43294

Усилитель электрических колебаний звуковой частоты

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебания с некоторым уровнем мощности получить на выходной нагрузке те же колебания, но с большим уровнем мощности.

Русский

2016-08-04

561.5 KB

12 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение

высшего профессионального образования

Таганрогский государственный

радиотехнический университет

Кафедра РПрУиТВ

Пояснительная записка

к курсовому проекту на тему

«Усилитель звуковой частоты»

        Выполнил:

Студент гр. Р-33

Тихонов Н.А.

Проверил:

Шибаева Е. М.

Таганрог 2005 г.

Лист замечаний преподавателя


Содержание

1. Введение            5

2. Выбор, обоснование и расчет структурной схемы усилителя    7

3. Расчет выходного каскада         11

4. Расчет предвыходного каскада        12

5. Расчет входного каскада         12

6. Расчет стабилизирующих элементов схемы      13

7. Расчет АЧХ            14

8. Расчет темброблока          16

9. Требования к блоку питания         18

10. Моделирование           19

11. Список  литературы          20

12. Приложение           21


Кафедра РПрУиТВ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

На курсовое проектирование

Студенту Тихонову Николаю Анатольевичу Группа Р-33

По курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств»

Тема: «Усилитель звуковой частоты»

Техническое задание:

  1.  Выходная мощность, Вт       20

       

  1.  Сопротивление нагрузки, Ом       4

  1.  Входное напряжение, мВ       120

  1.  Сопротивление источника сигнала, Ом     100

  1.  Нижняя граничная частота, Гц      45

  1.  Верхняя граничная частота, кГц      18

  1.  Уровень частотных искажений, Мн=Мв     0.7

  1.  Коэффициент нелинейных искажений, %     не более 1

  1.  Предусмотреть регулировку громкости и регулировку тембра по ВЧ и НЧ

  1.   Регулировка громкости    плавная потенциометрическая

1. Введение

Усилители электрических колебаний находят все более широкое применение в самых различных областях науки, техники и производства. Являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью более сложных аппаратов, усилители нашли широкое применение в радиовещании, звуковом кино, технике звукозаписи, телевидении, радиолокации и радионавигации, ядерной физике, медицине и биологии, в системах автоматики, радиоастрономии и т.д. Даже этот, далеко не полный перечень показывает, сколь разнообразны и обширны области использования усилителей.

Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебания с некоторым уровнем мощности получить на выходной нагрузке те же колебания, но с большим уровнем мощности. Эффект увеличения мощности  (усиление) возможен только в том случае, если в самом устройстве имеется некоторый источник, из которого черпается энергия для создания увеличенной мощности на выходе.

Энергия источника питания преобразуется в энергию полезного сигнала с помощью так называемых активных элементов (униполярных и биполярных транзисторов, электронных ламп). Для связи активных элементов с источником входных колебании между собой и выходной нагрузкой, а также для того чтобы придать усилителю необходимые частотные свойства, применяют обычные пассивные элементы электрических цепей: резисторы , катушки индуктивности, конденсаторы. Активные и пассивные элементы, выполненные либо в виде отдельных дискретных деталей, либо в едином технологическом цикле как интегральная система, соединяются нужным образом (собственно усилитель) и вместе с источником питания образуют усилительное устройство. Для усиливаемых сигналов усилитель, имея два входных и два выходных зажима. Представляет собой электрический четырехполюсник.

Для того , чтобы полноценно определить назначение разрабатываемого устройства и основные его компоненты,  необходимо изучить и проанализировать классификацию усилительных устройств.

Усилители, предназначенные для совершенно разных целей, могут обладать идентичными свойствами. Поэтому классификация усилителей по их назначению мало дает для суждения о свойствах и особенностях таких устройств. Обычно при делении усилителей на типы учитывают:

  1.  Полосу и абсолютные значения усиливаемых частот.
  2.  Характер входного сигнала.
  3.  Назначение усилителя.
  4.  Вид используемых активных элементов.

По первому признаку усилители делятся на следующие типы.

