Усилитель сигналов звуковой частоты

12. Номинальное входное напряжение РТ:

                           U_{ВХ Т} = U_{ВХ СЛЕД}/K = 0,069/0,25 = 0,278 (В)                   (2.2.20)

 

2.2.3 Расчет  каскада предварительного усиления КПУ

    Каскад предварительного усиления КПУ выполнен на основе полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком. Полевой транзистор обеспечивает высокое входное сопротивление. 

Рисунок 9 – Схема каскада предварительного усиления

 

          Каскад предварительного усиления  для схемы усилителя мощности  будет являться генератором сигнала  с некоторым U_Г и внутренним R_Г. При этом необходимо учитывать, чтобы сквозной коэффициент незначительно отличался от коэффициента усиления по напряжению, необходимо осуществить согласование каскадов, заключающееся в малом падении напряжения на R_Г по сравнению с U_Г:

     Напряжение  на нагрузке КПУ равно входному  напряжению усилителя U_ВХТ = 280 мВ.

1. Амплитуда напряжения и тока нагрузки:

                       U_НМ = U_Н = 280⋅10^-3⋅ = 0,395 (В)            (2.2.21)

         I_НМ =0,395/2000 = 0,198 (мА)              (2.2.22)

    

2. Напряжение источника питания:

E₀ /2=16,5 (В)         (2.2.23)

3. Выберем транзистор КП365:

Таблица 8 – параметры транзистора

	тип	Pmax, mВт	Icmax, мА	I0c, мА	U0з, В	S, мА/В	Iзmax, мА
КП365	n-канал	300	150	30	3	8	200

 

4. Зададимся рабочей точкой схемы:

U_отс =3 В, I_cо =30 мА, I_c =15 мА, S₀=8 мА/В

 

5. Определим напряжение U_зи:

U_зи = U_отс (1- )= 3 (1- )=0,87 (В)    (2.2.24)

6. Определим сопротивление в цепи истока:

R_и= = =68 (Ом)     (2.2.25)

7. Определим крутизну в рабочей точке:

S= S₀ (1- ) = 8 (1- ) =5,7 (мА/В)      (2.2.26)

8. Зададимся напряжением на стоке:

U_си ≥ U_отс+ U_с+ U_зп=3+0,87+2= 5,87 (В)     (2.2.27)

U_зп выбираем из промежутка 2…3 В

U_с размах напряжения сигнала на выводе стока

9. Расчитываем сопротивление стока:

R_с = = =680 (Ом)     (2.2.28)

10. Определим коэффициент усиления:

K= S 0,0057 = 3,7             (2.2.29)

11. Определим R_з:

R_з ≤ = =270 (кОм)        (2.2.30)

I_з= = = 3,5 (мкА)     (2.2.31)

                                                                       

12. Определим значения емкостей:

C_p1= = =6,8 (нФ)    (2.2.32)   

                           

C_p2= = = 1 (мкФ)            (2.2.33)

 

C_p3= = = 120 (нФ)   (2.2.34)  

                           

C_p2= = = 470 (мкФ)     (2.2.35)    

                                                      

C_и= = = 120 (мкФ)     (2.2.36)  

13. Определим входное сопротивление  каскада предварительного усиления:

R_вх= R_з=270( кОм)                                                                                   (2.2.37)

 

 

2.2.4 Регулятор усиления

Для уменьшения влияния регулятора усиления на регулятор  тембра его отделяют от РТ каскадом СК. Это объясняется тем, что регулятор тембра имеет большое выходное напряжения. Регулятор тембра же требует малого выходного сопротивления каскада, поставленного перед ним.

  R_{ВЫХ.ПРЕД} = 20 кОм и   R_{ВХ.СЛЕД} = 270 кОм

R_У = = = = 75 (кОм)  (2.3.8)             

    

 

 

 

Рисунок 10 - Схема регулятора усиления.

 

 

 

3 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ

3.1 Моделирование схемы усилителя мощности 

 

Моделирование схемы усилителя звуковой частоты  проводится в программе MicroCap. Данная программа позволяет смоделировать работу схемы, наглядно показать форму выходного стгнала, полосу пропускания и коэффициент усиления. Схема усилителя мощности с рассчитанными ранее параметрами представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Схема усилителя мощности

Рисунок 12 - Форма  сигнала на входе и выходе усилителя

Из рисунка 12 видно, что входной сигнал усиливается  в 215 раз, что значительно превышает  исходный расчет,  это обпеспечивает  нашей схеме значительный запас  по усилению. По форме сигнала на генераторе и нагрузке можно судить об отсутствии искажений и постоянной составляющей в выходном сигнале.

По АЧХ можно  судить о влиянии реактивных элементов  в полосе частот усилителя, которые  не оказывают на каскад УМ воздействия на среднних частот и коэффициент усиления в полосе пропускания максимальный.

 

Рисунок 13 – АЧХ усилителя мощности

На  рисунке 13 мы можем наблюдать полосу пропускания  усилителя,  fн=24 Гц, а fв=1 МГц, что в целом соответствует исходным данным.

