49604

Усилитель звуковой частоты на биполярных транзисторах отечественного производства

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Выбор обоснование и расчет структурной схемы усилителя. Расчет АЧХ усилителя. На их основе можно сконструировать отдельные каскады и структурные блоки усилителя мощности. Выбор того или иного варианта реализации усилителя зависит от поставленной перед инженером задачи простоты исполнения и экономических соображений.

Русский

2016-08-04

667.5 KB

20 чел.

15

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра РПрУ и ТВ

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по курсу

Схемотехника аналоговых электронных устройств

на тему:

«Усилитель звуковой частоты»

Выполнил:               студент гр. Р-53                                                                      Светличный И. В.

Руководитель  

старший преподаватель                                      Шибаева Е.М.

Таганрог 2006г.

 Содержание

Введение.

  1.  Выбор, обоснование и расчет структурной схемы усилителя.
  2.  Расчет схемы электрической принципиальной.
  3.  Расчет АЧХ усилителя.
  4.  Описание конструкции.
  5.  Требования к источнику питания.

Заключение.

Список использованной литературы.


Техническое задание

Номинальная выходная мощность                               4,5Вт

Сопротивление нагрузки                                                4Ом

Номинальное напряжение входного сигнала              25мВ

Внутренне сопротивление источника входного

сигнала                                                                             200 Ом

Допустимый уровень нелинейных искажений              1 %

Допустимый уровень искажений на граничных

частотах                                                                            0,7

                                                                                          0,7

Верхняя граничная частота                                              12 кГц

Нижняя граничная частота                                               30  Гц

Регулировка тембра                                                              НЧ и ВЧ

Регулировка усиления                                        плавная потенциометрическая   

Введение 

  В современной усилительной технике широко используются бестрансформаторные усилители мощности, которые, имея сравнительно малые габариты, обеспечивают высококачественное воспроизведение. Также широко применяются схемы в интегральном исполнении, которые могут содержать десятки тысяч элементов. С их помощью возможна реализация усилителей мощности с низким уровнем шумов, большой полосой пропускания, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Большое распространение получили усилители мощности на основе операционных усилителей. На их основе можно сконструировать отдельные каскады и структурные блоки усилителя мощности. Выбор того или иного варианта реализации усилителя зависит от поставленной перед инженером задачи, простоты исполнения и экономических соображений.  

 

 В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению полосы пропускания усилителей мощности до 50-60 кГц и уменьшению коэффициента нелинейных искажений до тысячных долей процента, что позволяет добиться естественности звучания.

  Современные усилители небольшой мощности (до нескольких десятков ватт), выполненные по бестрансформаторным схемам, имеют небольшие габариты и стоимость. Для уменьшения нелинейных искажений в выходных каскадах применяют двухтактные схемы. Такие схемы выполняют на комплементарных транзисторах, что упрощает схемные построения.  

1. Выбор, обоснование и расчет структурной схемы усилителя.

В соответствии с техническим заданием нужно получить на нагрузке с сопротивлением Rн=4 Ом мощность 4,5 Вт. Значит напряжение на выходе должно составлять

.

В то же время выходной ток усилителя

.

При этом на входе усилителя действует сигнал с действующим значением напряжения Uвх=25 мВ при выходном сопротивлении источника сигнала

Rи=0.2 кОм. Значит, усилитель должен усилить сигнал по напряжению в Кн раз, где . К тому же еще нужно обеспечить согласование с нагрузкой. Обычно задачи согласования решаются с помощью усилителя тока. Применим в усилителе каскадное соединение предварительных каскадов, представляющих собой регулятор тембра, регулируемый усилитель напряжения и выходной каскад усиления тока (см. рис.1.1).

Регулятор тембра выполним по схеме, приведенной на рис.1.2. С помощью потенциометра на входе получаем возможность регулировки громкости.

              

 

  

 Рис1.2 Принципиальная схема регулятора тембра.

Теперь выберем усилитель напряжения. Так как требуется получить коэффициент усиления по напряжению Кн=240, то достаточно применить два каскада усиления напряжения, выполненных на биполярных транзисторах по схеме с общим эмиттером. Принципиальная схема такого усилителя напряжения показана на рис. 1.3.

Ввиду того, что номинальная мощность на нагрузке довольно высока, применим в качестве выходного каскада бестрансформаторный усилитель, выполненный по двухтактной схеме. Двухтактная схема может работать в режиме класса АВ, обеспечивая довольно высокий КПД при приемлемых уровнях нелинейных искажений. Выберем схему, изображенную на рис. 1.4.