Усилители постоянного тока – это устройства для усиления столь медленных колебаний, что для их неискаженного воспроизведения практически необходима полоса от fн =0 до некоторой (обычно не очень высокой) частоты fв. Существенным в этих усилителях является то, что они усиливают не только переменные составляющие входного сигнала, но и его постоянную составляющую. Усилители, неспособные усилить постоянную составляющую, относятся к усилителям переменного тока.

Усилители низкой частоты (УНЧ) – устройства, эффективно усиливающие переменные составляющие сигнала в диапазоне от заданной низкой частоты (>0) до некоторой высокой частоты. Называть  такие устройства усилителями низкой частоты можно только условно. Дело в том. Что по абсолютному значению высшая из усиливаемых частот может быть как сравнительно низкой(10-15 кГц при усилении речи и музыки), так и очень высокой (50-100 МГц при усилении импульсных сигналов). Обычно усилители этого типа имеют большое отношение:102-106. Усилители, имеющие верхнюю частоту более 100 кГц, принято называть широкополосными.

Усилители высокой частоты (УВЧ) – устройства для усиления радиосигналов со спектром. Сосредоточенным в относительно узкой полосе около центральной (высокой) частоты f0. Характерным для них являются условия: fв/ fн=1, fв -fн<< f0.

Они определяют группу селективных (избирательных) усилителей.

По второму признаку усилители можно подразделить на усилители непрерывных(гармонических) сигналов и на усилители импульсных сигналов. К первой группе относятся устройства для усиления сигналов, изменяющихся во времени столь медленно, что с процессом их установления в усилителе можно не5 считаться, а ко второй – устройства, в которых входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний в усилителе является определяющим при нахождении формы выходного сигнала.

По третьему признаку усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основной задачей усиления является повышение (усиление) входного напряжения до необходимого значения, то усилитель относят к усилителям напряжения. Если основным является усиление входного тока до нужного уровня, то усилитель относят к усилителям тока. В обоих случаях происходит усиление мощности сигнала (в противном случае вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). Однако обычно усилителями мощности называют выходные каскады усилителя, способные отдать во внешнюю нагрузку заданную мощность.

Четвертый признак характеризует усилитель по виду примененных в нем активных элементов. В качестве активных элементов, способных преобразовать энергию источника питания в энергию полезного сигнала, чаще всего используются полевые и биполярные транзисторы. Существенно реже в усилительных схемах используют активные элементы в виде нелинейных индуктивностей или емкостей и специальные типы полупроводниковых диодов.

В соответствии с видом примененного активного элемента усилители делятся на транзисторные, магнитные(индуктивные), диэлектрические(емкостные), диодные и ламповые.

Зная классификацию усилительных устройств, нужно определить к каким классам принадлежит разрабатываемое в курсовом проекте устройство, а именно усилитель звуковых частот, с характеристиками, приведенными в техническом задании.

 Техническое задание было выбрано, с целью создать усилитель, при помощи которого можно было бы решать реальные повседневные задачи. Исходная по техническому заданию мощность (2 Вт) слишком мала, в связи с этим было принято решение о перемене некоторых характеристик. Было решено, что усилитель должен быть пригоден для использования в качестве усилителя в настольной компьютерной акустической системе (активной), что предусматривает наличие темброблока, мощность около 20 Вт, и частотный диапазон в области средних частот, так как динамические головки такой акустики и небольшой корпус не позволят воспроизводить частоты ниже 40-50 Гц, а для повышения качества ВЧ необходимо введение дополнительной ВЧ динамической головки, что недопустимо в связи с малым корпусом и необходимостью снизить затраты на реализацию устройства.

  


2.
Выбор, обоснование и расчет структурной схемы усилителя

В соответствии с техническим заданием нужно получить на нагрузке с сопротивлением Rн=4 Ом мощность 20 Вт. Значит напряжение на выходе должно составлять

                

В то же время выходной ток усилителя

.

