Проектирование усилителя сигналов звуковых частот. Эскизный расчет УЗЧ. Расчет структурной схемы усилителя

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ СИГНАЛОВ ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ (УЗЧ)

Согласно технического задания (ТЗ) на проектируемое усилительное устройство, УЗЧ должен обеспечивать в заданной нагрузке заданный уровень мощности в полосе частот f_H - f_В при обеспечении допустимого уровня линейных частотных искажений М_В на частоте f_В и М_Н на частоте f_H и допустимого уровня нелинейных искажений, задаваемых в виде коэффициента гармоник k_Г.

1. Эскизный расчет УЗЧ.

При проведении эскизного расчета решаются следующие задачи.

1.1. Расчет структурной схемы  усилителя.

Представленная на рисунке 1 структурная схема  (СхС) содержит необходимые функциональные устройства, обеспечивающие работу УЗЧ. Выходной каскад является, как правило, усилителем мощности, поэтому усиление напряжения звукового сигнала обеспечивается входным каскадом, КПУ и предоконечным каскадом (ПК). С целью получения заданного уровня нелинейных искажений, ПУ включен в петлю ООС, охватывающую ВК. Такое соединение образует оконечный каскад (ОК). В силу узкополосности УЗЧ (полоса пропускания < 100 кГц), необходимый коэффициент усиления по напряжению по силам обеспечить входной каскад на ОУ, так что наличие КПУ не обязательно.

1.1.1. Определение примерного числа усилительных каскадов;

1.1.2. Определение местоположения схем регулировок усиления и наклона АЧХ (регулировка тембра).

1.1.3. Примерное распределение по каскадам величины М_В;

1.1.4. Примерное распределение по каскадам коэффициента гармоник;

1.2. Выбор электрических схем (СхЭ принципиальных) отдельных каскадов ( входного, каскада предварительного усиления, выходного каскада) и схем регулировок.

1.3. Составление предварительной полной СхЭ принципиальной усилителя.

1.4. Примерное распределение М_Н по имеющимся в схеме усилителя разделительным и блокировочным емкостям.

Необходимо иметь в виду, что процесс проектирования – процесс итеративный, т.е. возможен расчет нескольких вариантов СхЭ, с целью получения оптимального. Т.о. эскизный расчет дает приближенное представление о проектируемом усилителе, которое затем уточняется в процессе электрических расчетов элементов каскадов.

1.5. Содержание эскизного расчета.

1.5.1. По п. 1.1.1.Производится расчет общего коэффициента усиления по напряжению:

,                                                     (1.1)

где  U_m2, U_m1 – амплитуды выходного и входного напряжений усилителя; Р₂ – мощность в нагрузке, R_H – сопротивление нагрузки.

Полагая в первом приближении, что К_ВХК = К_КПУ = К_ОК ≈ 100, а схемы регулировок не вносят дополнительное затухание, число каскадов усиления

N = К_ОБЩ / 100.                                                          (1.2)

1.5.2. По п.1.1.2.

Схему регулировки усиления целесообразно делать потенциометрической и устанавливать на входе усилителя, т.к. входное напряжение усилителя мощности довольно велико, составляя величину – долей вольта. Схема регулировки наклона АЧХ (схема регулировки тембра – схема эквалайзера) должна быть развязана со схемой регулировки усиления и поэтому устанавливается после входного каскада усиления.

1.5.3. По п.1.1.3.

В силу узкополосности УЗЧ и достаточно хороших частотных свойств активных элементов схемы, в первом приближении, расчет усилителя на заданный уровень М_В можно не проводить.

1.5.4. По п.1.1.4.

В наиболее тяжелом режиме больших сигналов работает ВК. и соответственно к нему относится заданная величина коэффициента гармоник.

1.5.5. По п.1.2., 1.3.

Из возможных вариантов построения схемы УЗЧ, рассмотрим вариант рисунка 2.

Усилитель состоит из следующих каскадов:

- собственно усилитель мощности (выходной каскад), выполненный по схеме Дарлингтона - двухтактного эмиттерного повторителя на составных транзисторах (верхнее плечо образуют n-p-n транзисторы VT5, VT7, нижнее плечо – комплементарная пара p-n-p транзисторов VT6, VT8); для устранения нелинейных искажений первого рода типа «ступенька» потенциал базы транзисторов задается с помощью диодов VD1 и VD2, которые также обеспечивают термостабилизацию работы выходных транзисторов; режим работы диодов по постоянному току обеспечивают генераторы тока, выполненные по схеме «зеркало тока» (транзисторы VT1, VT2 (VT3, VT4), резистор R11 (R10);

- предоконечный каскад выполнен на операционном усилителе  (ОУ - микросхема DA2) и предназначен для управления выходного каскада; цепь ООС (Н-типа) с целью обеспечения необходимого уровня нелинейных искажений охватывает и выходной каскад и ОУ;

- схема регулировки тембра (регулировки наклона АЧХ) может быть выполнена либо в виде пассивного устройства, либо на ОУ;

- входной каскад также реализован на ОУ, но с меньшим напряжением питания, для чего в схеме установлены гасящие резисторы R5 (R6), вместе с конденсаторами С2 (С3), образующие фильтр нижних частот; стабилитроны  VD1 (VD2) задают необходимые для ОУ напряжения питания;

-на входе усилителя установлена схема потенциометрической регулировки усиления (R1, R2).

2. Электрический расчет элементов СхЭ.

2.1. Расчет оконечного каскада.

Расчет включает проектирование выходного каскада (ВК), предоконечного каскада (ПК) и цепи ООС Н-типа, охватывающей ВК и ПК.

2.1.1. Расчет выходного каскада производится по методике, изложенной в хЛ1 (стр. 15…25)], выходные и входные ВАХ мощных транзисторов можно найти в [Л2].

В результате расчета выходного каскада должны быть получены следующие данные, являющиеся исходными для расчета предоконечного каскада:

- амплитудное значение тока нагрузки – I_БМ (ток базы транзистора VT5);

- величина постоянной составляющей тока базы транзистора VT5 - I_Б0;

- значение максимальной амплитуды управляющего напряжения

Um = U_KM +U_БЭM+U`_БЭM,                                                             (2.1)

где U_KM – максимальная амплитуда напряжения на нагрузке, U_БЭM - максимальная амплитуда напряжения Б-Э транзистора VT7, U`_БЭM - максимальная амплитуда напряжения Б-Э транзистора VT5;

- величина глубины ООС F, при которой обеспечивается заданное значение коэффициента гармоник;