49611

Усилитель мощности звуковой частоты при усилении низких частот звукового тракта

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Вследствие корреляции между величинами R и β в едином технологическом цикле при проектировании усилителя следует учитывать два предельных случая: компоненты схемы имеют значения Rмин и βмин или Rмакс и βмакс величина относительного разброса для конкретного технологического цикла известна разработчику заранее. Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов. При проектировании усилителя следует использовать такие элементы чтобы их параметры...

Русский

2014-08-23

572 KB

6 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное общеобразовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В Г. ТАГАНРОГЕ

(ТТИ ЮФУ)

Кафедра РПрУиТВ  

Пояснительная записка

к курсовому проекту на тему

"Усилитель мощности звуковой частоты"

Выполнил:      

Студент гр. Р-29

Гаврюков Д.С.

Проверил:

Шибаева Е.М.

Таганрог 2011 г.

Лист замечаний


Содержание:

[0.0.1] R19=26кОм

[0.0.1.1] МЛТ-0,125

5 Схема электрическая принципиальная ………….………………….………..... 24

6 Перечень элементов ……….…………….…………….………….…….………25

7 Список используемой литературы……….…………….……………….………26


Техническое задание

1. Номинальная выходная мощность   Pвых = 4 Вт

2. Сопротивление нагрузки  Rн=8 Ом

3. Номинальное входное напряжение  Uвх=20 мВ

4. Верхняя граничная частота    fв=16кГц

5. Коэффициент нелинейных искажений, не более  Kг=1%

6. Уровень частотных искажений      Мн = Мв = 0,707

7. Нижняя граничная частота   fн= 60Гц

8. Внутреннее сопротивление источника сигнала  Rис=250 Ом

9.Регулировку тембров по ВЧ и НЧ.

10. Предусмотрена  ступенчатая регулировка громкости.


Введение

Усилители звуковой частоты предназначены для усиления низких частот звукового тракта сигнала в радиоприемных, телевизионных приемниках и прочих устройств, где используется звуковое вещание.

При проектировании усилителей для интегральной технологии стремятся создать такую схему, коэффициент усиления которой при всех особенностях, связанных с групповыми методами изготовления компонентов, сохранялся бы в заданных пределах. При интегральной технологии изготовления резисторов и величина β транзисторов всегда отклоняются от их номинальных значений на одинаковую относительную величину и имеют одинаковый знак. Вследствие корреляции между величинами R и β в едином технологическом цикле при проектировании усилителя следует учитывать два предельных случая: компоненты схемы имеют значения Rмин и βмин или Rмакс и βмакс (величина относительного разброса для конкретного технологического цикла известна разработчику заранее). Как бы мала ни была вероятность появления таких предельных условий, они вполне реальны при интегральной технологии (в противоположность дискретной технике, где разброс параметров компонентов имеет случайный характер) и их надо обязательно учитывать, тем более, что разработчик не связан никакими экономическими соображениями относительно применения в схеме любого количества каскадов для обеспечения необходимой глубины ООС. Последнее обстоятельство до уровня, который позволит сохранить стабильность коэффициента усиления в пределах, определённых заданием.

Такой подход к проектированию усилителей имеет отчетливый экономический эффект, так как при массовом производстве позволяет получить максимально возможный процент выхода годных ИС, т.е. не иметь отбраковки ИС по причинам, связанным с заложенным в данную ИС схемным решением.


1 Анализ технического задания

    В данном курсовом проекте я проектирую усилитель мощности (УМ) на основе интегральной микросхемы.  В задачу входит выбор типа электронных компонентов, входящих в состав устройства.  

   Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов. После этого следует выбрать принципиальную схему  предварительного усилительного каскада на ОУ.

   При проектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам.

2 Выбор и обоснование схемы электрической структурной

Для обеспечения требуемых в техническом задании характеристик для усилителя звуковых частот будем применять в качестве основного тракта усиления схему с применением интегральной микросхемы в виде усилителя мощности звуковой частоты. Но этого недостаточно, поскольку требования предъявляются также и к входным характеристикам усилителя. Для достижения приемлемых параметров на входе усилителя будем использовать в качестве первого каскада усилителя – предварительный усилитель. Предварительный усилитель желательно выполнить отдельно от микросхемы на собственной элементной базе и в качестве такого элемента целесообразно использовать операционный усилитель. Для формирования выходных параметров усилителя требуется применение оконечного каскада усиления. Современный ряд микросхем серии TDA имеет выходные характеристики очень широкого выбора, поэтому без труда можно выбрать именно такую микросхему, чтобы она полностью удовлетворяла требованиям, накладываемым техническим заданием на курсовое проектирование.

