Усилитель звуковой частоты. Выбор и обоснование структурной схемы. Разработка и расчет принципиальной схемы

Предельная частота оконечных транзисторов должна быть в 2… 3 раза выше верхней рабочей частоты:

                  f_h21э ≈ (2...3) f_в = 49.5  (кГц);                    ^h_21Э = ^h_21эmin ⋅ ^h_21эmax =30               .

     По рассчитанным данным выбираем оконечные транзисторы VT3 и VT4: КТ817А.      Для нагрузочной характеристики:

E

                  U_kэ = = 7.5  (В);

2

E

                   I_k =  = 1.875 (А).

2R_H

     По выходным характеристикам КТ817А определяем Imk и Umk. Фактически отдаваемая оконечными транзисторами мощность:

 

                    Ikm=1,7(А);  Ukm=6,75(В); 

U^kmI^km

                                                                                                     P_ф = ; 

2

                   P_ф =5,737  (Вт);

                   I_бm =105  (мА);

                           Рис.3                               Рассмотрим выбор предоконечных транзисторов VT1 и VT2 и расчёт их режимов работы.  Амплитуда переменной составляющей тока коллектора:

                   I'_km = (1.2 ... 1.5)I_бm = 157.5 (мА). 

Для того, чтобы достаточно низкий уровень переходных искажений, выбираем наименьшую допустимую величину тока покоя.

                   I'_0k = (0,05...1)I_km =0.016 (мА).

Падение напряжения на резисторах R₃ и R₄ 0.4 В.

     Сопротивление резисторов: 

0.4

                  R₃ = R₄ =  =25.397 (Ом).  

I'0k

 Стандартное значение 24 Ом

     Уточним амплитуду коллекторного тока:

 

U_бэm = 1.01 (В)

U^бэm

                                                                                        I'_km = ^I_бm + = 147.083 (мА).

R3

     Максимальная рассеиваемая мощность:

                                                                                                                               I'^0k E     0,4P^H

                                                                                                        P'_{k max} =          +          ;

                                                                                                                                  2          h21э

                 P'_{k max} =0.188 (Вт).

     Выбираем предоконечные транзисторы: p-n-p KT502Б и      n-p-n   KT503Б. По справочнику определяем величину h'_21Э .                   h'_21Э = 138.564 .

     Токи базовой цепи:

I'^km

                                                                                                         I'_бm =  ;    I'_бm =1.061 (мА);

h21э

I'ok

                                                                                                        I'_бо = ;    I'_бо = 113.666 (мкА).

h21э

                              Рис.4

  По входным характеристикам для транзистора VT1 (рис.5) определяем величину 

U '_бэm = 0.75 (В), а для транзисторов VT1 и VT2 (рис.5 и 6)  соответственно величины

U '_бэ01 =0.65 (В) и U '_бэ02 =0.65(В). Находим напряжение смещения между базами транзисторов VT1 и VT2:

                 U_см =U '_бэ01 +U_R1 +U '_бэ02 = 1.7 (В), где U_R1 = 0.4(В).

     Напряжение смещения обеспечивается диодами. Для того, чтобы диоды не запирались, выбираем ток смещения:

                  I_см ≥ (2...3)I'_бm. При I_см =3.184(мА)  U _Д =0.85 (В). Необходимо два диода.

Характеристики диода Д2И  представлены на рис.7. 

Определим R1 и R2:

E−U^см

                 R₁ = R₂ = = 4.3 (кОм).

I_см

         

                       Рис.5                                                                                             Рис.6

             

     Рис.7

Выпишем значения элементов каскада предварительного усиления:

R₁,R₂ = 4.3 кОм   

R₃, R₄ = 24 Ом

VT1 KT503Б          VT2 KT502Б        VT3,VT4  KT817А

Расчет нелинейных искажений.

