Усилитель низких частот

Федеральное агентство  по образованию

 

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ  СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

 

 

 

 

 

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

 

 

 

 

 

 

 

 

УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

 

Пояснительная записка  к курсовому проекту по дисциплине

“Аналоговая схемотехника”

Пояснительная записка  к курсовому проекту

ФЭТ БР. ХХХХХХ. 001 ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

Студент гр. 365-1

_________ А.Ю. Хуторной

подпись __________

«___» ________ 2008

 

Руководитель проекта

_________ А.В. Топор

подпись __________

«___» ________ 2008

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2008

Федеральное агентство  по образованию

 

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 

 

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

 

 

УТВЕРЖДАЮ

 

Зав. кафедрой ПрЭ

д.т.н., профессор

 

_______ А.В. Кобзев

 

 

ЗАДАНИЕ

 

на курсовое проектирование по дисциплине «Аналоговая схемотехника» студенту____________

______________________Хуторному Александру Юрьевичу_______________________________

_____________ группа ________365-1_________факультет ____________ФЭТ________________

Тема проекта: ___________________ Усилитель низкой частоты____________________________

утверждена приказом по ВУЗу  №__________ от «___» __________ 200_г.

Срок сдачи студентом законченного проекта ___________________09.04.08__________________

Исходные данные к  проекту:

 

Вариант	,Вт	,Ом	,мВ	,Ом	,Гц	,кГц	,ºС
37	37	4	100	500	20	20	60

 

Содержание пояснительной  записки (перечень подлежащих разработке вопросов): выбор и обоснование принципиальной электрической схемы УНЧ, расчет каскадов усилителя, анализ устойчивости и синтез корректирующей цепи, построение амплитудно-частотных характеристик.

Перечень графического материала (с точным указанием графических  чертежей и схем): схема электрическая  принципиальная, перечень элементов  принципиальной электрической схемы  УНЧ.

Дата выдачи задания: ____________________20.02.08______________________________________

Руководитель

доцент кафедры ПрЭ _____________________________________ А.В. Топор

 

Задание принял к исполнению ____________________________________________

(дата и подпись  студента)

 

Содержание

 

1  Введение  4

2  Выбор и обоснование  электрической принципиальной  схемы   5

3  Расчет усилителя низкой частоты                                         

     3.1 Расчет выходного каскада          8

    3.2 Расчет предоконечного каскада         11

     3.3 Расчет входного каскада          12

     3.4 Расчет элементов цепи обратной связи        13

4  Экспериментальная  часть по моделированию работы  УНЧ       14

5 Заключение             17

Список используемой литературы          18

ФЭТ КП.5.034.008 Э3 Электрическая принципиальная схема УНЧ      19

ФЭТ КП.5.034.008 ПЭ3 Перечень элементов электрической

принципиальной схемы  УНЧ   20

 

1 ВВЕДЕНИЕ

 

Усилители мощности низкой частоты широко применяются в звукотехнике. Они предназначены для усиления напряжения звуковой частоты и подачи его на акустические системы. Усилители на транзисторной элементной базе имеют высокие технические показатели. Резкий скачок в усовершенствовании усилителей произошел после того, как нашла применение отрицательная обратная связь (ООС), снижающая нелинейные искажения и улучшающая стабильность усилителя. В этом случае усилитель представляет собой замкнутую систему, которая, как известно из теории автоматического управления, может быть неустойчивой. Для получения удовлетворительной динамики в усилитель вводятся элементы коррекции частотной характеристики.

Многообразие назначений усилительных устройств порождает  различные требования, которым должны удовлетворять усилители. В связи  с этим усилители могут различаться  между собой как по элементной базе, особенностям электрической схемы, так и по конструкции, не смотря на то, что можно наметить общую методику, которой следует придерживаться при проектировании усилителей.

 

2  ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

 

В начале любой системы  звукопередачи, как правило, находится предварительный усилитель, основные назначения которого – увеличить уровень входных сигналов и согласовать выходное сопротивление источника и входное сопротивление усилителя. Для этих целей подойдет схема на операционном усилителе (рис.1).