Входной каскад осуществляет передачу входного сигнала от источника во входную цепь первого последующего каскада. Основной функцией входного каскада является обеспечение необходимого входного сопротивления. Для построения схемы входного каскада усилителя применен ОУ, так как он обладает приведенным выше свойством, кроме того, у него почти нулевое выходное сопротивление, также, благодаря применению данного схемного решения можно уменьшить количество каскадов предварительного усиления. При этом следует учитывать снижение или повышение входного сопротивления за счет введения обратных связей.

Каскады предварительного усиления предназначены для усиления напряжения, тока и мощности до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощности. Для построения схемы каскада предварительного усиления используется схема с ОЭ. Количество каскадов предварительного усиления определяется необходимым усилением.

Каскад усиления мощности должен обеспечить согласование высокого выходного сопротивления КПУ и низкого сопротивления нагрузки, усиления сигнала по току и подачу его в нагрузку  с минимальными искажениями его формы.

Отрицательная обратная связь предназначена для стабилизации режима по постоянному току, задания требуемого коэффициента усиления, а также снижения коэффициента нелинейных искажений. Осуществляется она путем  передачи сигнала из выходной цепи во входную в противофазе, то есть выходной сигнал вычитается из входного.

Определение входного сопротивления УНЧ.

Обычно величину входного сопротивления определяют из условия: Rвх должно быть гораздо больше  Rи, чтобы не произошло рассеивание входной мощности на источнике сигнала.

С другой стороны нельзя брать слишком большое Rвх, чтобы на вход усилителя не наводились слишком большие по амплитуде шумы.

Определим необходимый коэффициент усиления по напряжению Ku .

  

Определение напряжения питания УНЧ Eп.

Также следует учесть выполнение условия:

 

=1 В, значит напряжение питания не должно быть меньше 13.6 В. Для “повышения” режимов выходных транзисторов и, соответственно улучшения параметров усилителя (с потерями КПД) выбрано напряжение питания Eп=25В.

Также следует учесть коэффициент использования блока питания. Питание для выбранной схемы необходимо взять двухполярное.

Проведем предварительный расчет распределения коэффициентов каскадов по структурной схеме усилителя.

Входной каскад выбран на ОУ: он будет давать основной вклад в усиление по напряжению с учетом ООС.

 Kuобщ=80.

Положим коэффициент усиления входного каскада на ОУ равным Kuоу=55-60 с учетом дальнейшего применения общих и местных ООС.

Тогда для каскадов предварительного усиления полагается коэффициент усиления равный Ku ОЭ=13 с учетом применения местной ООС по току.

Каскады с ОК, как известно, усиления по напряжению не дают и исходя из этого с учетом потерь положим его равным KuОК =0,9- 0.97.

С учетом требований к функциональным узлам схемы усилителя, выбираем схемы соответствующих каскадов.

Входной каскад– схема с интегральным ОУ, включенный по схеме с неинвертирующим  входом.

Каскад предварительного усиления – каскад на биполярных транзисторах, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Межкаскадная связь выбрана гальванической, т.к. она не вносит нелинейных  и частотных искажений.

Выходной каскад – бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности, собранный на биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором. Данный каскад позволяет осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов, имеет хорошие частотные и амплитудные характеристики. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные обратные связи, что существенно улучшает преобразовательные характеристики всего каскада.

При составлении схем  выходного и предоконечного каскадов, необходимо учесть следующие момент: в режиме покоя напряжение база-эмиттер каждого транзистора выходного каскада должно варьироваться от 0 до, приблизительно, 0.7В. С учетом того факта, что потенциалы эмиттеров данных транзисторов равны 0, потенциал базы должен соответственно варьироваться от 0 до 0.7В. Потенциал базы задается коллекторным резистором предоконечного каскада. При этом на предоконечный каскад необходимо подать двуполярное питание. При этом следует учитывать, что с увеличением напряжения база - эмиттер увеличивается ток коллектора соответствующего транзистора, что приводит к уменьшению нелинейных искажений данного каскада, но в тоже время и к уменьшению КПД.


