43411

Усилитель мощности звуковой частоты

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Очень широкое применение в современной технике имеют усилители у которых как управляющая так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов. Усилители электрических сигналов далее просто усилители применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании радиолокации радионавигации радиопеленгации телевидении звуковом кино дальней проводной связи технике радиоизмерений где они...

Русский

2013-11-05

296.5 KB

3 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту

по курсу «СТАЭУ»

«Усилитель мощности

звуковой частоты»

Выполнил студент гр.   

Р-20  Кравцов Н.В    .

Проверила:     

Шибаева Е.М     

Таганрог 2002

Техническое задание.

       Необходимо самостоятельно разработать и рассчитать усилитель, с указанными ниже параметрами, а также сделать выводы о сфере применения данного устройства в какой-либо отрасли науки и техники. Кроме того нужно проанализировать разработанное устройство с точки зрения экономической выгодности, устойчивости работы его в различных климатических условиях, и в результате полного анализа добавить или убрать какие-либо функциональные узлы, для достижения наилучшего результата.

Номинальная выходная мощность 20 Вт.

Сопротивление нагрузки 8 Ом.

Номинальное напряжение входного сигнала 80 мВ.

Внутреннее сопротивление источника входного сигнала 60 Ом.

Допустимый уровень нелинейных искажений 0,15%.

Допустимый уровень искажений на нижней граничной частоте 0,85.

Допустимый уровень искажений на верхней граничной частоте 0,8.

Верхняя граничная частота 20 кГц.

Нижняя граничная частота 30 Гц.

Регулировка тембра ВЧ, НЧ.

Регулировка усиления плавная потенциометрическая.

Температурный интервал: 3-35°С.

Особенности усилителя- Стерео.

Введение

Общие понятия

В современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

Частный случай управления энергией, при котором процесс управления является плавным и однозначным и управляемая мощность превышает управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые электрические колебания поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся, - входной цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, назовем основным источником питания. Кроме него, усилитель может иметь и другие источники питания, энергия которых не преобразуется в электрические колебания. Устройство, являющееся потребителем усиленных электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

Усилители электрических сигналов (далее просто усилители), применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

Типы усилителей

Усилители делятся на ряд типов по различным признакам. По роду усиливаемых электрических сигналов усилители можно разделить на две группы:

– усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.

– усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной величины и формы.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:

– усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.

– усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.

– усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.

– усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

Усилители низкой частоты характеризуются большим отношением высшей рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10 - 500 для усилителей звуковых частот и превышающим 105 для некоторых типов видеоусилителей. Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называются широкополосными усилителями.

Избирательные усилители усиливают электрические сигналы  в очень узкой полосе частот.

Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет вспомогательную роль.

Для усиления напряжения звуковых частот наиболее пригоден каскад с общим эмиттером, так как он имеет более высокое входное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с каскадом с общей базой.

Анализ технического задания.

В результате анализа технического задания были сделаны следующие выводы:

  1.  Предлагаемые характеристики соответствуют бытовому усилителю низкой частоты среднего класса. Поэтому:

а.) Не требуется дополнительных средств защиты электронных схем от              повышенной влажности, запыленности, а также от действия агрессивных сред.

б.) Нет жестких ограничений на массу и габариты усилителя, так как предполагается что он стационарный.

в.) Желательно выполнить данное устройство на самой современной и распространенной элементной базе.

г.) Необходимо найти наилучшее соотношение Цена-Качество.

  1.  Внимательно изучив технические характеристики устройства, а также продумав элементную базу, было решено увеличить выходную мощность устройства исходя из большого запаса мощности выходного каскада и экономических соображений.

  1.  Принимая в учет малое  напряжение и сопротивление источника входного сигнала, рационально использовать на входе операционный усилитель, так как его выходного напряжения вполне хватит для раскачки выходного каскада, а также благодаря его наличию, можно не учитывать нелинейные искажения каскада предварительного усиления (В качестве него используется ОУ).  

  1.  В техническом задании указано наличие двух регуляторов тембра. Лучше всего их сделать активными, поскольку современная аппаратура усиления не использует пассивные регуляторы, так как в этом случае исключается возможность поднятия АЧХ в той или иной области частот.         

