Проектирование усилителя сигналов звуковой частоты (номинальная выходная мощность - 12 Вт)

КПУ1(КПУ2) – каскады предварительного усиления; РТ – регулятор тембра; СК – согласующий каскад; ВК – входной каскад усилителя мощности; ПОК – предоконечный каскад усилителя мощности; ОК – оконечный каскад усилителя мощности;  ООС – цепь отрицательной обратной связи усилителя мощности; БП – блок питания; ФП – фильтр питания.

2. Электрический расчёт каскадов.

2.1. Разработка принципиальной схемы

 усилителя мощности.

Усилитель мощности предназначен для передачи больших  мощностей сигнала без существенных искажений на низкоомную нагрузку. Для того  чтобы  усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо максимизировать КПД выходного каскада. При работе выходного каскада в режиме А (режим работы без отсечки коллекторного тока) теоретический КПД составляет 50%. Это означает, что в нагрузку уходит только половина мощности, потребляемой каскадом от источника питания. Оставшаяся половина рассеивается на переходе коллектор-эмиттер в окружающую среду. Использование режима В (режим с отсечкой коллекторного тока) КПД достигает около 70%. При использовании режима С КПД еще выше и в режиме D (ключевом режиме) КПД стремится к 100%. Однако в однотактном каскаде, работающем в режиме В коэффициент гармоник достигает 40%. Существенно снизить коэффициент гармоник без изменения режима работы удается применением двухтактного каскада. В идеальном случае (в двухтактном каскаде в режиме В) половинки синусоидального сигнала в разных тактах ‘сшиваются’ и образуют ‘чистую’ синусоиду. Однако при неправильном выборе режима работы каскада по постоянному току половинки синусоидального сигнала в разных тактах ‘сшиваются криво’ и образуются искажения типа ‘ступенька’. Поэтому в качестве выходного каскада выберем двухтактный каскад, работающий в режиме типа В.

Так как разрабатываемый усилитель относится к аппаратуре 0 группы сложности, то к нему предъявляются повышенные требования. Повышенные требования требуют некоторого усложнения схемотехники. Поэтому за основу усилителя мощности возьмем схему рис.2.2 [1] и внесем некоторые изменения и дополнения. В результате получим следующую схему.

Рис.2.1 Принципиальная схема усилителя мощности.

Рассмотрим принципиальную схему (рис.2.1) и поясним назначения элементов.

В схеме на рис. 2.1 три усилительных каскада: входной каскад на транзисторах VT1 и VT3, включенных в схеме дифференциального каскада; предоконечный каскад на транзисторе VT4 (схема с ОЭ) и двухтактный оконечный каскад по схеме ОК на комплементарной паре транзисторов VT7, VT6 с параллельным возбуждением.

Транзисторы VT2, VT5, VT6 – вспомогательные. Транзисторы VT2, VT5 – генераторы стабильного тока. Транзистор VT6 – цепь смещения оконечного каскада.

Рассмотрим назначение элементов схемы:

R₁ – схема привязки базы транзистора VT1 к нулевому потенциалу;

R₂ – нагрузка транзистора VT1 по постоянному току;

R₃, R₁₀ – токозадающий резистор генератора стабильного тока;

R₄, R₅, С₂ – цепь ООС (С₂ создает 100% ООС по постоянному току);

R₆ – токоограничивающий резистор ИОН на VD1;

R₇, R₈ – базовый делитель транзистора смещения VT5;

R₉, R₁₁, R₁₂ – местная последовательная ООС по току;

VD1 – источник опорного напряжения (ИОН);

2.1.1. Расчёт оконечного каскада

Определим амплитуду напряжения и тока в нагрузке:

В                                                                       (2.1)  А                                                                               (2.2)

Определим напряжение источника питания:

                                                                                          (2.3) где  U_ост – остаточное напряжение на полностью открытом транзисторе выходного каскада при P=1..10 Вт. Выбираем U_ост=2 В. Тогда

В.

Выберем Е_0расч=24 В.

При этом  Е₀ выбирается с запасом в 10..15 % т.е.

 В.                                                                   (2.4)

Выбираем Е₀=27 В из стандартного ряда.

Определим максимальную мощность, отдаваемую в нагрузку двухтактным каскадом:

Вт.                                                       (2.5)

Определим максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторах выходных транзисторов:

 Вт.                                                                (2.6)

Определим желаемый коэффициент усиления по току h₂₁ для выходных транзисторов:

                                                                                           (2.7)

где P_n мВт– выходная мощность предоконечного каскада, работающего в режиме А. Выбираем P_n=0,02 Вт. Тогда

Выбираем транзисторы оконечного каскада VT7, VT8 по следующим параметрам:

                                                                                     (2.8)

Вт.

                                                                                         (2.9)

А.

                                                                                    (2.10)

В.                                     

                                                                               (2.11)

                                                                                              (2.12)

 кГц.

Так как нам ни один транзистор не подходит, из-за коэффициента усиления по току h₂₁,  то придётся оконечный каскад собирать