Соединив последовательно в соответствии с рис.1.1 изображенные на рис.1.2 – рис.1.4 устройства, получим принципиальную схему требуемого усилителя, изображенную на рис.1.5. Также выберем частоту раздела ФНЧ и ФВЧ регулятора тембра равной 1кГц.


Рис. 1.5 Принципиальная схема усилителя


2. Расчёт схемы электрической принципиальной.

Современная элементная база весьма разнообразна. Промышленность выпускает много типов маломощных транзисторов с довольно высоким h21Э. Выберем для работы в усилителе напряжения транзисторы КТ315Е, имеющие высокий коэффициент h21Э=120600. В выходном каскаде применим комплементарную пару транзисторов КТ818В (p-n-p) и КТ819В (n-p-n).

Рассчитаем схему, представленную на рис.1.4. Исходными данными для расчетов являются мощность, отдаваемая в нагрузку Рвых, и сопротивление нагрузки Rн. Расчет удобно производить графо-аналитическим методом для одного плеча усилителя.

Выбранные транзисторы удовлетворяют условиям

,

,

По входной характеристике транзистора КТ819В определяем исходную рабочую точку: UБЭ0=1В, IБ0=10∙10-3А. ЭДС источника питания находим из условия:

,

где  - допустимое коллекторное напряжение;  - начальное напряжение коллектор-эмиттер;  - амплитуда напряжения на нагрузке. Возьмем начальное напряжение , тогда

.

Возьмем  и применим двухполярное питание выходного каскада. Значит, нужно иметь источник питания, обеспечивающий два разнополярных относительно общего провода источника с выходным напряжением . В таком случае нагрузка подсоединяется непосредственно к выходу усилителя, чем достигается уменьшение частотных искажений в области НЧ, и не требуется подключения разделительного конденсатора с довольно большой ёмкостью.

По точкам а и b (рис.2.1), соответствующим  и , проводят нагрузочную прямую. Точку а принимаем за начало координат и строим треугольник мощности со сторонами ,  и оценивают возможность получения заданной мощности. Найдем эту мощность:.

 

Найдем коэффициент нелинейных искажений. Для этого по входной и

выходной характеристикам построим сквозную характеристику транзистора , включенного в верхнее плечо схемы, без учета действия ООС. (рис.2.3).

Найдем коэффициент нелинейных искажений без ООС:

.

Глубина обратной связи. Тогда коэффициент нелинейных искажений с учетом ООС:

.

Задаемся коэффициентом асимметрии плеч схемы х=0.5. Тогда коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике

.

С учетом ООС: . Значит общий коэффициент нелинейных искажений:

.

Выбираем кремниевые диоды типа КД510А.  Поскольку Iбо=10мА,   ток диода, из условия Iд>(2÷3)IБ0 , равен 30 мА.  При протекании тока в 30 мА через диод падение напряжения на нем составляет 1В, т. е. половину от необходимого значения, поэтому используем два диода. Теперь найдем R17:

.

 для оконечного каскада( с порядковым номером 3):

.

где - входное сопротивление транзистора, равное 30 Ом

Коэффициент усиления по напряжению зададим равным K3= 0.99, тогда напряжение на входе каскада равно Uвх=6.1 В

Пусть каскад на транзисторе VT2 усиливает сигнал от 1В на входе предоконечного каскада до уровня 6.1В на входе оконечного, т. е. K2= 6.1

Величину R15 зададим равной 20 Ом( меньше, чем входное сопротивление последующего каскада). Учтем коэффициент передачи делителя, образованного R15 и Rвх. Тогда уточненный коэффициент передачи

.

Значит при заданном К2, требуемое значение R16:

.

Тогда

.

Чтобы обеспечить ток покоя, напряжение база-эмиттер VT2 должно составлять 0.5 В. Значит, падение напряжения на резисторе R14:

.

Считаем что только делитель R13 R14 определяет рабочую точку VT2. Возьмем ток делителя . Тогда

, .

                       

Для согласования первого и второго каскадов выберем R11= 30 Ом.

Коэффициент усиления для первого каскада:

Найдем R12

Режим работы транзистора VT1 аналогичен VT2, поэтому

 

                

Рассмотрим регулятор тембра, принципиальная схема которого изображена на рис.1.2.