3.
Расчет выходного каскада

Учитывая, что основные нелинейные искажения возникают на выходных транзисторах, найдем максимально допустимый ток коллектора покоя IкVT5, IкVT6 . Увеличение этих токов позволит вывести точку покоя как можно ближе к линейному участку входной характеристики выходных транзисторов, что и уменьшает нелинейные искажения.

Транзисторы выбираем по значениям тока и напряжения нагрузки и напряжения питания: КТ 817Г () и КТ816Г (). По входным и входным характеристикам определим рабочую точку, которую выбираем сначала на входных характеристиках (определяя ток базы в участке графика, где начинается приращение тока базы, там он становиться более линейным), а потом на выходных.

Параметры рабочей точки:

Если ток базы неуправляемый равен I0VT4= 2…3 mA, то ток базы в рабочей точке следует выбрать немного выше

IбVT4= 0.5  mA

IкVT4= 10 mA

UбэVT4= 0,62 В

Uкэ нас.VT4= 1,5…2 В

Определим h-параметры транзистора VT5:

h21=40

g11= ΔIбVT4/ ΔUбэVT4=(4-0.1)*0.001/(0,8-0,6)= 19.5 мСм

h11= 52 Ом

g21= ΔImвых./ ΔUбэVT4=4,5/(0,9-0,65)= 18См

    Ku= g21*Rн/(1+ g21*Rн)= 0.025*4/(1+ 0.025*4)= 0,91

Подсчитаем входные сопротивления транзистора VT4 и Всего каскада с ОК.

Rвх.тр.==577 0м

Диод VD6 обеспечивает термостабилизацию выходного каскада (в зависимости от тока, протекающего в диоде, изменяется напряжение, падающее на нем и, соответственно, напряжение на базах выходного каскада, т. е. если ток базы возрос - напряжение база- эмиттер уменьшилось).

Iд max= IбVT5 max=200….250 mA

Uд= Uкэ VT3+ Uкэ VT4+ U R21 +U R20≤20 в

В качестве диода для термостабилизации возьмем КД105Б.


4. Расчет предвыходного каскада

Транзисторы выбираем, аналогичным образом, по напряжениям база – коллектор и базовому току выходного каскада. Транзисторы предвыходного каскада берем КТ315Д и КТ316Д().

Предвыходной каскад включен по схеме с ОЭ, его можно “посчитать” не используя входные и выходные характеристики (хотя по выходным характеристикам можно подсчитать h11).

h21=20

Ikm=100mA

Ukэ=40 В.

Ток базы можно вычислить по характеристикам: он равен IбVT3=0,5 …0,6мА

R16 – фиксирует ток базы.

Ku=Rk/Rэ(по приближенной формуле)

Rk=Ku*Rэ=13*47=630 Ом=R21

Iб=Eп/R16

R16=25/3=8.3кОм

Ik=Iэ=h21*Iб=60мА

5. Расчет входного каскада

Он определяет такие параметры как напряжение смещения нуля и его температурную стабильность. От него зависит соотношение сигнал/шум и скорость нарастания выходного напряжения. Входной каскад построен на ОУ с неинвертирующим входом.

Коэффициент усиления такого каскада определяется ООС.

Кu= 1+  

Достоинство этого усилителя- высокое входное сопротивление, определяющееся резистором R10=100 кОм

Для поддержания нуля на выходе R10 должен быть равным R12

 R12=R10=100кОм

Коэффициент усиления определяет R11, т.е. если Кu=59, то R11=1.5 кОм


6.Расчет стабилизирующих элементов схемы

R22 и C11 являются эквивалентами нагрузки, поэтому примем их равными :

R22=10 Ом

C11= 0.1мкФ

Питание ОУ обеспечивает параметрический стабилизатор на стабилитроне, напряжение стабилизации должно быть равным порядка 12…15 В. Стабилитрон  выбираем Д814Д.

Можно включить в цепь стабилитрона резистор, который будет служить ограничителем по току.

Eп-Uст=I R15

R15=1.5 кОм.