     Для определения нелинейных искажений оконечного каскада необходимо построить сквозную динамическую характеристику, устанавливающую зависимость тока Ik в нагрузке Rн от входного напряжения каскада U1, т. е. Ik=f(U1). С учетом присущей эмиттерному повторителю обратной связи входное напряжение:

                   U₁ =U '_бэ +U_бэ + I_kR_н . 

     Для построения сквозной характеристики одного плеча достаточно трех точек.

Первая точка соответствует току I_k = I_km =1.7(А) и входному напряжению

U1max =U 'бэm +Uбэm +Uнm =8.272  (В). 

     Для второй точки значение тока I_k ≈ 0.5I_km =850(мА). По выходным характеристикам оконечного транзистора определяем ток I_б (рис.8), а по входным характеристикам – напряжение U_бэ (рис.9). I_б = 30(мА), U_бэ = 0.95(В). 

Токи предоконечного транзистора:

U_бэ

                 I'_k = I_б +    = 69.5   (мА); R₁

I'^k

                 I'_б =  = 502.174  (мА);

h'21э

По входным характеристикам предоконечного транзистора находим U '_бэ (рис.10)

                 U '_бэ = 0.725  (В);

 U₁ =U_бэ +U '_бэ +I_k R_н =5.075 (В).

     Третья точка соответствует значениям тока I_k = I_k0 = 0 и I_б = 0 . 

U_бэ = 0.58  (В).

U_бэ

I'_k =   =24.167   (мА); 

R₁

I_б = 174.408  (мкА); 

U '_бэ = 0.65  (В); 

U_1min = 1.23  (В).

                          Рис.8

                                                                                                                           Рис.9

                             Рис.10      

По трем точкам строим сквозную характеристику для одного плеча (рис.11).

Рис.11

E

                  I_k = I_km; U_1m =U_1max −U_1min =7.042  (В),       (U_1m < );

2

~

                  I_k = I_k1 ; U =U_1min + 0,5U_1m=4.72  (В).

  Основным инженерным методом расчета коэффициента гармоник является метод пяти ординат. Коэффициент асимметрии b=0.15…0.2. Выберем  b=0.2

                 I_max = I_km (1+ b) = 2.04  (А);

                 I₁ = I_k1(1+ b) = 936.36  (мА);

                 I₀ = I_0k (1+b) − I_0k (1−b) = 2bI_0k = 0  (А);

                I₂ = −I_k1(1−b) = −624.24  (мА); 

                 I_min = −I_km (1−b) = −1.36  (А);

     Средние значения тока и амплитуды токов гармоник получаются из следующих выражений:

Imax +Imin + 2(I1 +I2 )

                 Iср =                                = 217.373  (мА);

6

Imax −Imin +I1 −I2

                 I1m =                            =1.654  (А);

3

Imax +Imin −2I0

                 I2m =                        =170  (мА);

4

Imax −Imin −2(I1 −I2 )

                 I3m =                                = 46.467   (мА);

6

I^max +I^min −4(I¹ +I² )+6I⁰

                 I_4m =                                       = -47.373  (мА).

12 Проверим правильность расчётов:

Iср + I1m + I2m + I3m + I4m = Imax = 2.04 (A)

Коэффициент гармоник нелинейных искажений:

I22m + I32m + I42m                  k_Г =⋅100% = 11.036 %   

I₁m

                 k_Гзад = 0.3% ;

     Для обеспечения заданного коэффициента гармоник определим необходимую глубину обратной связи:

kГрасч(1+ 0,1kГрасч)

                F = =77.39

kГзад

2. Расчет каскада предварительного усиления.

     Основной задачей каскадов предварительного усиления является увеличение уровня входного сигнала усилителя U_вх до величины, необходимой для возбуждения оконечного каскада и равной U_1m . Кроме того, каскады предварительного усиления должны компенсировать ослабление сигнала в регуляторе тембра, коэффициент передачи которого K_РТ <<1.

 

Рис.11      Возьмём ОУ К140УД20А.

