Техническое задание на проектирование УНЧ. Постановка и анализ задачи

1.  Постановкаи анализ задачи.

1.1.  Техническое задание на проектирование УНЧ.

Разработать усилитель низкой частоты с параметрами не хуже заданных в таблице:

1.2.  Анализ задания.

В общем случае УНЧ содержит следующие элементы (см. рис. 1).

Рис.1. Структурная схема УНЧ

-  источник сигналов (ИС) и нагрузку усилителя (Н);

-  оконечный усилительный каскад (ОК), выдающий в цепь нагрузки, требуемую выходную (полезную) мощность;

-  предоконечный усилительный каскад (ПОК), необходимый для возбуждения  ОК;

-  предварительный усилительный каскад (ПУ);

-  входное устройство (ВУ) согласования внутреннего сопротивления источника сигналов с входным сопротивлением усилителя;

-  цепь отрицательной обратной связи (ОС), применяемая для коррекции частотной характеристики УНЧ, снижения уровня нелинейных искажений и шумов, стабилизации коэффициента усиления и исходных режимов работы транзисторов;

-  устройство защиты от перегрузки (УЗ) усилителя по выходу (входу).

Конкретный УНЧ может содержать не все элементы, показанные на Рис. 1.

Оконечные каскады усилителей обеспечивают заданную полезную мощность в нагрузке. Их выполняют как по трансформаторной, так и по бестрансформаторной схемам. Поскольку транзисторы в оконечных каскадах работают с сигналами, близкими к предельно допустимым, то эти каскады рассчитывают графо-аналитическим методом по входным и выходным характеристикам.

Транзисторы и способы их включения, схему каскада и режим работы выбирают в основном из условий обеспечения заданной выходной мощности при допустимых нелинейных искажениях. Современные усилители выполняют по бестрансформаторным схемам, что позволяет уменьшить габариты, массу стоимость и расширить полосу пропускания  устройства.

Так как выходная мощность в нашем случае Р_вых>> 1, оконечный каскад будем строить по двухтактной схеме, режим работы транзисторов АВ, чтобы обеспечить высокий КПД и небольшие нелинейные искажения. Такие схемы выполняют на комплементарных транзисторах, что упрощает схемные построения.

Рис. 2. Схема ОК-ОК двухтактного УНЧ.          Рис. 3. Схема с квазидополнительной симметрией.

Очевидно, что для снижения уровня нелинейных искажений плечи каскада должны быть симметричны, то есть  транзисторы относительно нагрузки должны быть включены одинаково (ОК-ОК, ОБ-ОБ, ОЭ-ОЭ). Наиболее часто применяемой является схема ОК-ОК (см. Рис. 2), т.к. она обеспечивает примерно такое же усиление, что и схема с общей базой, а нелинейные искажения несколько меньше, чем в схеме с общим эмиттером. При таком включении транзистора схема обладает наибольшим входным сопротивлением и малой зависимостью от изменения температуры окружающей среды. Каскад управляется однофазным напряжением и не требует отдельного фазоинвертора.

В тех случаях, когда нельзя (или трудно) подобрать пару мощных транзисторов с идентичными характеристиками, берут одинаковые транзисторы и делают составную пару (см. Рис. 3). Составными в данной схеме являются пары транзисторов VT3-VT1 и VT4-VT2. Резисторы R₁ и R₂ необходимы для увеличения тока покоя транзисторов VT3 и VT4 и стабилизации режима работы. Одинаковые транзисторы VT1 и VT2 образуют выходной каскад, а транзисторы VT3 и VT4 – фазоинверсный. Схема с квазидополнительной симметрией (Рис. 3) находит широкое применение, так как существующие пары маломощных транзисторов VT3 и VT4 с различной проводимостью способны управлять выходными транзисторами VT1 и VT2 практически любой мощности.

К предварительным каскадам усиления относят входной, промежуточный и предоконечный каскады.

Структура и параметры предоконечного каскада определяются схемой оконечного каскада. Предоконечные каскады могут строиться как по трансформаторным, так и по резистивным схемам. Если в усилителе оконечный каскад с последовательным питанием транзисторов и дополнительной симметрией, то в ПОК целесообразно использовать однотактный резисторный каскад (см. Рис 4.). При этом связь между каскадами должна быть непосредственной, а транзистор –  работать в режиме А.

Рис. 4. Резисторный каскад (каскад с ОЭ).

Резисторы R_б1, R_б2, R_э задают положение рабочей точки транзистора. Конденсаторы С_р1 и С_р2 – разделительные. Они препятствуют прохождению постоянного напряжения. Конденсатор С_э – блокировочный.

Резисторные каскады свободны от недостатков каскадов с гальванической связью; они не обладают дрейфом нуля, передаваемым на следующий каскад, и без затруднений позволяют обеспечить необходимые напряжения на усилительных элементах при питании многокаскадного усилителя от одного источника. Они могут усиливать сигналы в очень широкой полосе частот, потребляют малую мощность питания, нечувствительны к магнитным полям, имеют малые габариты, вес и стоимость.