МД3. По статическим характеристикам найдём соответствующее току Iсм напряжение на диоде.

Uд = 0,8 В

Необходимое число диодов 2 штуки.

Рис. 7

3.2. Расчёт нелинейных искажений.

Для определения нелинейных искажений оконечного каскада необходимо построить сквозную динамическую характеристику, устанавливающую зависимость тока Iк в нагрузке Rн от входного напряжения каскада U1, т. е. Iк = f(U1). С учётом присущей эмиттерному повторителю обратной связи входное напряжение

U1=U’бэ+Uбэ+Iк*Rн.

Для построения сквозной характеристики одного плеча достаточно трёх точек.

1-ая точка:

Iк = Iкm = 2,12 А

U1max = U’бэm + Uбэm + Uнm = 0,78 +1,6 + 16,97 = 19,35 В

2-ая точка:

Iк @ 0,5*Iкm = 0,5*2,12 =1,06 А

Iб = Iк/h21э = 1,06/26,46 = 40,1 мА

По входной характеристике VT4 находим Uбэ = 1,25 В. Рассчитаем токи предоконечного транзистора:

I’к = Iб + Uбэ /R6 = 40,1*10-3 + 1,25/35,15 = 75,66 мА,

I’б = I’к /h’21э = 45,66*10-3/138,6 = 545,9 мкА.

 

По входным характеристикам предоконечного транзистора находим

U’бэ = 0,72 В и определяем значение U1

U1 = U’бэm + Uбэm + Iк*Rн = 0,72 + 1,25 + 1,06*8 = 10,45 В.

3-я точка:

Iк=Iок=0, Iб=0, Uбэ=0,5,

I’к = Iб + Uбэ /R6 = 0 + 0,5/35,15 = 14,22 мА, I’б = I’к /h’21э = 14,22*10-3/138,6 =

= 102,63 мкА, U’бэ = 0,66 В,

U1min = U’бэm + Uбэm + Iк*Rн = 0,66 + 0,5 = 1,16 В

По трем точкам строим сквозную характеристику для одного плеча. Ток Iк = Iкm = 2,12 А соответствует амплитуде входного сигнала

U1m = U1max -U1min = 19,35 –1,16 = 18,19 В.

Половине амплитуды входного сигнала соответствует ток Iк =Iк1, который определяется по величине входного сигнала

U1 = U1min + 0,5*U1m = 1,16 + 0,5*18,19 = = 10,26 В.

По характеристике найдём Iк1 =1 А. Значения токов Iкm, Iк1, Iок с учётом асимметрии плеч являются исходными для определения сквозной динамической характеристики. Если параметры оконечных транзисторов отличаются не более чем на 15…20%, то

при определении сквозной динамической                                             Рис.8                 характеристики коэффициент асимметрии b = 0,15…0,2. Возьмем b = 0,2

Применим метод пяти ординат.

Imax = Iкm*(1+b) = 2,12*(1+0.2) = 2,544 А,

I0 = Iок*(1+b) - Iок*(1+b) = 2*b*Iок = 2*0,2*0 = 0 А,

I1 = Iк1*(1+b) = 1*(1+0.2) = 1,2 А,

I2 = -Iк1*(1-b) = -1*(1-0.2) = -0,8 А,

Imin = -Iкm*(1-b) = -2,12*(1-0.2) = -1,696 А.

Метод пяти ординат основан на разложении искажённой кривой тока в ряд Фурье при его ограничении членом, соответствующий 4-й гармонике. При этом сопротивление цепи, в которой протекает рассматриваемый ток, предполагается чисто активным, в результате чего начальные фазы гармоник оказываются равными 0 или p. Средние значения тока и амплитуды токов гармоник получаются из следующих выражений:

Iср = (Imax+Imin+2*(I1+I2))/6 = (2,554-1,696+2*(1,2-0,8))/6 = 0,275 А,

I1m = (Imax-Imin+I1-I2)/3 = (2,554+1,696+1,2+0,8)/3 = 2,08 А,

I2m = (Imax+Imin-2*I0)/4 = (2,54-1,696-0)/4 = 0,212 А,

I3m = (Imax-Imin-2*(I1-I2))/6 = (2,544+1,696-2*(1,2+0,8))/6 = 0,04 мА,

I4m = (Imax+Imin-4*(I1+I2)+6*I0)/12 = (2,544-1,696-4*(1,2-0,8)+6*0)/12 =

= -0,063 А.