      Коэффициент передачи цепи ОС:

F −1   ⁻³                  β=     = 1.528⋅10            K0

     Коэффициент усиления схемы по напряжению на средних частотах:

                                R² + R³         1

                 K =            =    ;

R₂ β

                 K= 654.538

     Напряжение на входе операционного усилителя:

U1m

U = 

K

U =10.758 (мВ)  

Рассчитаем сопротивления R₂ и R₃ :

Примем R₂ = 330Ом,   

R2

R3 = − R2 β

      R₃ = 215.668 кОм

Стандартное значение R₃ = 220 кОм

Выпишем значения элементов каскада предварительного усиления:

DA1 – К140УД20А           R₂ = 330Ом           R₃ = 220 кОм

3. Расчет регулятора тембра.

   В технике радио- и телевизионного вещания, и в различной звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре требуется плавное изменение АЧХ как в области нижних, так и в области верхних частот.    

   К регуляторам тембра предъявляются следующие требования:

-  плавная взаимонезависимая регулировка АЧХ в области нижних и верхних частот; - неизменность в процессе регулировки затухания, вносимого регулятором тембра на средних частотах;

-  выполнение регулировки посредством изменения одного активного сопротивления при неизменных емкостях и отсутствии индуктивности.

   Основной недостаток активных регуляторов тембра состоит в использовании в глубокой частотно-зависимой ООС и больших дополнительных искажениях, вносимых ими в регулируемый сигнал и нет возможности варьирования усилением ОУ. Вот почему в высококачественной аппаратуре желательно применять пассивные  регуляторы тембра. Основной недостаток пассивных  регуляторов тембра значительное затухание сигнала, соответствующее диапазону регулирования. 

 

Рис.11

                                               K

                                                         n                                                           

                                                                   f                                                                     f

                                             1/n

∆b = ±10.5дБ

f_н =150 Гц

 f_в =12 кГц

Принимаем

f₁ = f_н =150 Гц

(рис.12).

f₄ = f_в =12 кГц

Коэффициент передачи темброблока:

∆b,дБ

n=10 ²⁰ = 3.35, т.е. входной сигнал ослабляется в 3,35 раз.

Регулятор тембра НЧ.

                                                                                                                                                   R²         R¹         C² C⁴

Положим             C₂ = 0.22 мкФ, тогда согласно выражению                                                                   =                                             =     = = n

                                                                                                                                                   R1         R3         C1 C3

C²

C₁ =  = 0.065678 мкФ n

Стандартная величина  C₁ = 68 нФ

Из выражения f  ⇒          R    R₂ =16.155кОм

Стандартная величина R₂ =15 кОм

R²

R₁ =  = 4.823кОм n

Стандартная величина R₁ = 4.7 кОм

R¹

R₃ =  =1.44 кОм n

Стандартная величина R₃ =1.5 кОм

Регулятор тембра ВЧ.

Положим C₃ = 4700 пФ

C₄ = C₃ ⋅n = 0.015743 мкФ

R₅ = R₂ = 15 кОм

Выбираем элемент связи R₄ = (0.3÷1.2)⋅ R₁ = 5.6 кОм

Частота излома f₂ = n⋅ f₁ = 502.448 Гц

1

                              f₃ =   ⋅ f₄ = 3.582 кГц n

Выпишем значения элементов регулятора тембра: R₁ = 4.7 кОм                  C₁ = 0.068 мкФ

R₂ =15 кОм                  C₂ = 0.22 мкФ R₃ = 1.5 кОм                  C₃ = 4700 пФ

R₄ = 5.6 кОм              C₄ = 0.015 мкФ

R₅ =15 кОм

Рассчитаем входное сопротивление регулятора тембра

Коэффициент  передачи регулятора тембра K_р.т. =          = 0.298 

20

4. Расчёт входного каскада.

Входнойкаскад нужен для компенсации ослабление сигнала в регуляторе