 

Выбор, обоснование и расчет

Структурной схемы УМЗЧ.

При анализе технического задания вскользь упоминалось об использовании операционного усилителя в качестве каскада предварительного усиления. При составлении электрической схемы появилась идея использования ОУ и в качестве ПУ и в качестве активного регулятора тембра, для чего в цепь ООС включают дополнительно переменный резистор и конденсатор. Простое схемное решение позволяет уменьшить количество транзисторов в схеме, а значит упростить её расчет. Вместо транзисторов будут использованы операционные усилители, что никак не скажется на себестоимости данного аппарата. Структурная схема усилителя представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.

  1.  Потенциометрический регулятор громкости.
  2.  Каскад предварительного усиления на ОУ.
  3.  Выходной каскад УМЗЧ.
  4.  Схема защиты от короткого замыкания.
  5.  Цепь ООС с 2-х полосным регулятором тембра.

Расчет структурной схемы сводится к распределению коэффициента усиления между каскадами, а это в свою очередь определяет напряжение и ток, необходимый для полной раскачки выходного каскада и выходная мощность, требуемая по техническому заданию.

Для нормальной работы оконечного каскада необходимо напряжение равное 16 В, то есть коэффициент усиления ПУ=200 .

 

 

РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА.

Первоначальный отбор транзисторов производится исходя из допустимой мощности на коллекторе  Рк max и максимальной амплитуде коллекторного тока Iк max.

Рк max>=(0.25-0.3) Рвых  = 6 Вт.

Iк max>=(вых/Rн)^1/2 = 2,23 А.

В качестве комплиментарной пары выбираем транзисторы КТ818АМ и

КТ819АМ.

ЭДС источника питания выбираем из учета формулы:

 2Uкэ max>=Eп>=2(Uнач+Umн),

где Uнач – начальное напряжение коллектор-эмитер, а              Umн=>=(вых*Rн)^1/2=17,9 В.

Наличие в схеме ОУ, Uпит которого <= +-20 В, указывает на необходимость делителя напряжения или стабилизатора. Принципиальная схема блока питания представлена в приложении 5.

Выбор рабочего напряжения лежит в пределах:

120 В>Eп>41,8 В

Выбираем Eп=48 В. (+- 24 В)

По входной характеристике транзисторов (см Приложение 1), определяем исходную рабочую точку:

 Uбэо=0,725 В  Iбо=40 мА

Используя выходные характеристики транзисторов, указанные в приложении 2, через точки

Uкэ= Eп/2    и      Iк= Eп/(2*Rн)  

проводим нагрузочную прямую и определяем исходный коллекторный ток:

 Iко=0,5 А.

Необходимо проверить возможность получения заданной выходной мощности, для чего строим треугольник мощности со сторонами

 Umн=17,9 В  Imн=2,23 А

Pвых=0,5*17,9*2,23=20 Вт

По входной и выходной характеристике транзисторов (см приложение 1 и 2) строим сквозную характеристику (зависимость тока коллектора от входного напряжения) без учета ООС (см приложение 6). По сквозной характеристике находим коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике:

          Rгз=     I1-2I2           =0,0356

                               2(I1+I2)

По входной и выходным характеристикам определяем g21:

        g21= Imн/ Umбэ=44,6 А/В

Отсюда глубина обратной связи  

       F=1+g21*Rн=357

Коэффициент нелинейных искажений с учетом ООС:

 Rгзf= Rгз/ F=0,0001

Так как схема имеет два плеча, даже подбирая наиболее подходящую комплиментарную пару транзисторов невозможно добиться полной идентичности этих плеч, поэтому вводится коэффициент асимметрии –Х

Пусть Х=0,5 тогда коэффициент нелинейных искажений во второй гармонике

 Rг2=Х/2(2+Х)=0,1

А с учетом ООС  

 Rг2f=0,00028

Общий коэффициент нелинейных искажений вычисляется по формуле:

       (Rгзf)^2 + (Rг2f)^2  =0,0003

 

Полученные данные гораздо лучше априорных данных, что является несомненным достоинством разрабатываемой схемы.

ВЫБОР И РАСЧЕТ ДИОДА.

