Разработка и расчёт принципиальной схемы

3.1 Расчёт оконечного каскада [1]

В настоящее время широко применяются усилители с двухтактным бестрансформаторным оконечным каскадом и последовательным питанием транзисторов по постоянному току. Двухтактным называется каскад, в котором объединены два однотактных усилительных каскада, работающих на одну общую нагрузку и управляемых взаимно противофазно одним и тем же усиливаемым колебанием. В соответствии с этим двухтактный каскад состоит из двух половин, называемых плечами. Напряжение на нагрузке получают путём взаимного вычитания выходных колебаний плеч, чтобы они суммировались, несмотря на противофазное управление.

Благодаря противофазному управлению и вычитанию происходит частичная компенсация нелинейных искажений, вносимых плечами, и получаются некоторые другие преимущества. Двухтактный каскад может работать не только в режиме A, но и в более энергетически выгодных режимах класса В и АВ. В последнем режиме удаётся существенно повысить к. п. д. и отдаваемую мощность при сравнительно небольшом уровне нелинейных искажений.

Режим AB применяется для устранения центральных ступенек на синусоиде разностного тока (признак нелинейных искажений), характерных для режима B. Обеспечивается небольшое смещение ИРТ транзисторов, в результате чего в режиме AB характеристика разностного тока получается прямой, нелинейности характеристик плеч взаимно компенсируются. Вследствие очевидных преимуществ режим AB для двухтактных каскадов является наиболее распространённым, и именно он будет обеспечиваться в данной работе.

Поскольку от оконечного каскада требуется высокая выходная мощность, то его предполагается реализовать по квазикомплементарной схеме. В итоге образуется два составных транзистора: один – типа n-p-n, другой – p-n-p.

Так как через нагрузку должен протекать только переменный ток, то можно сопротивление нагрузки подключить через разделительный конденсатор и вместо двух источников питания использовать один без средней точки. При этом нижнее плечо схемы питается от введённого разделительного конденсатора во второй полупериод входного напряжения. При достаточной ёмкости напряжение на конденсаторе остаётся практически постоянным.

Вышесказанное определяет вид принципиальной схемы оконечного каскада:

Рис. 2

Данная схема на составных транзисторах является квазикомплементарной схемой с искусственной дополнительной симметрией. Транзисторы VT1, VT3 и VT2, VT4 образуют составные транзисторы, включённые по схеме с общим коллектором. Составные транзисторы используются с целью увеличения коэффициента усиления по току и входного сопротивления всего каскада. Резисторы R1 и R2 задают необходимую величину тока покоя предоконечных транзисторов. Диоды обеспечивают температурную компенсацию положения исходной РТ. Резисторы R3 и R4 введены в схему, чтобы предотвратить работу предоконечных транзисторов в “голодном” режиме по току. Резисторы R5 и R6 стабилизируют положение исходной рабочей точки, создавая отрицательную обратную связь. Разделительный конденсатор Сp помимо осуществления питания нижнего плеча защищает нагрузку от тока короткого замыкания в случае пробоя транзисторов.

Расчёт параметров элементов схемы

1) Расчёт оконечных транзисторов

Амплитуда напряжения на нагрузке:

Напряжение источника питания:

Выберу () и положу ,

тогда напряжение источника питания:

С учётом реально существующих источников выберу

Амплитуда коллекторного тока:

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер:

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

Предельная частота оконечных транзисторов:

По подчёркнутым дважды параметрам подберу оконечные транзисторы

КТ819Б (n-p-n): , , (с теплоотводом), , , .

Для дальнейшего расчёта воспользуюсь выходными характеристиками транзистора КТ819Б. Проведу нагрузочную прямую по точкам:

Рис.3

Определю фактически отдаваемую оконечными транзисторами мощность:

Уточню фактический коэффициент использования напряжения:

2) Расчёт предоконечных транзисторов

Амплитуда переменной составляющей тока коллектора предоконечного транзистора:

Наименьшая допустимая величина тока покоя:

Расчёт номиналов резисторов R3 и R4:

Выберу

По входным характеристикам оконечного транзистора определю

Рис. 4

Уточню амплитуду коллекторного тока предоконечных транзисторов:

Максимальная рассеиваемая мощность предоконечных транзисторов:

, где - коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ для КТ819Б.

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер:

Согласно рассчитанным параметрам в качестве предоконечных транзисторов выберу комплементарную пару КТ817Б и КТ816Б.

КТ817Б (n-p-n): , , (с теплоотводом), , , ,

КТ816Б (p-n-p): , , (с теплоотводом), , , ,

Токи базовой цепи:

Рис. 5 Рис. 6

Учитывая симметричность входных ВАХ выбранных комплементарных транзисторов относительно оси тока, можно получить .