Рис.1 Схема электрическая структурная.


3 Расчет схемы электрической принципиальной

Схема электрическая принципиальная и перечень элементов к ней приведены в приложении. Напряжение питания двухполярное Еп=15В, Rн=8 Ом, Рвых=4 Вт. Рассчитаем напряжение на выходе:

отсюда

                          

Таким образом, чтобы получить необходимую мощность на нагрузке необходимо подать на оконечный каскад напряжение порядка 260 мВ.

Рис.2 Схема оконечного каскада усиления


Регулятор тембра

Регулятор тембра определяет такие параметры усилителя как уровень шума, коэффициент гармоник, диапазон регулировки частотной характеристики. До недавнего времени для регулировки тембра использовали в основном только пассивные перестраиваемые RC фильтры, которые ослабляли сигнал в несколько раз, вносили дополнительные шумы и искажения. Такие устройства вносили усложнения в схему, вызывали необходимость компенсации ослабления, путем включения дополнительных каскадов усиления.

   В настоящее время в высококачественной аппаратуре используются активные регуляторы тембра, которые свободны от вышеперечисленных недостатков, свойственных пассивным цепям. Они позволяют получить подъем или спад частотной характеристики на низких или высоких частотах диапазона воспроизведения.

Выбранный мной, регулятор тембра построен на основе операционных усилителей. В приложении 2 представлена схема регулятора тембра на основе операционного усилителя..

R9 –регулятор нижних частот

R11 –регулятор верхних частот

Операционный усилитель имеет коэффициент усиления K=1

Рис.3 Регулятор тембра


Регулятор громкости

Для регулятора громкости выберем  схему плавной потенциометрической регулировки в виду максимальной простоты ее реализации. В качестве потенциометра R воспользуемся переменным резистором.

Нормальная работа регулятора громкости будет достигаться при выполнении соотношения R9>>Rвых регулятора тембра: R9=47 кОм.

Рис.4 Регулятор громкости


Предварительный усилитель

Предварительный каскад усиления необходим для обеспечения необходимого уровня сигнала на вход оконечного каскада усиления.

Входной сигнал согласно техническому заданию 20мВ, а необходимое входное напряжение оконечного каскада усиления порядка 260мВ. Следовательно, подберём сопротивления R2 и R3, чтобы получить коэффициент усиления порядка: К=45.

Возьмём R2=1кОм, тогда R3=45кОм.

Рис.5 Предварительный усилитель


Результаты моделирования

1. Временной анализ схемы в режиме Transient analysis.

Из графиков видно, что выходное напряжение повторяет по форме входное, усиленное с 20 mB до 8 В. Искажений формы выходного напряжения практически не происходит.

  1.  
    Проверка работоспособности схемы в диапазоне температур от -10 до +50 С
    о в режиме Transient analysis.

Из графика можно сделать вывод, что схема работоспособна в диапазоне температур от -10 до +50. Форма выходного напряжения практически не зависит в данном диапазоне температур от температуры. Коэффициент усиления усилителя неизменен.

  1.  
    Настройка схемы по постоянному току в режиме
    Dynamic DC analysis 

В данном режиме можно просмотреть потенциалы постоянного напряжения в разных узлах схемы. Видно, что оба транзистора отключены по постоянному напряжению.

  1.  
    Настройка  схемы  по  переменному току  в режиме
    Dynamic АC analysis

В этом режиме можно проверить значения переменных составляющих.

  1.  
    Проверка режима согласования схемы с источником сигнала и нагрузкой в режиме
    Transfer Function analysis. При этом виде анализа исключаются из схемы разделительные конденсаторы иначе программа покажет бесконечно большие выходные и входные сопротивления. 

Из данного анализа видно, что входное сопротивление усилителя мощности звуковой частоты равно 20 кОм, а выходное 0.000232 Ом.

Т.е. происходит согласование источника сигнала 250 Ом со входом усилителя 20 кОм и согласование нагрузки 8 Ом с выходом усилителя.


  1.  Проверка влияния разброса параметров резисторов на параметры усилителя в подрежиме Monte Carlo в режиме Transient analysis.

Разброс резисторов 5%, разброс емкостей 10%, при модели самого худшего случая.

  1.  
    Проверка режима работы выходного каскада при помощи режима
    Probe Transient.

Из данных диаграмм видно, как работает оконечный двухтактный транзисторный  каскад усилителя мощности звуковой частоты.
8.
Построить АЧХ и ФЧХ усилителя в режиме анализа в частотной области (AC analysis).