  Так как на необходимо напряжение между базами двух транзисторов = 1,45 В , то вряд ли любой диод может дать такое смещение , поэтому проще поставить два диода последовательно, чтобы обеспечить требуемое напряжение смещения. Исходя из вольт - амперной характеристики диода (см Приложение 3), получаем, что напряжение на нем должно составлять 0,725 В, при токе I=0,4А. При этом выполняется условие, что Iд>(2-3)Iбо.

Находим сопротивления резисторов

R21=R22 =(Eп-2Uбэо)/Iд=118 Ом.

Rдел=R22/2 = 59 Ом.

Входная проводимость транзистора

g11=Imб/Umбэ=1,2 См.

Произведем расчет входного сопротивления каскада с учетом ООС:

Rвх =F*Rдел /(F+g11*Rдел)=50 Ом

Коэффициент усиления по напряжению выходного каскада рассчитывается по следующей формуле:

Ко =g21*Rн /(1+g21*Rн)

Как видно из формулы,  коэффициент усиления по напряжению всегда меньше 1. В данном случае Ко =0,997.

Тогда амплитуда входного сигнала

Um вх= Umно=18 В,

а амплитуда входного тока

Im вx= Um вх/ Rвх=0,3 А.

В техническом задании были также  указаны максимальные частотные искажения. Для данного усилителя они должны составлять 0,85 (НЧ) и 0,8 (ВЧ).

  Задаваясь нижней граничной частотой Fн=20 Гц и Мн= 0,85, рассчитываем емкость разделительного конденсатора:

  Ср=  (Мн)־²-1)/(2*π*fн*Rн) = 4*10^(-4)= 400 мкФ

Ср= С2526

  Свх=  (Мв)־²-1)/(2*π*fв*Rн)=0,5 мкФ

 

  Свх= С15= С16


Расчет активного темброблока

с регулятором громкости.

(левый канал)

Для нормальной раскачки выходного каскада необходимо входное напряжение поднять в ~ 200 раз. Для этого рационально использовать операционный усилитель, тем более что для этого необходимо рассчитать лишь глубину ООС.

Составим упрощенную схему ОУ с ООС:

                            R2

Uвх           R1

   

 Uвых

      Коэффициент передачи такой схемы определяется номиналами резисторов , и равен:

     K=R2/R1

На принципиальной схеме (см Приложение 4) вместо резистора R1 выступают резисторы R1+R2 ( для ФНЧ) и R1+R2+RC11 (для ФВЧ), а вместо резистора R2 выступают (R3+R4)||RC7 (для ФНЧ) и R7+R8 (для ФВЧ). То есть коэффициент передачи активных фильтров будет определяться выражениями:

       

(R3+R4)||RC7/ R1+R2 – ФНЧ   и

 

 R7+R8/ R1+R2+RC11 ФВЧ 

RC7=1/(2*π*f*C7)          RC11=1/(2*π*f*C11)

Нам известно что отношение R2/R1 должно быть равно 200, поэтому не сложно вычислить емкость конденсаторов и номиналы необходимых резисторов, принимая во внимание что регулировать тембра необходимо в пределах +- 10 дб  то есть ~ +- 3 раза.

      Делаем вывод, что сопротивление резистора R2 должно быть в 200 раз меньше (R3+R4)||RC7 а резистор R4 должен менять общее сопротивление (на частоте среза фильтра)  (R3+R4)||RC7 в 6раз (+- 3раза от среднего положения).

       В результате небольших выкладок, рассчитываем элементы ФНЧ, считая, что частота среза у него 400 Гц.

Получаем:

   R2=200 Ом

   R3=4000 Ом

   R4=36000 Ом

   С7=0,1 мкф.

   Для регулировки громкости достаточно диапазона 60 дб, то есть R1+R2 должно быть в 1000 раз больше чем (R3+R4)||RC7 , поэтому сопротивление R1 лежит в районе 200 кОМ.

    Исходя из вышеизложенных соображений рассчитывается и ФВЧ.

Для него были получены следующие номиналы резисторов:

     R7=8 кОМ

     R8=12 кОМ

     С11=0,1мкф

Принципиальная схема правого канала полностью идентична левому, поэтому нет смысла его рассчитывать еще раз.