Рисунок 1 – Входной каскад

 

Входной каскад с регулировкой коэффициента усиления обеспечивает предварительное  усиление сигнала по напряжению. В нем используется неинвертирующее включение операционного усилителя DA1, что позволяет получить большое входное сопротивление УНЧ. Оно определяется величиной сопротивления резистора R3 и может составлять сотни килоом. Практически нулевое выходное сопротивление каскада делает его идеальным источником напряжения для последующего функционального блока УНЧ.

За входным каскадом следуют устройства индивидуальной обработки сигналов, в данном курсовом проекте предлагается использование регулятора тембра (регулятор нижних и верхних частот). Воспользуюсь схемой активного регулятора тембра на операционном усилителе [1] (рис.2).

 

Рисунок 2 – Активный регулятор тембра

 

Операционный усилитель включен  по инвертирующей схеме. Преимущества данной схемы:

• в нейтральном положении регулятора (равномерная передача во всей полосе частот) затухание равно 0 дБ, коэффициент усиления операционного усилителя равен единице, благодаря чему нелинейные искажения и шум снижаются;
• низкоомный выход;
• возможность применения потенциометра с линейной характеристикой регулирования;
• возможность создания симметричности областей подъема и спада частотной характеристики.

Необходимая интенсивность выходного сигнала обеспечивается оконечным каскадом. Оконечным называется каскад, с выхода которого колебание поступает в нагрузку усилителя. Все предыдущие каскады по сравнению с оконечным являются маломощными. Именно он определяет КПД всего усилителя, а также требуемые напряжение и мощность источника питания, т.е. в значительной степени определяет стоимость всего устройства и его эксплуатации.

Однотактные схемы усилителей в  режиме «A» обладают минимальными нелинейными искажениями сигнала, но при этом их КПД очень мал. Двухтактные усилители в режиме «В» имеют высокий коэффициент полезного действия, но при этом они имеют высокие для аудиосистем нелинейные искажения, ввиду кривизны начального участка передаточной характеристики транзистора . Поэтому для усиления переменного сигнала применяют двухтактные схемы в режиме «AB».

В качестве оконечного каскада  УНЧ выберу схему, приведенную на рис.3.

Рисунок 3 – Выходной каскад УНЧ

 

3  РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

3.1 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ВЫХОДНОГО КАСКАДА

Задача состоит в выборе основных элементов двухтактного выходного  каскада усилителя звуковых частот с мощностью  Вт и сопротивлением нагрузки  Ом. Усилитель низкой частоты выполнен по схеме с квазидополнительной симметрией выходных транзисторов. Усилитель питается от двухполярного источника. В точке покоя напряжение на нагрузке устанавливается равным нулю. В УНЧ используется цепь параллельной отрицательной обратной связи по напряжению через резистор R1 и вольтодобавочная цепь положительной обратной связи за счет элементов C2 и R6.

Для получения хороших  энергетических показателей и небольших  нелинейных искажений выберем режим  «АВ». Резисторы R9 и R10, служащие для температурной стабилизации исходных рабочих точек оконечных транзисторов VT4 и VT5, выберем порядка (5…15)% от Rн. Это делается для толг8о чтобы они не сильно уменьшали КПД. Вберем R9 = R10 = 1 Ом из ряда Е12 с номинальной мощностью рассеивания 1 Вт.

1. Тогда полное сопротивление нагрузки одного плеча составит:

 Ом.

2. Требуемая максимальная  выходная мощность, которую должны  обеспечить транзисторы:

 Вт.

3. Максимальная амплитуда  тока нагрузки:

 А

4. Требуемая величина  напряжения источника питания:

 В,

где В.

Выбираем Е = 24 В

5. Максимальная мощность  потерь в каждом из выходных  транзисторов:

 Вт,

где - коэффициент использования напряжения источника питания.

6. Максимальное напряжение  на оконечном транзисторе каждого  плеча:

 В.

7. По значениям  , и выбираем оконечные транзисторы типа КТ803А ( А, В, Вт, , пФ, МГц)

8. Ток покоя оконечных транзисторов выбираем в диапазоне (3…10)% от тока нагрузки

 А.