В режиме АС сначала рассчитывается режим схемы по постоянному току, затем линеаризуются все нелинейные компоненты, и выполняется расчет комплексных амплитуд узловых потенциалов и токов ветвей. К входу схемы должен быть подключен источник синусоидального сигнала.

Мы получили вывод частотных характеристик модуля и фазы коэффициента передачи. Из диаграммы видно, что АЧХ несколько уже чем в техническом задании, но ее можно расширить при помощи регулятора тембра(пункт 9).

  1.  
    Проверить работу усилителя и темброблока в режиме многовариантного анализа
    (Stepping) в режиме анализа в частотной области (AC analysis).

Из диаграмм видно, как при изменении значений номиналов резисторов R9,R1 и

R11,R1 на первой диаграмме и при R9,R1 и R11,R2 на второй диаграмме изменяется коэффициент усиления при разных частотах.

  1.  
    Проверка устойчивости схемы по критерию Боде.

При измерении коэффициента Боде необходимо измерить АЧХ и ФЧХ с обратной связью и без обратной связи. Затем необходимо вычесть из АЧХ с ОС АЧХ без ОС и на полученном графике посмотреть набег фаз. Набег фазы составляет 75O, следовательно цепь имеет запас устойчивости при изменении параметров элементов схемы.

  1.  
    Провести анализ нелинейных искажений усилителя при номинальном уровне сигнала режим
    Distortion.

Из первой диаграммы видно что побочных гармоник не возникает. Из третьей диаграммы видно значения коэффициентов подавления побочных гармоник. Для первой гармоники коэффициент подавления равен нулю. На второй диаграмме виден не характерный случай распределения амплитуд побочных гармоник, а именно гармоники слабо убывают с номером гармоники. Причем скважность этих гармоник носит закономерный характер, как у меандра.

  1.  
    Построить входные и выходные вольтамперные характеристики усилительного элемента (одного из мощных транзисторов) в режиме DC Analysis.

В DC анализе проводится расчет передаточных характеристик по постоянному току. При этом емкости не исключаются, а индуктивности шунтируются.

Для снятия ВАХ транзистора следует использовать два источника напряжения. Выберем транзистор из оконечного каскада ZXT14N20DX_ZX.

Входная характеристика транзистора, при изменении температуры.

Выходная характеристика транзистора, при изменении температуры.


Поз.

обозначение

Наименование

Кол.

Прим.

R1=20 кОм

МЛТ-0,125

1

R2=1 кОм

МЛТ-0,125

1

R3=45кОм

МЛТ-0,125

1

R4=50кОм

МЛТ-0,125

1

R5=91кОм

МЛТ-0,125

1

R6=R13=51кОм

МЛТ-0,125

2

R7=R14=18кОм

МЛТ-0,125

2

R8=R15=2.7кОм

МЛТ-0,125

2

R10=R12=6.2кОм

МЛТ-0,125

2

R11=R9=100кОм

2

переменный

R16=47кОм

1

переменный

R17=1кОм

МЛТ-0,125

1

R18=30кОм

МЛТ-0,125

1

R19=26кОм

МЛТ-0,125

1

R20=10Ом

МЛТ-0,125

1

R21=8Ом

МЛТ-0,125

1

нагрузка

С1=С8=С10=0.01мкФ

2

С2=С4=0.1мкФ

2

С5=С6=4700пФ

2

С3=С9=100мкФ

1

С7=65мкФ

1

Q1

ZXT14N20DX_ZX

1

NPN

Q2

ZXT14P20DX

1

PNP

X2, X4,X1

TL072C

3

ЦТРК .050116.3

Дата

Перечень элементов

Лит.

Л

Л

1

1

Изм.

Лист

№   документа

Подп.

Разработал

Варламов В.Н

Проверил

Кравец А.В.

Н. Контроль

Список литературы:

  1.  «Прикладные математические методы» конспект лекций Кравец А.В.
  2.  «Методическое указание к курсу проектирование по дисциплине схемотехника аналоговых электронных устройств» №3580  Троилин В.Н., Шибаева Е.М., Снежкова Л.А. 2004г.
  3.  «Прикладные методы анализа электронных схем» №3674  Ковригин В.М. 2004г.
  4.  «Радио» журнал, 8.1999г.
  5.  «Усилительные устройства» Остапенко Г.С. 1989г.
  6.  «Усилительные устройства» Мурадян  1976г.
  7.  «Усилительные устройства» Мамонкин И.Г. 1977г