Определю смещение между базами транзисторов VT1 и VT2:

, где

Напряжение смещения обеспечивается термостабилизирующими элементами. В данном случае можно использовать диоды. Для того, чтобы при максимальном входном сигнале диоды не запирались, выбирается ток смещения

или

Из расчёта на то, что ВАХ требуемого диода должна лежать в определённой области, выбираю диод 2Ц102А. ВАХ приведена на рис. 6. Из графика следует, что для обеспечения требуется последовательно включить два таких диода. При этом ток смещения составит величину .

Расчёт номиналов резисторов R1 и R2:

Пусть .

Расчёт нелинейных искажений

Для определения нелинейных искажений оконечного каскада необходимо построить сквозную динамическую характеристику, устанавливающую зависимость тока в нагрузке от входного напряжения , т.е. .

С учётом присущей эмиттерному повторителю обратной связи входное напряжение . Для построения сквозной характеристики одного плеча достаточно трёх точек.

1 точка:

2 точка: С учётом построенных выходных характеристик выберу , при этом . Определю по входной характеристике

Токи предоконечного транзистора

Согласно входной характеристике предоконечного транзистора

, тогда

3 точка:

По трём точкам строю сквозную характеристику одного плеча

Рис. 6

Амплитуда входного сигнала

Напряжению соответствует ток

Значения токов 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 характеристики коэффициент асимметрии . Возьму .

Применю метод пяти ординат:

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 . Средние значения тока и амплитуды токов гармоник получаются из следующих выражений:

Выполню проверку

, следовательно, расчёт можно считать верным.

Коэффициент гармонических нелинейных искажений определяется из выражения

Так как , то необходимо принять меры по снижению коэффициента гармоник. Для этого предполагается оконечный с промежуточным каскады охватить ООС. В результате получится , где F – глубина ОС.

Необходимая глубина обратной связи

Соответственно коэффициент передачи цепи ОС

, где – исходный коэффициент передачи по напряжению каскадов, охваченных ОС. Так как для оконечного каскада , то величина определяется промежуточными каскадами.

3.2 Расчет регулятора тембра [3]

В технике радио- и телевизионного вещания, в различной звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре требуется плавное изменение (коррекция) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) как в области низких (НЧ), так и в области верхних частот (ВЧ), а иногда и в области средних частот (СЧ). Регуляторы, с помощью которых осуществляются указанные изменения АЧХ, называют регуляторами тембра, а соответствующую регулировку – регулировкой тембра. Регуляторы тембра представляют собой частотно-зависимые цепи, включаемые в цепь межкаскадной связи или в цепь обратной связи.

В данном курсовом проекте буду использовать универсальный пассивный регулятор тембра. Его принципиальная схема изображена на Рис.7.

C1 R5

R2 R7

C2 C4

Рис. 7

Такой регулятор обеспечивает как подъём, так и спад АЧХ в области НЧ и ВЧ, причем регулировка раздельно.

Резисторы R1, R2, R3 и конденсаторы C1, C2 реализуют регулятор низкого тока, а резисторы R5, R6, R7 и конденсаторы C3, C4 – регулятор высокого тока, R4 - развязывающий резистор. Подобная схема требует переменных резисторов (R2, R7) с сопротивлениями, меняющимися по логарифмическому закону при перемещении движков. Подъем АЧХ на НЧ и ВЧ обеспечивается за счет уменьшения коэффициента передачи при среднем положении движков потенциометров R2 и R7.

Рассчитаю регулятор тембра согласно заданным величинам: - диапазон регулировки тембра; , - граничные частоты. Так как не заданы частоты излома, выберу . Т.к. регулятор усиления, стоящий перед регулятором тембра, практически не шунтирует источник сигнала, то примем . Выберу значения абсолютной и нормированной частот начала подъема и спада АЧХ: - для НЧ, - для ВЧ и , а так же коэффициенты нагрузки .

1)Регулятор тембра НЧ

Коэффициент корректировки для нормированной частоты:

, следовательно

Сопротивление регулятора тембра:

Постоянная времени регулировки тембра:

Емкость регулятора:

Затухание, вносимое регулятором в полосе равномерно усиливаемых частот:

Элементы схемы:

Выберу:

Необходимое входное сопротивление следующего за регулятором тембра НЧ каскада:

2)Регулятор тембра ВЧ

Коэффициент корректировки для нормированной частоты:

, следовательно,

Сопротивление регулятора тембра:

Постоянная времени регулировки тембра:

Емкость регулятора:

Затухание, вносимое регулятором в полосе равномерно усиливаемых частот:

Элементы схемы:

Выберу:

Необходимое входное сопротивление следующего за регулятором тембра ВЧ каскада:

Коэффициент передачи регулятора тембра:

3.3 Расчет регулятора усиления (плавная регулировка) [2]

Регулирование усиления, широко применяемое в аналоговых электронных устройствах, заключается в изменении амплитуды сигнала. Регулировка усиления применяется для следующих целей:

Поддержания усиления АЭУ неизменным при замене усилительных элементов, их старении, изменении питающих напряжений и т.д.
Изменения уровня выходного сигнала или поддержания его постоянства
Предохранения АЭУ от перегрузки при большом уровне выходного сигнала

Регулировка усиления обычно осуществляется во входной цепи усилителя или в первых каскадах во избежание перегрузки последующих каскадов, так как при этом возможно увеличение нелинейных искажений.

