Расчет усилителя сигналов звуковой частоты (выходная мощность - 0,4 Вт, коэффициент частотных искажений - 1,5 дБ)

Вариант №33

Исходные данные:

1.  Выходная мощность:                                   

2.  Коэффициент нелинейных искажений:     

3.  Полоса усиливаемых частот:                       ,

4.  Рабочий диапазон температур:                     ,

5.  Входное напряжение:                                   

6.  Входное сопротивление:                              

7.  Сопротивление нагрузки:                              

8.  Коэффициент частотных искажений:         

Задание:провести расчет усилителя сигналов звуковой частоты.

1.  ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ

Проектирование усилителя удобно начинать с мощного оконечного (выходного каскада), который является основным усилителем мощности.

Транзисторы и способы их включения, схему каскада и режим работы выбирают в основном из условий обеспечения заданной выходной мощности и высокого КПД при допустимых нелинейных и частотных искажениях.

Поскольку мала заданная выходная мощностьи мал коэффициент гармоник , выбираем однотактную схему каскада. Однотактная схема позволяет сэкономить один транзистор и получить достаточно малый коэффициент гармоник , однако она работает только в режиме А и теоретически не может дать к.п.д. выше 50%. В режиме молчания усилитель потребляет большую энергию

Выбираем включение транзистора с общим эмиттером (ОЭ). Схема с общим эмиттером обеспечивает наибольшее усиление, но зато вносит сравнительно большие нелинейные искажения.

Таким образом, схема оконечного каскада однотактная в режиме А, транзистор включен с общим эмиттером.

Выберем транзистор, удовлетворяющий следующим условиям:

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

2)   Граничная частота транзистора  в схеме с ОЭ должна быть выше, чем  чтобы частотные искажения, вносимые транзистором, были малы.

3)  Транзистор должен вносить небольшие линейные искажения.

Величина для однотактного каскада определяется:

По справочнику выбираем транзистор типа ГТ403А. Проверяем работоспособность транзистора при максимальной температуре среды

, где

- максимальная температура среды;

- тепловое сопротивление переход - окружающая  среда (без теплоотвода).

т.е.                                    

Полагая, что из-за низкой граничной частоты мощных транзисторов половина частотных искажений на высшей частоте приходится на оконечный каскад, выбранный транзистор проверяем по частотным свойствам:

предельная частота коэффициента передачи тока  (паспортные данные транзистора), 8 кГц.

Проверяем транзистор также по допустимому напряжению на коллекторе                               

, где

- допустимое напряжение между электродами  (указано в справочнике).

Так как параметры источника не заданы, выберем источник питания напряжением 9 В.

Следовательно, выбранный транзистор удовлетворяет всем требованиям

Для определения величины внутреннего сопротивления источника сигнала и коэффициента усиления по мощности на статических характеристиках транзистора, исходя из заданной мощности, проводим нагрузочную линию аА. (рис. 2)

Входное сопротивление каскада равно:

Величину относительно входного сопротивления оконечного каскада  выбирают для каскада с общим эмиттером  

Для определения необходимого числа каскадов структурной схемы усилителя находят коэффициент усиления всего усилителя

Общий коэффициент усиления по мощности   является произведением коэффициентов усиления оконечного, предоконечного, промежуточных и входного каскадов:

Коэффициент приближенно определяется из выражений для схемы с общим эмиттером          ,

В качестве предоконечного можно выбрать инверсный каскад с разделенной нагрузкой. Для него подходит транзистор типа П15А, имеющий достаточные ток коллектора и рассеиваемую на коллекторе  мощность.

Коэффициент усиления по мощности обеспечиваемый предоконечным каскадом  (реостатный инверсный каскад с разделенной нагрузкой)

В качестве входного каскада на таком же транзисторе (П15А) выбираем эмиттерный повторитель, позволяющий улучшить согласование внутреннего сопротивления источника с входным сопротивлением усилителя.

Таким образом, на долю промежуточных каскадов приходится коэффициент усиления по мощности:

, т.е. усилитель без промежуточного каскада.

Итого усилитель должен содержать 3 каскада.

рис.1 Структурная схема усилителя

Определив число каскадов усилителя, выбрав их схемы, необходимо проверить транзисторы по допустимым искажениям в области высших частот. Полагая, что все каскады кроме оконечного в этой области вносят одинаковые частотные искажения, определяем допустимую граничную частоту транзистора:

,   

где n – число каскадов в усилителе без оконечного.

Следовательно, выбранные транзисторы типа П15А удовлетворяют требованиям обеспечения частотных искажений в области высших частот.

Определяем частотные искажения в области низших частот, приходящиеся на один каскад.

, где n - общее число каскадов.

Доля частотных искажений в области высших частот, приходящаяся на оконечный каскад, равна 

на каждый из остальных каскадов

Так как температура окружающей среды меняется в широких пределах, то во всех каскадах усилителях необходимо применять термостабилизирующие цепочки.

2. РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ

1. Схемой оконечного каскада выберем бестрансформаторный однотактный усилитель мощности,  работающий в режиме А. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером, что обеспечивает наибольшее усиление.

В соответствии с заданной мощностью и частотными искажениями в области высших частот выбираем транзистор типа  ГТ403A, параметры которого имеют следующие значения: , , , .

2. На выходных характеристиках транзистора определяем рабочую область, которая ограничивается , , ,  и ,  выбирается так, чтобы из рабочей области исключить нелинейный участок выходных характеристик.