Исходный ток через резистор R7 примем равным 10% от :

 мА.

Исходное напряжение на резисторе R7:

 мВ.

Где - пороговое напряжение входной характеристики транзистора.

Величина сопротивления резистора R7:

 Ом

Выбираем R7 = R8 = 43 Ом из ряда Е6 с допустимым отклонением 10%.

9. Максимальное напряжение  на резисторе R7:

 В.

Максимальные токи:

 мА;

 А;

 А.

10. Максимальный ток  транзистора VT2:

 мА.

Максимальное напряжение на транзисторе VT2

 В.

Напряжения на транзисторах VT2 и VT4 практически одинаковы. Поэтому их максимальные мощности потерь различаются во столько же раз, что и токи:

 Вт

Выбираем транзисторы по найденным значениям максимального тока, напряжения и мощности. В качестве VT2 выбираем транзистор типа КТ646А, а в качестве VT3 выбираем транзистор КТ644А. ( А, В, Вт, , МГц).

11. Максимальный ток  коллектора в рабочей точке  транзистора VT1.

 мА.

12. Требуемый ток коллектора  в рабочей точке транзистора VT1.

 мА.

Принимаем ток  мА.

Максимальная мощность потерь в транзисторе VT1.

 мВт.

В качестве VT1 выбираем транзистор КТ646А

13. Принимаем  В. Тогда Ом.

14. Напряжение смещения  на резисторе R4.

 В.

Отсюда находим  Ом.

15. Суммарное падение напряжения на резисторах R3 и R6 определим как разность:

 В

Следовательно, кОм.

Сопротивление резистора R6 из условия:

 и 

Выберем кОм, кОм из ряда Е12.

Напряжение на вольтодобавочном конденсаторе С2 составит

 В.

Когда напряжение на нагрузке достигает максимального значения

 В.

Напряжение в точке  вольтодобавки составит

  В.

16. Ток делителя, задающий  режим работы транзистора VT1, выбираем на порядок больше тока базы этого транзистора:

 мА.

Тогда легко рассчитать значения сопротивлений резисторов:

 Ом

 кОм 

17. Для температурной  стабильности начального смещения  выходных транзисторов применим  три последовательно включенных  диода КД503А с прямым падением напряжения 0.65В.

18. Рассчитаем КПД.

Суммарная мощность потерь в выходных транзисторах – Вт, в транзисторах предоконечного каскада - Вт, в резисторах R9 и R10 – 1.25 Вт

 или 61%

      3.2 РАСЧЕТ ПРЕДОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

 

Применен активный симметричный регулятор  тембра (рис.2), не вносящий потерь в нейтральном положении. Операционный усилитель охвачен цепями отрицательной обратной связи, представляющими собой частотно зависимые делители напряжения нижних (R1,R2,R_К,С1) и верхних (R3,R4,C2) частот.

Перед тем как рассчитывать элементы схемы необходимо задаться максимальным коэффициентом усиления на нижних и верхних частот. Для выполнения условий технического задания, коэффициент усиления всей схемы должен быть

Тогда при симметричном регуляторе тембра можно выбрать

Задамся сопротивлением кОм

 кОм

 нФ

 кОм

 кОм

 пФ

 кОм

Для защиты регулятора нижнечастотной области от постоянного тока в  его цепь целесообразно включить потенциометр. Рабочая точка устанавливается  с помощью дополнительного сопротивления  в цепи обратной связи 

 МОм

Для предотвращения самовозбуждения при полностью введенном регуляторе ВЧ в цепь включается компенсирующее звено R_c-C_c

 кОм     нФ

 

 

      3.3 РАСЧЕТ ВХОДНОГО КАСКАДА

 

Входной каскад построен на неинвертирующем включении операционного усилителя (рис.1), что позволяет задать большое входное сопротивление каскада, определяемое резистором R3. Резистор R3 выбирается как можно больший, чтобы не было перераспределения входного сигнала на внутреннее сопротивление источника, но при этом уровень помех также должен учитываться. Как правило, выбирают