Проверим правильность расчёта разложения

Iср+I1m+I2m+I3m+I4m=Imax

0,275 + 2,08 + 0,212 + 0,04 - 0,063 = 2,544 А = Imax.

Значит разложение верно.

Коэффициент гармонических нелинейных искажений каскада определяется по следующей формуле                    __________

kг = Ö d22+d32+d42 *100%,

где d2, d3, d4 -нормированные величины гармоник.

d2 = I2m/I1m = 0,212/2,08 = 0,102,

d3 = I3m/I1m = 0,04/2,08 = 0,019,

d4 = I4m/I1m = -0,063/2,08 = -0,03,

kг= (0,102)2 + (0,019)2 + (-0,03)2*100% = 10.8%.

3.3. Расчет ГСТ.

Транзистор VT1 выберем однотипным с транзистором VT3. Учитывая, что ток коллектора транзистора VT1 Iк = Iсм, определим его ток базы

Iб = Iк /h’21э = 5*10-3/138,6 = 36,08 мкА,

по входной характеристики находим Uбэ = 0,61 В. В качестве стабистора VD2 возьмем стабилитрон Д814А. Uст = 8 В, Iст = 5 мА.

В цепи эмиттера транзистора VT1 должно быть напряжение

Uэ = Uст – Uбэ = 8 – 0,61 = 7,39 В,

R4 = (E – Uст)/(Iб + Iст) = (37,7-8)/(25,32*10-3 + 5*10-3) = 5,91 кОм,

R5 = Uэ /Iст = 7,39/*10-3 = 2 кОм.

Рис. 9

3.4. Выбор каскадов предварительного усиления.

В качестве предварительного усилителя возьмём микросхему К237УН2.

 

Рис. 10

 

R1’ = 15 кОм, R2’ = 5 кОм, R3’ = 45 Ом, R4’ = 850 Ом, R5’ = 10 кОм,

R6’ = 5 кОм, R7’ = 2,2 кОм, R8’ = 20 кОм, R9’ = 100 Ом, R10’ = 4 кОм,

R11’ = 3 кОм, R12’ = 4 кОм, R13’ = 25 Ом, R14’ = 1,5 кОм, R15’ = 25 Ом.

Так как питание микросхемы (7,2 ¸ 15) В, а у нас 37,7 В, то рассчитаем делитель. В качестве стабилизатора напряжения возьмем стабилитрон Д818А

Uст = 11,25 В, Iст = 10 мА.

Рассчитаем резистор:

Pпот = Iпот*Uст/2 , Iпот = 2*Pпот /Uст = 2*135*10-3/11,25 = 24 мА,

R3 = (E – Uст)/(Iст + Iпот) = (37,7-11,25)/(24*10-3 + 10*10-3) = 777,94 Ом.

Так как заданы нелинейные искажения Kг <3%, а получилось 10.8%, то необходимо ввести отрицательную обратную связь для понижения искажений. Необходимая глубина обратной связи

F = kг расч /kг зад = 10,8/3 = 3,6.

Для определения коэффициента передачи цепи обратной связи b нужно найти входное сопротивление транзистора VT2’. Полагая, что на резисторе R8 падает около половины напряжения питания микросхемы, подаваемого на вывод 9, находим ток транзистора VT2’

Iэ = 5,625/R8’ = 5,625/20*103 = 0,28 мА.

Тогда сопротивление его эмиттера

rэ2 = 26/Iэ, мА = 26/0,28 = 92,86 Ом.