 

С делителя напряжения, образованного резисторами R2 и R7 через резистор R5, сигнал  поступает  на вход ОУ DA1. В среднем положении движка резистора R4 коэффициент передачи K=1, в крайних положениях R4 коэффициент передачи уменьшается или увеличивается  соответственно:

С увеличением частоты емкостное сопротивление С2 уменьшается и шунтирует резистор R4. На средних частотах коэффициент передачи не зависит от положения движка резистора R4   R2 и определяется соотношением: . При дальнейшем увеличении частоты входного сигнала емкостное сопротивление С2 становится меньше сопротивления переменного резистора R4и на вход ОУ поступает сигнал с его движка. При крайних положениях  R4 усиление на высоких  частотах уменьшается или увеличивается соответственно:

Для получения линейной АЧХ при средних положениях движков резисторов R4 и R6 необходимо, чтобы сопротивления R2 и R3 были соответственно равны: R2= R7, R3= R8.

Частотный диапазон  fН = 150 Гц ; fВ = 16000 Гц.

Диапазон регулирования тембра принимаем равным 18 dB, что соответствует

Взаимное влияние регуляторов тембра практически отсутствует, так как

.

В качестве активного элемента выберем ОУ типа К553УД2. Для регулирования тембра используем переменные резисторы R4, R6 группы А, с номинальным сопротивлением 22 кОм. Из условия R5 > 2 R4 = 44 кОм

Выберем ближайшее значение по ГОСТу R5 = 47 кОм

Сопротивления резисторов R1, R3 и R6, R8 рассчитываем по формуле:

Выберем ближайшее значение по ГОСТу  R1 = R3= R6 = R8 = 2 кОм

Для регулировки громкости необходимо применить переменный резистор с изменением сопротивления по логарифмическому  закону. Выберем резистор по ГОСТу СП3-17В  22 кОм.

Определим величины конденсаторов С1, С2 и С3 

, выберем С2 = 300 нФ

, выберем С3 = 510 пФ

, выберем С1 = 0,1 мкФ

 

Рассчитаем конденсаторы С4, С5

                                

3.Расчет АЧХ

АЧХ и ФЧХ усилителя на средних частотах 100 Гц 10 кГц практически не зависит от частоты и представляет собой постоянную величину. Коэффициент усиления на средних частотах определяется формулой:

где S - крутизна характеристики усилителя

S= 1,5/0,025=60

- эквивалентное сопротивление нагрузки =4 тогда    = 240

Коэффициент усиления К() в области низких частот f < 1000 Гц

 

Нормированный коэффициент усиления

 

ФЧХ усилителя в области нижних частот

 

4. Описание конструкции.

Данный усилитель представляет собой двухтактный усилитель мощности на составных транзистора. Содержит активный регулятор тембра, имеющий ФНЧ и ФВЧ с частотой среза 1кГц. Мощные транзисторы необходимо установить на теплоотвод. Во избежание выхода из строя выходных транзисторов их корпуса должны иметь хороший тепловой контакт (контактируемые поверхности смазать теплопроводящей пастой). Площадь теплоотвода должна быть не менее 200. Теплоотводы выходных транзисторов не должны иметь между собой электрический контакт.

5. Требования к источнику питания.

В данной конструкции предъявляются довольно высокие требования к источнику питания, так как он должен обеспечивать довольно высокую стабильность при достаточно большом диапазоне выходных токов. К тому же требуется применение двуполярного питания. значит требуется применение стабилизатора напряжения. Основная трудность заключается в разработке двуполярного стабилизатора напряжения, обеспечивающего стабильные и равные напряжения ±9В.

В принципе выходной каскад можно питать нестабилизированным напряжением при условии, что каскады, усиливающие напряжение, будут питаться от однополярного высокостабильного источника с напряжением +18 В. 

Заключение.

При выполнении требований технического задания была синтезирована принципиальная схема усилителя с заданными характеристиками. Усилитель выполнен на биполярных транзисторах отечественного производства. В выходном каскаде применена комплементарная пара составных транзисторов, работающих в экономичном режиме АВ. В усилителе напряжения применены транзисторы с большим значением коэффициента передачи по току. Именно поэтому удалось обойтись всего двумя каскадами усиления напряжения.

Существенным недостатком данного усилителя являются довольно высокие требования источника питания, которые могут несколько затруднить конструирование такой схемы.

Дата завершения проекта     Подпись

_______________________      ____________

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.  Л.Е. Варакин Бестрансформаторные усилители мощности. М. 6 Радио и связь.1984.
  6.  Б.И Горошков. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. М.: Радио и связь. 1988.