В данном курсовом проекте буду использовать потенциометрический регулятор усиления с плавной регулировкой на входе усилителя. Принципиальная схема такого регулятора усиления приведена на рис.8

Rг C1

С0

e Rр Rвх

Рис.8

В данной схеме: С0 – эквивалентная емкость, равная входной динамической емкости следующего каскада (регулятора тембра) и емкости монтажа, Rвх – сопротивление следующего за регулятором усиления каскада, С1 – разделительная емкость.

Эквивалентная емкость:

Приму значение монтажной емкости , тогда

Сопротивление регулятора:

, где

Отведем на регулятор линейных искажений, т.е. . Распределение искажений по всему усилителю будет рассмотрено выше.

Значит, значение Rр можно выбирать произвольно, и при этом не будут вноситься искажения в область ВЧ. Выберу , т.е. достаточно большим, по сравнению с

, чтобы последнее не шунтировало Rр.

Максимальный коэффициент передачи регулятора в области СЧ:

(ослабление 0.526дБ)

В соответствии заданию на курсовой проект регулировка усиления должна производиться в диапазоне 32 дБ, что будет соответствовать положению потенциометра (значение Rр) в 64 Ом.

3.4 Выбор каскадов предварительного усиления [1]

Основной задачей каскадов предварительного усиления является увеличение входного сигнала усилителя до величины, необходимой для возбуждения оконечного каскада и равной . Кроме того, каскады предварительного усиления должны компенсировать ослабление сигнала в регуляторе тембра и в регуляторе усиления. Коэффициент передачи регулятора тембра , и коэффициент передачи регулятора усиления (при максимальном положении потенциометра) . В конечном счете, в результате предварительного усиления должна быть обеспечена величина:

, где

что достигается при коэффициенте усиления предварительных каскадов:

Для обеспечения приемлемого уровня нелинейных искажений глубина обратной связи, охватывающей предварительный и оконечный каскады должна соответствовать условию .

В качестве предварительного усилителя целесообразно использовать операционный усилитель. В этом случае исходный коэффициент передачи по напряжению каскадов, охваченных ОС, будет определяться коэффициентом усиления ОУ. Отсюда следует, что коэффициент усиления ОУ должен удовлетворять условию

. При выборе ОУ необходимо также учесть выходное напряжение, которое он может обеспечить. Это напряжение должно превышать напряжение возбуждения оконечного каскада, т.е. 15 В. Подходящими характеристиками обладает микросхема КР1408УД1. Операционный усилитель обладает следующими характеристиками:

КР1408УД1: .

R1 R2

C3 Рис.9

Для получения рассчитанного значения необходимо ввести ООС с глубиной .

Уточню коэффициент гармоник:

, по заданию .

На СЧ коэффициент усиления схемы по напряжению:

Возьму , тогда . Выберу

Резисторы и необходимы для подачи на неинвертирующий вход ОУ напряжения, равного E/2, поскольку для питания ОУ используется несимметричный источник. Параллельное соединение этих резисторов по переменному току определяет входное сопротивление каскада. Выберу , тогда .

3.5 Расчет номиналов конденсаторов [7]

При расчёте конденсаторов схемы необходимо учитывать заданный допустимый уровень линейных искажений. В схеме присутствует всего четыре конденсатора, причем все они выполняют функцию разделения постоянного и переменного токов. На весь усилитель согласно заданию отводится линейных искажений 1.8 дБ. Распределю заданные искажения по конденсаторам таким образом, чтобы на конденсатор, стоящий перед нагрузкой, приходилось 0.9 дБ искажений, а на остальные три – по 0.3 дБ, т.е. и .

Выберу .

Выберу

Конденсатор в схеме предварительного каскада служит для создания стопроцентной обратной связи по постоянному току, но при этом он не должен влиять на обратную связь по переменному току. Отсюда следует, что конденсатор следует выбирать из условия

или .

Пусть .

Заключение

В соответствии с техническим заданием в данной курсовой работе был спроектирован усилитель мощности звуковой частоты. Был соблюдён заданный порядок в основных этапах разработки. В итоге получена принципиальная схема законченного устройства, рассчитаны номиналы элементов схемы.

Было выяснено, что усилитель обладает достаточно хорошими качественными характеристиками, а именно, широкой полосой передаваемых звуковых частот, низким уровнем нелинейных и линейных искажений, высокой мощностью, но при этом также структурной простотой и сравнительно небольшим числом элементов, необходимых для реализации устройства. В частности, используется лишь один операционный усилитель и один для всей системы источник питания.