Принимая для транзистора VT2’ h21э =50, найдем его входное сопротивление:

Rвх2 = (rэ2+R9’)*(1+ h21э) = (92,86+100)*(1+50) = 9,84 кОм.

Цепь ООС по переменному току состоит из двух делителей, результирущий коэффициент передачи которых

b = Rb*RА/((R7’+Rb)*(R5’+RА)) @ Rb*RА/(R7’*(R5’+RA)),

где Rb = R1+R3’, RA = R6’*Rвх2/( R6’+Rвх2) = 5*103*9,84*103/(5*103 +9,84*103) = 3,32 кОм.

Для расчета глубины ООС необходимо знать исходный коэффициент усиления ИС  К012, где К1 – коэффициент передачи с базы VT2’ на базу VT5’, К2 – коэффициент передачи с базы на коллектор транзистора VT5’. Измерения показывают, что коэффициент К1 составляет 2500 [9]. Так как сопротивление ГСТ по переменному току велико, то коллекторной нагрузкой транзистора VT5’ является входное сопротивление составного эмиттерного повторителя (оконечного каскада)  Rвх ок @ h’21э*h21э*Rн, где h’21э, h21э – коэффициенты передачи тока транзисторов VT2, VT4. Rвх ок = 26,46*138,6*8 = 29,34 кОм. Коэффициент передачи каскада на транзисторе VT5’ K2 = Sд* Rвх ок , где Sд = 1/(rэ5 + R15’ ) – динамическая крутизна транзистора VT5’, rэ5 = 26/ Iсм, мА = 26/5 = 5,2 Ом.

Sд = 1/(5,2+25) = 33,11 мА/В ,

К2 = 33,11*10-3*29,34*103 = 971,52 ,

K0 = 2500*971,52 = 2,43*10 6 .

Коэффициент передачи ИС с ОС:

Kb = K0/F = 2,43*106/3,6 =675*10 3.

По формуле b = (F-1)/K0 найдем необходимый коэффициент передачи цепи ОС

b = (3,6-1)/2.43*106 = 1,07*10 -6.

Фактическая величина коэффициента гармоник

kг ос = kг /F =10,81/3,6 = 3%.

Найдем Rb

Rb = b*R7’*(R5’+RA)/RA = 1,07*10-6*2,2*103(10*103+3,32*103)/3,32*103 =

= 0,009 Ом.

Рассчитаем величину корректирующего конденсатора С3

fпb = 10*fв =10*12*103 = 120 кГц,

Частота полюса

fп = fпb*Kb /F = fпb /F = 120*103/3,6 = 33,33 кГц,

Rвх5 = (rэ5 + R15’)*(1+h21э) = (5,2+25)*(1+24,46) = 786,89 Ом,

Rэкв = (R12’* Rвх5)*(R12'+ Rвх5) = (4*103*768,89)/(4*103+768,89) = 644,42 Ом,

Сэкв = 1/(2*p*fп*Rэкв ) = 1/(2*3,14*33,33*103*644,92) = 7,4 нФ,

С3 = Сэкв /(1+K2 ) Сэкв /K2 = 7,4*10 –9/971,52 = 7,62 пФ

3.5. Расчёт выходного устройства.

 

В качестве выходного устройства будем использовать конденсатор. Его ёмкость                                                               _______

C5=1/(2*p*fн*Rн*Ö M2нк –1 )

Mнк = 100,05*Mнк ,дБ = 100,05*1,5 = 1,19

_______

С5 = 1/(2*3,14*40*8*Ö 1,192-1 ) = 771,03 мкФ

3.6. Расчет входного устройства.

 

В качестве выходного устройства будем использовать конденсатор. Его ёмкость                                                               _______

C1=1/(2*p*fн*Ri*Ö M2нк –1 )

Mнк = 100,05*Mнк ,дБ = 100,05*1,5 = 1,19

_______

С1 = 1/(2*3,14*40*250*Ö 1,192-1) = 24,67 мкФ

 

3.7. Расчёт регулятора усиления

рис. 10

Так как регулировка усиления плавная –28 дБ, то применим потенциометр группы B.