Таким образом, моделирование в среде Micro Cap 9 показало, что реальные характеристики усилителя звуковой частоты в целом соответствует рассчитанным данным. Отклонения от реальных значений вызвано, прежде всего приближенностью вычислений, выбором номиналов элементов из имеющихся дискретных рядов, неточностью использованных для расчетов значений параметров элементов.

        

 

 

4 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

В общем случае усилитель звуковой частоты можно  представить в виде двух элементов: предварительный усилитель (УП) и усилитель мощности (УМ).

Предварительный усилитель осуществляет согласование высокоомного генератора и УМ, а  также усиление сигнала генератора до уровня, необходимого для работы УМ. В предварительном усилителе  осуществляется регулировка сигнала звуковой частоты, что ведет к падению напряжения на регуляторе тембра. С этой целью в  УП входит каскад с общим эмиттером, который усиливает сигнал по напряжению. Для ограничения этого усиления он охвачен обратной связью, которая к тому же, увеличивает полосу пропускания каскада.

Усилитель мощности служит для получения большого КПД  на низкоомной нагрузке, что требует  больших амплитуд сигнала. Он представляет собой три каскада, охваченных общей  ООС, которая осуществляется цепочкой  R₅, R₄ и C₁.

Входной каскад УМ выполнен по схеме дифференциального усилителя, в котором, за счет двух входов: VT1 по схеме ОЭ и VT2 по схеме ОК-ОБ, а двух выходов происходит подавление синфазной помехи с предварительного усилителя. Входной каскад выполняет усиление сигнала по напряжению. Но из-за ограничения сопротивления коллекторной цепи, главным образом за счет входного сопротивления каскада VT3, выполненного по схеме с ОЭ, больших усилений по напряжению он не дает.

Предоконечный каскад выполнен на транзисторе VT3 по схеме ОЭ, охваченный местной положительной обратной связью, которая, в отличие от отрицательной ОС, увеличивает коэффициент усиления, но уменьшает полосу пропускания. За счет этого достигается включение в коллекторную цепь транзистора VT3 динамической нагрузки, которая по переменному току увеличивается порядка 10 раз. В результате каскад дает большое усиление по напряжению.

Входной и предоконечный  каскад работают в режиме A, который работает в линейном режиме и характеризуется получением большой амплитуды выходного сигнала при малых его искажения. Но КПД при этом получается невысоким.

Оконечный каскад рассчитан на получение большого КПД на низкоомной нагрузке при большой  амплитуде сигнала, которое достигается  его работой в режиме B или AB. Последний чаще применим, ввиду малых искажений сигнала. Каскад в режиме B работает не в линейном режиме: ток в выходной цепи протекает только в течении половины периода изменения напряжения вхожного сигнала. По этой причине оконечный каскад выполняется по двухтактной схеме, которая достигает прохождение сигнала в течении всего периода. КПД такого каскада достигает 70%.

За счет включения  в цепь базы транзисторов оконечного каскада диодов достигается небольшое  смещение их потенциалов друг относительно друга, что устраняет нелинейность на выходе. В тоже время диоды являются термозависимыми элементами, а температура для биполярных транзисторов является основным дестабилизирующим фактором. Это приводит к тому, что при увеличении смещения потенциала базы за счет увеличения температуры, происходит увеличение проводимости диодов и уменьшению напряжения на базе. Это приводит к стабилизации рабочей точки.

Транзисторы оконечного каскада охвачены местной обратной связью, которая приводит к стабилизации параметров транзистора.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы разработан трехкаскадный усилитель звуковой частоты для стационарной аппаратуры 0 группы сложности. Его полоса пропускания: fн=24 Гц, а fв=1 МГц. По рассчитанным параметрам были подобраны реальные элементы, используемые в настоящее время. Разработана электрическая принципиальная схема усилителя. С помощью программы Micro Cap 9 исследованы параметры и характеристики усилителя, а именно форма выходного сигнала и амплитудно-частотная характеристика, которые удовлетворяют требованиям технического задания и подтверждают правильность рассчитанных параметров схемы .

 

 

CПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] Попов, Э. Г. Аналоговые  электронные устройства: Методическое  пособие для студентов специальностей  «Радиотехника» и «Радиотехнические  системы». В 5 частях. – Мн.: БГУИР, 1995-2002.

[2] Крушев, В.Т. Аналоговые электронные устройства: методическое пособие по проведению курсового проектирования для студентов всех форм обучения специальности «Радиотехника» и «Радиотехнические системы» / В.Т. Крушев, Э.Г. Попов,  Н.И. Шатило - Мн.: БГУИР, 1997.

[3] Галкин, В. И.  Справочник. Полупроводниковые приборы. Транзисторы широкого применения/ А. Л. Булычев, П. М. Лямин – Мн. : Беларусь 1995.

 

[4] Петухов, В. М.  Справочник. Маломощные транзисторы и их зарубежные  аналоги – М. : КУбК-а 1996.

 

[5] Сапаров, В. Е.  Системы стандартов в электросвязи и радиоэлектронике/ Н. А. Максимов – М. : Радио и связь. 1985.