Поскольку усилитель имет2 плеча, то следует равенство элементов схемы:

                    R16=R17, R21=R20, R18=R19,C9=C10,VD1=VD2, VD3=VD4.
7.
Расчет АЧХ


 8. Расчет темброблока

Регулировка тембра основана на изменении АЧХ усилителя в определенной области. Простейшие регуляторы тембра изменяют АЧХ только в области ВЧ. Наиболее сложные многополосные регуляторы тембра изменяют АЧХ в различных областях частот. Они применяются в высококачественной аппаратуре для воспроизведения звука. От темброблока  зависят уровень шума, коэффициент гармоник, диапазон регулирования АЧХ. Сейчас широко распространены регуляторы тембра с применением активных элементов – транзисторов и ОУ. Используем схему регулятора, в которой регулировка усиления осуществляется за счет изменения только глубины ООС:

С делителя R1 – R3 (на НЧ сопротивлением С1 можно пренебречь) через R4 сигнал поступает на вход ОУ  DA1 . В среднем положении движка R2  К=1 . В крайних положения уменьшается в  (R1+R2)/R3 раз ( увеличивается в (R3+R2)/R1 раз ). С увеличением  f  емкостное сопротивление С1 уменьшается и шунтирует R2, так что на СЧ К не зависит от положения движка резистора R2 и определяется отношением R3/R1. При дальнейшем увеличении частоты входного сигнала емкостное сопротивление С2 становится меньше сопротивления переменного резистора R7, и на вход ОУ начинает поступать сигнал с его движка . При крайних положениях движка усиление на ВЧ уменьшается ( увеличивается ) в (R6+R7)/R8 ((R7+R8)/R6) раз.

Для схемы усилителя  регулятор тембра с диапазоном  регулирования на низких частотах ( f = 45 Гц ) и высоких ( f = 18 кГц) звуковых частотах будет иметь следующие параметры .

В качестве активного элемента выберем ОУ с Rвх>100 кОм . Для регулирования тембра используем резисторы ( R2 ,R7 ) по 47 кОм . Из условия R4 = R5 2*R2 94 кОм , выбираем ближайший в сторону увеличения номинал сопротивления резисторов R4, R5 – 100 кОм , который не превышает Rвх ОУ . Тогда :

R1 = R3 = R6 = R8 = 47000 /1,4*10 = 3,3 кОм  

C2 = 1/ (2fнR2) = 1/ (2*60*47000) = 75 нФ

С3 = (1+в)/ (4fвR4) = (1+10)/ (4*12000*100000) = 0,49 нФ

С1 (R1+R6)/ (2fнR1R6) = (2*3300)/ (2*45*3300*3300) = 2 мкФ

Достаточно взять  С1 =С4 =С5 = 2 мкФ . Rвхmin =(R1*R6)/(R1+R6)=1,6 кОм.  

Для данного активного темброблока используем компактный, недорогой, двухканальный (преимущество при проектировании стерео усилителей) малошумящий усилитель К574УД15. Питание К574УД15 от блока питания усилителя .

Для регулировки громкости используем переменный резистор сопротивлением в 5 –10 раз меньше Rвх.


9. Требования к блоку питания

Основные требования к блоку питания определяются типом, мощностью усилителя, условиями его работы. Они включают в себя: напряжение на выходе блока питания и допустимые пределы его изменения ; максимальный и минимальный токи нагрузки ; выходное сопротивление для переменного и постоянного токов ; допустимое напряжение пульсаций ; пределы изменения окружающей температуры .   

Напряжение на выходе БП, ток и выходное сопротивление определяются в основном схемой и режимом работы транзисторов оконечного каскада. Используем для проектируемого усилителя блок питания с несимметричным выходом(однополярное питание) с подключением нагрузки через разделительный конденсатор.  

Питание для данной схемы двухполярное, предварительный усилитель и темброблок питаются от этого же источника питания.


10.
Моделирование


Список использованной литературы.

