Расчет усилителя звуковых частот (выходная мощность - 6 Вт, коэффициент частотных искажений - 1 дБ)

Содержание:

1.  Выбор структурной схемы усилительного каскада и типа транзистора.

2.  Расчет режима оконечного каскада усилителя.

·  Определение входных и выходных параметров оконечного каскада.

·  Определение нелинейных искажений.

3.  Расчет цепи смещения и термостабилизации.

4.  Расчет предоконечного каскада на интегральной микросхеме.

5.  Приложение.

·  Принципиальная схема усилителя.

·  Принципиальная схема оконечного каскада

·  Топология печатной платы оконечного каскада

·  Сборочный чертеж печатного узла.

·  Вольт амперные характеристики транзистора ГТ701А.

·  Проходная динамическая характеристика.

6.  Список литературы.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

2

20

РС8-31

1. Выбор структурной схемы усилительного каскада и типа транзистора.

Исходные данные:

P_вых=6 Вт.

K_G<=5%

F_BC ≥12 кГц

f_HC≤60 Гц

t_min=40º C

t_max=45 ºC

R_BX  ≥ 105 Ом

U_BX≤45мВ

R_H=75 Ом

M_H=M_B=1дБ

В начале расчета усилительного каскада и определения структурной схемы усилителя, выберем режим работы оконечного каскада, обеспечивающий необходимый коэффициент гармоник K_G и необходимую выходную мощность_, так же необходимо определить способ подключения транзистора в схеме.

В качестве режима работы усилителя выберем режим класса А, так как в режиме работы класса А возможно получить достаточно низкий коэффициент гармоник K_G=2-7%. В качестве способа подключения транзистора выберем схему подключения с общей эмиттером (ОЭ), этот способ подключения позволяет получить небольшие нелинейные искажения и необходимую выходную мощность.

Выберем тип транзистора по 3 критериям:

1. Допустимая мощность рассеяния на коллекторе должна быть больше рассеиваемой мощности при заданной максимальной температуре среды.

η_т-коэффициент трнасформации трансформатора.

2.  Граничная частота транзистора f_A, должна быть выше F_B, чтобы частотные искажения, вносимые транзистором были малы.

3. Транзистор должен вносить небольшие нелинейные искажения.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

3

20

РС8-31

Всем условиям удовлетворяет транзистор ГТ701А.

1.  При температурах T_kmax и T_kmin мощность рассеяния на коллекторе больше рассеиваемой мощности при заданной максимальной температуре среды.

При T_k=25ºС Р_КDOP=50 Вт

При T_k=55ºС Р_КDOP=25 Вт

При T_k=75ºС Р_КDOP=8.3 Вт

2. Граничная частота работы транзистора f_A=3 мГц.

3. Транзистор будет вносить небольшие нелинейные искажения, т.к. его использование мо мощности не максимально.

Вольт амперные характеристики транзистора приведены на Рис.5.1,5.2.

Составим принципиальную схему усилительного каскада.

Оконечный каскад является основным потребителем энергии, вносит большую часть нелинейных искажений. При выборе оконечного каскада нам необходимо получить максимальный к.п.д, наименьшие нелинейные искажения и необходимую выходную мощность. Наименьшие искажения и сравнительно высокий к.п.д можно получить используя однотактный трансформаторный усилитель, работающий в режиме А, такой оконечный каскад  вносит небольшие нелинейные искажения, что в усилителях звуковой частоты является необходимым условием при проектировании. Трансформатор предназназначен для согласования усилителя с нагрузкой.(Рис.1.1)

Принципиальная схема оконечного каскада усилителя

(Однотактный трансформаторный усилитель мощности)

Рис. 1.1

Для раскачки оконечного каскада нам необходимо предварительное усиление по мощности, так же в предварительные усилительные каскады вводятся элементы регулировки тембра и разнообразные фильтрующие устройства.  В качестве предусилительного каскада используем операционный усилитель на интегральной микросхеме.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

4

20

РС8-31

2. Расчет оконечного каскада усилителя.

Для выбора рабочей точки на выходных ВАХ транзистора, нам необходимо провести нагрузочную прямую, которая будет ограниченна максимальными и минимальными значениями тока I_k и напряжением U_КЭ. Выберем максимальные значения напряжения и тока на коллекторе U_КЭMAX=12 (V), I_kmax=5.6 (A), т.к при этих значениях допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе больше рассеиваемой мощности при заданной максимальной температуре среды.