ЦТРК.030348.001.3

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Светличный И

Усилитель звуковых частот

Схема принципиальная

Лит.

Лист.

Листов

Пров.

Шибаева Е.М.

У

Р-53

Н.контр.

.

Утв.

Расчет АЧХ

АЧХ и ФЧХ усилителя на средних частотах 100 Гц 10 кГц практически не зависит от частоты и представляет собой постоянную величину. Коэффициент усиления на средних частотах определяется формулой:

где S - крутизна характеристики усилителя

Коэффициент усиления К() в области низких частот f < 1000 Гц

 

Нормированный коэффициент усиления

 

ФЧХ усилителя в области нижних частот

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17337. ЕКОНОМІЧНА ДУМКА В УКРАЇНІ 269.5 KB
  ЕКОНОМІЧНА ДУМКА В УКРАЇНІ Економічна думка в Україні має багатовікову історію. У цьому розділі розглянуто лише економічну думку другої половини ХІХ ст. коли відбувалися величезні зрушення в економіце та соціальній структурі суспільства. Ліквідація кріпацтва при
17338. КЕЙНСІАНСТВО ТА ЙОГО ОСОБЛИВОСТІ В РІЗНИХ КРАЇНАХ 209.5 KB
  КЕЙНСІАНСТВО ТА ЙОГО ОСОБЛИВОСТІ В РІЗНИХ КРАЇНАХ Сучасна захiдна економiчна теорiя характеризується неоднорідністю наявністю багатьох напрямків шкіл течій. Така різноманітність є наслідком передовсім розбіжностей у визначенні предмета дослідження й теоретичног
17339. ЕВОЛЮЦІЯ НЕОКЛАСИЧНИХ ІДЕЙ.НЕОЛІБЕРАЛІЗМ 490 KB
  ЕВОЛЮЦІЯ НЕОКЛАСИЧНИХ ІДЕЙ.НЕОЛІБЕРАЛІЗМ 1. Еволюція неокласичних ідей у ХХ ст. Монополізація економіки виникнення державномонополістичної форми власності усесвітня економічна криза 20 30х рр. поставили під сумнів основні постулати ортодоксального неокласи...
17340. ІНСТИТУЦІОНАЛІЗМ 278.5 KB
  ІНСТИТУЦІОНАЛІЗМ Інституціоналізм своєрідний напрям в економічній науці. Його своєрідність полягає насамперед у тім що прихильники інституціоналізму в основу аналізу беруть не тільки економічні проблеми а звязують їх з проблемами соціальними політичними ет...
17341. ЕКОНОМІЧНІ КОНЦЕПЦІЇ СОЦІАЛ-ДЕМОКРАТІЇ 199 KB
  ЕКОНОМІЧНІ КОНЦЕПЦІЇ СОЦІАЛДЕМОКРАТІЇ Соціалдемократичний рух в економічному та політичному відношенні є нині досить впливовою силою яка значною мірою визначає напрями сучасного розвитку різних держав світу. Історія його формування тісно звязана з еволюцією
17342. РАДЯНСЬКА ЕКОНОМІЧНА НАУКА 192.5 KB
  РАДЯНСЬКА ЕКОНОМІЧНА НАУКА 1. Основні етапи становлення й розвитку економічної науки в СРСР Сучасна світова економічна думка формувалась обєднуючи різноманітні напрямки економічного знання. Вона синтезувала досягнення цілих поколінь добираючи раціональне та в
17343. Введение в курс Системное проектирование телекоммуникационных систем 87 KB
  Лекция 1. Введение в курс Системное проектирование телекоммуникационных систем 1.1.Общее понятие о системном проекте и системном подходе к проектированию сложных объектов Данная университетская дисциплина Системное проектирование телекоммуникационных систем отн...
17344. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ 181 KB
  ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ Лекция №2 Основания общей теории систем 1.1. Уровни исследования системы Во второй половине двадцатого столетия в биологии медицинской науке и философии основательно укоренилось словосочетание: Общая теория систем [15] котор...
17345. Сложный объект как система. Основные аспекты системного исследования 136.5 KB
  Тема 2. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ СИСТЕМ Лекция 3. 2.4. Сложный объект как система Основные аспекты системного исследования Несколько нарушая принятую методологию изложения материала начнем с определения объекта Ob как потенциально сложного элемента системы. Сложный ...