 

       

 Примечание:

Конденсаторы С8,С9,С10 и резисторы R5 и R6 ,а также элементы, включенные таким же образом на остальных ОУ являются цепочками частотной коррекции. Их номиналы не рассчитываются, а указываются в основной схеме включения:

 R5=820 ОМ

 R6=200 ОМ

С8=100 пФ

С9=100 пФ

         С10=200 пФ

Заключение:

В данной работе был рассчитан полный УМЗЧ. Применяя современную элементную базу удалось спроектировать простое и качественное устройство, которое удовлетворяет исходным априорным данным. Применение так называемой «гибридной» схемы построения ( совместное использование ОУ и транзисторного каскада ) позволило максимально уменьшить количество используемых деталей, а также упростить расчет всей схемы.  В данной схеме отсутствуют цепи НЧ и ВЧ коррекции, но несмотря на это АЧХ данного усилителя (см Приложение 7)имеет вполне приемлемую форму.   Использование импортного ОУ позволило обойтись без дополнительного промежуточного каскада усиления ( Внимательно просматривая характеристики отечественных ОУ не удалось найти прибор, который бы мог обеспечить необходимое напряжение и ток для раскачки оконечного каскада).

  


Список используемой

Литературы.

  1.  Терпугов Н.В. «Проектирование усилительных устройств.
  2.  Лысенко Е.В. «Функциональные элементы релейных устройств на интегральных микросхемах.
  3.  Гусев Е.М. «Элетроника».
  4.  МУ №
  5.  «Отечественные полупроводниковые приборы».


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67103. Загальношкільний захід учнів 1-4 класів, присвячений Дню Збройних Сил України 57 KB
  А першими захисниками нашої неньки України були козаки. Демонструйте свою спритність Розум а ще вроду Щоб гриміло: разом Козацькому роду нема переводу Козаки Сини Твоєї Батьківщини В них сила духу непоборна Козацтво слава України Це гордість наша всенародна Зустрічайте наших учасників звучить марш...
67104. НАЩАДКИ КОЗАЦЬКОЇ СЛАВИ 843 KB
  Державний та козацький прапори дозволяється внести учням 4-а класу Онищіку Михайлу; бронзовому призеру Донецької обл. по военно-спортивному многоборью.та учню 4-б класу Гладкову Дані; бронзовому призеру чемпіону Європи "Боевое многоборье"
67105. Труднощі навчання в школі, конфліктні ситуації з учителем, труднощі під час письма 40.5 KB
  Мета: формувати уявлення дітей про труднощі навчання в школі, конфлікти з учителем, труднощі, які виникають під час засвоєння навиків письма; розвивати уміння аналізувати ситуацію, робити висновки; виховувати почуття доброти, співпереживання, милосердя...
67106. Напевно диво-казка тут живе 1.03 MB
  Ключові компетентності (загальнопізнавальні цілі): розширити уявлення учнів про казку; вчити учнів слухати, читати, аналізувати зміст казок, глибоко відчувати казку, її добрих героїв, засуджувати жадібність, хитрість, жорстокість, зло, боротися з ними у повсякденному житті; знайомити учнів із казками, створеними однолітками...
67107. Казки про тварин 37.5 KB
  Мета: Ознайомити дітей з різноманіттям казок,в яких зустрічаються тварини. Розвивати у дітей активність, ініціативність, вміння висловлювати оцінювальні судження, адекватні моральні оцінки поведінки героїв казок. Виховувати у дітей шанобливе ставлення до тварин, спостережливість за їх життям.
67108. Народні казки 149 KB
  Мета. Формування ключових компетентностей: вміння вчитися – самоорганізовуватися до навчальної діяльності у взаємодії; загальнокультурної – дотримуватися норм мовленнєвої культури, зв'язно висловлюватися в контексті змісту; соціальної – проектувати стратегії своєї поведінки з урахуванням інтересів та потреб інших...
67109. Київ – столиця України 503.5 KB
  Повідомлення теми і мети уроку Сьогодні ми перевернемо деякі сторінки історії міста Києва познайомимось з історичними версіями назв районів міста його вулиць. Вивчення нового матеріалу Давайте разом перегорнемо сторінки історії утворення Києва столиці нашої країни. Над Подолом районом Києва висяться ще дві гори...