I_kmax=4.85 (A)

U_КЭMAX=12 (V)

I_KMIN= 0.2(V)

U_КЭMIN=1.2 (V)

Проведем нагрузочную прямую с координатами А(1.2;4.85) В(12;0). (Рис 5.1)

По нагрузочной характеристике и выходным ВАХ выберем рабочую точку при напряжении U_КЭ=6 (V) и токе коллектора I_k=2.8 (A).

Рассчитаем потребляемую каскадом мощность, без учета цепей стабилизации.

Полученная потребляемая мощность равна мощности рассеваемой на коллекторе в отсутствии сигнала. Необходимым условием для работы каскада является:

На входных ВАХ транзистора определим рабочую точку, а затем найдем напряжение растворы допустимых значений базового тока и напряжения. По полученным параметрам  базового напряжения и тока, мы можем определить входную мощность оконечного каскада и среднее за период входное сопротивление.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

5

20

РС8-31

Определим отдаваемую транзистором мощность.

Определим оптимальное сопротивление источника входного сигнала.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

6

20

РС8-31

Определение коэффициента нелинейных искажений.

Для определения коэффициента нелинейных искажений нам необходимо построить динамическую проходную характеристику каскада I_K=f(E_C), а затем методом пяти ординат определим коэффициент гармоник выходного сигнала.

Для построения проходной характеристики определим пять значений параметра E_C.

Построим проходную динамическую характеристику (Рис. 5.3) и по ней определим коэффициент нелинейных искажений.

Найдем гармонические составляющие выходного сигнала.

Определим коэффициент гармоник.

Определим колебательную мощность, отдаваемую в нагрузку оконечным каскадом, для этого рассчитаем оптимальное нагрузочное сопротивление.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

7

20

РС8-31

Определим мощность, развиваемую предоконечным каскадом, для этого нам необходимо определить амплитуду ЭДС возбуждающего колебания.

Определим полное усиление каскада по мощности.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

8

20

РС8-31

3.  Расчет цепи смещения и термостабилизации.

Определим напряжение питания усилительного каскада Е_П. Для этого на выходных ВАХ транзистора найдем точку пересечения нагрузочной прямой и оси напряжения U_КЭ.(Рис. 1)

Необходимое напряжение питания Е_Р=12 В.

Расчет цепи термостабилизации.

Для определения номиналов элементов цепи питания нам необходимы значения: U_K0,U_B0,I_K0,I_B0,ΔI_K0.

1.  Рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера R₁.

Для определения нам необходимо задаться падением напряжения            ΔE_Е=(0.15-0.2)Е_Р

Рассчитаем сопротивление R₁.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

9

20

РС8-31

2.  Найдем изменение обратного коллекторного тока ΔI_Kо. Значение обратного коллекторного тока при температуре t=20ºC приводится в справочнике. Для транзистора ГТ701А обратный ток коллектора при температурах t=-55-70ºC равен I_Kо=30 мА.

Для германиевых транзисторов

Определим изменение обратного коллекторного тока ΔI_Kо.

3.  Определим коэффициент нестабильности N_S

5. Определим входное сопротивление схемы стабилизации R_ST.

6. Определим сопротивление резисторов R₂ и R₃ в цепи делителя.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

10

20

РС8-31

Рассчитаем разделительную емкость С₁.

Разделительная емкость необходима для фильтрации сигнала: на высоких частотах емкость можно представить коротким замыканием, а на низких частотах разрывом цепи, таким образом,  разделительная емкость вместе с входным сопротивлением каскада образуют фильтр верхних частот, фильтр не пропускает нежелательные низкочастотные составляющие сигнала.

Выразим из полученной системы С₁.

Мы рассчитали составляющие цепи смещения и термостабилизации, для проектировки печатного узла нам необходимо привести полученные значения параметров элементов к стандартным значениям рядов сопротивлений, емкостей и питаний. Стандартные ряды значений определены ГОСТ .Так же для проектировки печатной платы нам потребуется определить по ГОСТ маркировки необходимых элементов и вид их корпусов.

НГТУ

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Амандус А.В.

Усилитель звуковой частоты

Пояснительная записка

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Ванцев Д.В.

11

20

РС8-31