  1.  М. Кауфман, А. Сидман. Практичекое руководство по расчётам схем в электронике, Справочник.т.1. Под ред. Ф.Н. Покровского. Энергоатомиздат, 1991.
  2.  Справочная книга радиолюбителя-конструктора. Под ред Н.И. Чистякова.
  3.  Проектирование УУ под ред Н.В. Терпугова М. ВШ 1982.
  4.  Д.И. Атаев, В.А. Болотников. Функциональные узлы усилителей высококачественного воспроизведения. М. Радиосвязь 1984.
  5.  Расчет электронных схем/ Г.И. Изъюрова и др М. ВШ, 1987.
  6.  Л.Е. Варакин Бестрансформаторные усилители мощности. М. 6 Радио и связь.1984.
  7.  Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М. Мир. 1991.
  8.  Б.И Горошков. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. М.: Радио и связь. 1988.


Приложение

Характеристики транзистора КТ816Г


PAGE  23


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38786. Техническая характеристика грузового автомобиля ЗИЛ-130 1.06 MB
  Для обеспечения длительной и безопасной работы автомобиля при проведении ТО сборочные единицы смазывают. Места агрегатов автомобиля требующие периодически пополнения или смены масла и смазок указаны в таблице смазывания таблица №7. Замену масла смазку сборочных единиц и их соединений выполняют при неработающем двигателе. При замене масла в картере двигателя и в других сборочных единицах сливают масло сразу после остановки автомобиля когда оно горячее.
38787. ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЁТА ПРОЧИХ ДОХОДОВ И РАСХОДОВ ООО «СТРОЙИНДУСТРИЯ» 263.5 KB
  Доходы и расходы: понятие их сущность значение виды 10 1. Проанализировать прочие доходы и расходы. Предметом исследования являются прочие доходы и расходы ООО Стройиндустрия.Доходы и расходы: понятие их сущность значения виды В соответствии с п.
38789. Конкурентоспособность и ее повышение ООО «Урал-инструмент-Пумори» 1.13 MB
  Продвижение товара с помощью интернеттехнологий. Повышение конкурентоспособности ООО УралинструментПумори на основе интернеттехнологий продвижения товара. Организационная структура управления ООО УралинструментПумори. Экспертная оценка конкурентоспособности ООО УралинструментПумори.
38790. ДИНАМИКА ЦЕННОСТНЫХ ОРИЕНТАЦИЙ МОЛОДЕЖИ В ОТНОШЕНИИ СЕМЬИ И БРАКА В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ РОССИЙСКОГО СОЦИУМА 758 KB
  Теоретикометодологические основы исследования и ценностных ориентаций молодежи в отношении семьи и брака. Некоторые теоретические подходы к изучению ценностных ориентаций молодежи в отношении семьи и брака. Факторы формирования и тенденции развития ценностных ориентаций современной российской молодежи в отношении семьи и брака.
38791. Влияние восстановленного глутатиона и ингибитора каталазы на пероксидную резистентность и скорость лизиса эритроцитов при действии хлорида железа 650 KB
  Установлено, что при ингибировании каталазной активности азидом натрия, в том числе при действии хлорида железа скорость гемолиза эритроцитов возрастает. Хлорид железа (III) в концентрации 0,5% вызывал полный лизис эритроцитов человека за 5 мин инкубации с максимумом лизиса от 1,5 до 3,5 минут инкубации вне зависимости от предварительной обработки эритроцитов
38792. Методы оценки кредитоспособности ссудозаемщика коммерческого банка 1.08 MB
  Кредит выступает опорой современной экономики, неотъемлемым элементом экономического развития. Его используют как крупные предприятия и объединения, так и малые производственные, сельскохозяйственные и торговые структуры; как государства, правительства, так и отдельные граждане. Он становится неизбежным атрибутом товарного хозяйства.
38793. Лісові природно-заповідні території як осередки еволюційного збереження лісового дендрофіторізноманіття 403 KB
  Сучасний стан лісових генетичних ресурсів та стратегії їх збереження. Стратегії збереження генетичної мінливості лісової дендрофлори. Підходи до збереження генетичної мінливості лісового генофонду. Збереження видів деревних рослин іn situ.