Для расчёта R1 можно воспользоваться формулой

R1=4*((2*p*fв*C0/  M2вр-1)-1/Rвх)-1-Ri.

В результате анализа R1 получается отрицательным, то есть R1-любое.

Пусть R1=47 кОм.

Рис. 11

Литература:

  1. Аналоговые электронные устройства: Методические указания к курсовой работе / Рязан. радиотехн. ин-т; Сост. Д.И.Попов. Рязань, 1992.
  2. Регулировка усиления: Методические указания к курсовому проекту / Рязан. радиотехн. ин-т; Сост. В.С.Осокин. Рязань, 1990.
  3. Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот / Безладнов Н.Л., Герценштейн Б.Я., Кожаков В.К.; Под ред. Н.Л. Безладнова. – М.: Связь, 1978.
  4. Усилительные устройства на транзисторах (проектирование) / Мигулин И.Н., Чаповский М.З. Киев: Изд. “Техника”, 1974.
  5. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В.Баюков, А.Б.Гитцевич, А.А.Зайцев и др.; Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1984.
  6. Интегральные микросхемы: Справочник / Б.В.Тарабрин, Л.Ф.Лунин, Ю.Н.Смирнов и др.; Под ред. Б.В.Тарабрина. – М.; Радио и связь,1984.
  7. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М.Брежнева, Е.И.Гантман, Т.И.Давыдова и др. Под ред. Б.П.Перльмана. – М.: Радио и связь, 1981.
  8. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. – М.: Радио и связь, 1977.
  9. Усилители на интегральных микросхемах: Учебное пособие. / В.Н.Ногин. – Горький: Изд. ГПИ, 1981.

10.  Конспект лекций по курсу “Аналоговые электронные устройства”.

Содержание

 

1.  Введение  ..........................................................................................  1

2.  Структурная схема усилителя  ...........................................................  2

3.  Расчёт усилителя мощности  ............................................................... 3

3.1.        Расчет оконечного каскада  .................................................. 3

3.2.        Расчет нелинейных искажений  ............................................ 6

3.3.        Расчет ГСТ  ............................................................................. 8

3.4.        Выбор каскадов предварительного усиления  ..................... 8

3.5.        Расчет выходного устройства  ..........................................  10

3.6.        Расчет входного устройства  ...............................................  10

3.7.        Расчет регулятора усиления  ...............................................  10

4.  Литература  ...........................................................................................  11

5.  Спецификация  ................................................................................. 13

 

 

Обоз наче ни

Название

Кол

Примечание

Элементы схемы

R1

Резистор СП2 – 3В              47 кОм

1

R2

Резистор МЛТ – 0.25            1 Ом

1

R3

Резистор МЛТ – 0.25       7,5 кОм

1

R4

Резистор МЛТ – 0.25       6,2 кОм

1

R5

Резистор МЛТ – 0.25           2 кОм

1

R6, R7

Резистор МЛТ – 0.25           36 Ом

2

C1

Конденсатор МБГ             24 мкФ

1

C2

Конденсатор КСО-1           100 пФ

1

C3

Конденсатор КСО-7             50 пФ

1

C4

Конденсатор КГК-1           7,5 мкФ

1

C5

Конденсатор К50-3А       1000 мкФ

1

VD1

Стабилитрон                       Д818А

1

VD2

Стабилитрон                       Д814А

VD3-VD4

Диоды                                        МД3

2

VT1, VT3

Транзисторы                       КТ502Г

2

VT2

Транзисторы                       КТ503Г

1

VT4, VT5

Транзисторы                      КТ803А

2

DA1

Микросхема                     К237УН2

1

 

 

В тексте есть схемы и формулы.

Работа пересылается по заявке!

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить