Расчет усилительного устройства на транзисторах

Заключение

В результате выполнения курсовой работы была разработана схема усилителя с мощностью в 20Вт при нагрузке 20 Ом. В ходе ее выполнения был глубоко изучен и проработан материал по аналоговой схемотехнике. Были рассмотрены различные варианты построения усилителей мощности и получены практические навыки по их разработке на основе предъявляемых требований.
Спроектированный усилитель полностью удовлетворяет тре¬бова-нию технического задания.

...

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ 2
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 7
1.1 ОБЗОР СХЕМ УМНЧ 7
2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УМЗЧ 17
3. ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ 20
4. РАСЧЕТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ 21
4.1 РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА 21
4.2 РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ГАРМОНИК. 23
4.3 РАСЧЕТ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КАСКАДА. 26
4.4 РАСЧЕТ ВХОДНОГО КАСКАДА 29
4.5 РАСЧЕТ ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ 31
4,6 РАСЧЕТ МОЩНОСТЕЙ РАССЕИВАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТАМИ СХЕМЫ 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 33
АНАЛИЗ РАЗРАБОТАННОГО УСИЛИТЕЛЯ В ПРОГРАММЕ MICRO-CAB 7.0.0 34

Введение

Электронные усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ) предназначены для усиления сигналов переменного тока, частоты которых лежат в интервале от низкой частоты fн до какой-то частоты fв. Они используются в разнообразнейших по назначению, технических устройствах, различающихся по полосе рабочих частот, по характеру нагрузки, по условиям применения.
Особенности УМЗЧ, требования к их показателям во многом определяются характером нагрузки и условиями их применения. Нагрузка в подавляющем большинстве случаев носит комплексный характер, являясь электромагнитным или электростатическим устройством. Условия применения УМЗЧ определяют диапазон изменений температур окружающей среды, в котором усилитель должен сохранять полную работоспособность, вид механических воздействий, требования к ве совым и энергетическими показателями.
Круг требований к УМЗЧ с довольно широкой полосой рабочих частот связан, в основном, с интервалом рабочих частот, в пределах которого полезный сигнал должен усиливаться с допустимыми частотными и нелинейными искажениями. УМЗЧ с узкой или фиксированной рабочей частотой предназначены, в основном, для работы на демодуляторы или двухфазные индукционные двигатели. Основные требования к таким усилителям связаны с фазочастотной характеристикой. Однако отмеченные особенности УМЗЧ не исключают общего подхода к проектированию.
Рассмотренные усилители характеризуются различными конструктивными и энергетическими показателями. К первым можно отнести вес и габариты, выделение тепла, стойкость к механическим воздействиям и прочим. К энергетическим следует отнести показатели, характеризующие режим работы транзисторов, свойства усилителей по отношению к сигналу переменного тока. Важнейшими из них являются коэффициент усиления по напряжению (току, мощности), его стабильность, полоса рабочих частот, коэффициент частотных искажений, угол сдвига фазы между входным и выходным сигналом, входное и выходное сопротивление, коэффициент нелинейных искажений. О таких показателях УМЗЧ можно сказать следующее. Если в усилителе не предусмотрены специальные меры стабилизации, то его коэффициент усиления может измениться в широких пределах из-за большого технического разброса параметров транзистора.
Транзисторные усилители имеют сравнительно небольшую верхнюю граничную частоту усиления, если в оконечном каскаде использован мощный транзистор. Вместе комплексными цепями связи это приводит к значительным частотным искажениям усиливаемого сигнала. Нелинейность вольтамперных характеристик транзистора является источником больших нелинейных искажений на выходе усилителя. Физические свойства транзистора как усилительного элемента определяют низкое входное и высокое (при работе транзистора в активной области) выходное сопротивление усилительного каскада.
Для оценки возможности использования таких транзисторных усилителей сопоставим основные параметры с требованиями, которые к ним часто предъявляются. Усилитель связан входной цепью с источником сигнала, не допускающим, как правило, сколько-нибудь значительных нагрузок по току. Это заставляет искать пути увеличения входного сопротивления транзистора в десятки, сотни и тысячи раз. Входная цепь усилителя передает усиленный сигнал в нагрузку. Во многих случаях удобно подавать питание в нагрузку либо от источника тока (внутреннее сопротивление усилителя стремиться к бесконечности), либо от источника напряжения (внутреннее сопротивление усилителя близко к нулю). Иначе говоря, одной из практических задач при проектировании усилителя является изменения его входного сопротивления. Требования повышения точности работы системы в различных климатических устройствах вынуждают стабилизировать коэффициент усиления. В усилителях, работающих в радиотехнических системах, всегда жесткие требования предъявляются к частотным искажениям, а в усилителях системы автоматики, управляющих двигателями переменного тока, к уменьшению фазового сдвига. Обычно, без специальных мер, транзисторные усилители не удовлетворяют этим требованиям.
Таким образом, условия применения транзисторных усилителей в различных электронных устройствах намечают определенную направленность в изменении свойств УМЗЧ. Эти задачи усложняются требованиями сохранения работоспособности усилителя в широком температурном диапазоне окружающей среды и значительным техническим разбросам параметров транзисторов.

Усилитель тока на транзисторах VT8, VT9 работает с током покоя около 3 мА, определяемым резистором R16. Ток покоя кас­када усиления по напряжению на транзисторе VT10 равен 8 мА. Транзистор VT7 защищает этот каскад от перегрузок.
Предоконечный и выходной каскады вы­полнены на транзисторах VT14—VT17. Ток покоя предвыходного каскада, определяемый резистором R29, равен приблизительно 25 мА. Температурную стабилизацию тока покоя выходного каскада осуществляет транзистор VT11, установленный на общем с выходными транзисторами теплоотводе. Ток покоя выходного каскада (в пределах 40...60 мА) регулируют резистором R19. На транзисторах VT12, VT13 выполнен узел быстродействую­щей защиты мощных транзисторов от корот­кого замыкания в нагрузке. Обычную защиту обеспечивают предохранители FU1 и FU2. В редко встречающемся случае поврежде­ния выходных транзисторов эти предохрани­тели также ограничивают ток через нагруз­ку 2 А, что соответствует мощности 32 Вт на нагрузке сопротивлением 8 Ом.
Весь усилитель охвачен цепью общей ООС с элементами Rll, C5, R10; усиление опре­деляется соотношением сопротивлений ре­зисторов R10 и R11. Дополнительные эле­менты С7, R12, включенные последовательно с ООС, осуществляют низкочастотную кор­рекцию, позволяющую воспроизводить низко­частотные прямоугольные импульсы без спада плоской вершины импульса.
Кроме того, усилитель охвачен двумя петлями дополнительных цепей обратной связи с элементами С9, С11, позволяющих заметно уменьшить гармонические искаже­ния. За рубежом усилители с такими допол­нительными связями получили название усилителей с гнездовыми дифференцирую­щими петлями обратной связи (буквальный перевод выражения Amplifier Using Nested Differentiating Feedback Loops или усили­тель NDFL-типа).
Цепь Rl, C2 образует ФНЧ с частотой среза 200 кГц.
В любом усилителе, где искажения из­меряются тысячными долями процента, ста­новится очень важным определение и устра­нение причины возникновения искажения. Одна из таких причин связана с токами, циркулирующими в шинах «земля» и шинах источника питания. Любая взаимная ин­дуктивность между проводом источника пи­тания (включая землю) и сигнальным про­водом (также включая землю) вызывает по­явление четных гармонических искажений, не устраняемых цепью ООС. Поэтому в этих случаях очень важными становятся разводка проводов и размеры шин, «земля» и источника питания на печатной плате и разводки между платой усилителя, входными и выход­ными разъемами и источником питания.
В конструкции усилителя используются три раздельные шины земли: сигнальная (вывод 8), сильноточная (вывод 6) и земля метал­лического шасси—корпус. Все шины объе­диняются через корпус следующим образом. Сигнальная земля от платы усилителя свя­зана с шасси через экранную оплетку вход­ного сигнального провода. Выводы с платы от сильноточной земли и выхода усилителя скручиваются, образуя витую пару, и провод сильноточной земли также прикрепляют к шасси. Кроме того, с землей шасси соеди­няют вывод от источника питания. Через резистор R3 связаны сигнальная и сильно­точная шины земли на плате усилителя. Этот резистор на низких частотах замкнут накоротко через экран входного провода и провод сильноточной земли. Но на высо­ких частотах, где сказывается индуктив­ность проводов, резистор R3 обеспечивает замыкание земляных шин. Дроссели L1 и L2 в цепях питания подавляют циркули­рующие токи.
2. Выбор структурной схемы УМЗЧ
Учитывая технические требования к усилителю, целесообразно использовать следующую структурную схему усилителя, представленную на рисунок 6.
Рисунок 6 – Структурная схема усилителя.
Рассчитаем коэффициент усиления, который должен давать разрабатываемый усилитель:
Поскольку в качестве выходного каскада задано использовать трансформаторный каскад, то его можно сделать по схеме общий эмиттер.
Учитывая сквозной коэффициент усиления, достаточно высокую выходную мощность и опираясь на анализ устройств, приведенный в первой главе, целесообразно использовать следующее схемотехническое решение, представленное на рисунке 7.
Входной каскад реализуется по дифференциальной схеме. Промежуточный каскад является вторым каскадом усиления напряжения. Он также служит источником напряжения смещения рабочей точки для выходного каскада(ΔU). Основную проблему в схемах, где промежуточный каскад является источником напряжения смещения ΔU для оконечных каскадов, представляет задача обеспечения термической стабильности биполярных транзисторов в выходных каскадах.
Выходной каскад служит усилителем тока и в общем виде может рассматриваться как преобразователь импедансов, согласующий низкоомный выход каскада с нагрузочным сопротивлением (повторитель напряжения с коэффициентом усиления КU ≈ 1). Чаще этот каскад выполняется по двухтактной схеме, что позволяет транзисторы использовать в экономичном режиме В или АВ. Для мощных выходных каскадов в место одиночных транзисторов используют составные транзисторы, включенные по схеме Дарлингтона.
Найдем максимальный ток в нагрузке:
.
Найдем падение напряжения на нагрузке:
.
Для многокаскадного УМЗЧ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется следующим образом:
,
где М - результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ;
М - коэффициент частотных искажений i-го каскада, дБ.
Предварительно распределить искажения можно равномерно, при этом
В последующем, исходя из результатов промежуточных расчетов, возможно перераспределение искажений между каскадами.
Частотные искажения УУ в области нижних частот (НЧ) определяются следующим соотношением:
,
где М - результирующий коэффициент частотных искажений в области НЧ, дБ;
М - искажения, приходящиеся на i-й элемент, дБ;
N - количество элементов, вносящих искажения на НЧ.
3. Выбор источника питания
Напряжение источника питания должно удовлетворять условию:
,
Где EП - напряжение источника питания,
UНМ - амплитуда напряжения сигнала на выходе,
UН - коллекторное напряжение, при котором транзистор входит в режим насыщения (Определяется по справочным данным и составляет UН = (0,5...2)В),
UДОП - запас напряжения, учитывающий температурную нестабильность каскада (Составляет Uдоп = (2...5), В).
Таким образом напряжения питания составляет:
.
Величину напряжения питания округляем до большего значения и выбираем необходимое из ряда напряжения питания.
Ряд напряжения питания
Eп, В 5 6 9 12 15 24 30 48 60 100 150
Выбираем напряжение питания равным EП = 60В.
4. Расчет принципиальной схемы усилителя
4.1 Расчет выходного каскада
Схема выходного каскада представлена на рисунке 7.
В схеме резисторы R16 и R17 ускоряют отток зарядов с баз выходных транзисторов.
Максимальный ток коллектора выходных транзисторов равен току в нагрузке:
.
Максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторах:
.
Транзисторы выбираем по допустимым параметрам:
;
;
.
Для выходных транзисторов этим параметрам удовлетворяет комплементарная пара VT11 -КТ819В(n-p-n) и VT12 - КТ818В(p-n-p), а для VT9 и VT10 подойдут соответственно КТ817В и КТ816В.
Считаем, что плечи каскада симметричны, поэтому расчет будем вести для одного плеча.
Максимальный ток базы IБ3М транзистора VT11 найдем по формуле:
.
Поскольку с увеличением частоты усиление по току выходного транзистора VT11 уменьшается (т. е. при быстрых изменениях сигнала входной транзистор VT9 отдает больше тока), ток коллектора транзистора VT9 предусмотрительно увеличивается в 10 раз:
.
Ток покоя выбираем из условия:
,
.
Падение напряжения на резисторе RЭ выбирается таким, чтобы при большом повышении температуры выходной транзистор VT11 был заперт. Оптимальное значение UR16 = 0,4 В. Тогда
.
Максимальный ток и ток покоя базы найдем из выражений:
,
, где
UПОТ11 = 0,65 В,
h21Э – статистический коэффициент усиления тока транзистора VT9.
Определим входное сопротивление каскада по входным статическим характеристикам БТ:
rБЭ9 = ∆UБЭ9/∆Iб9=85,31 Ом;
rБЭ11 = ∆UБЭ11/∆Iб11=5,12 Ом.
4.2 Расчет коэффициента гармоник.
Так как наибольшие искажение дает выходной каскад, то расчет коэффициента гармоник будем проводить не для всей схемы, а только для этого каскада.
Коэффициент гармоник определим методом пяти ординат. Для этого построим сквозную динамическую характеристику выходного каскада IK2 = f(UИСТ).
где RИСТ – выходное сопротивление промежуточного каскада,
UВХ = UБЭ9 + UБЭ11 .
Т.к. RИСТ << RВХ, то
Для построения сквозной динамической характеристики нужно определить по статистическим характеристикам транзисторов зависимости (рисунок 7):
,
которые отобразим в виде таблицы (см. таблица №1). Зависимость IБ11 = f(IK9) находим по формуле:
.
Таблица №1
IК11, А
IБ11, мА
IК9, мА
IБ9, мА
UБЭ9, В
UБЭ11, В
UВХ, В
116