Усилитель звуковой частоты

ГО БУ «Чувашский Государственный  университет имени И.Н.Ульянова»

 

Кафедра Радиотехники и радиотехнических систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по дисциплине Схемотехника АЭУ

На тему:

«Усилитель звуковой частоты»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы РТЭ 51-09

Горин А.С.

Проверил:

зав. каф. РРС

           д.т.н., профессор

          Пряников В.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2011

 

 Содержание

 

Введение 3

Технические условия………………………………………………………………..5

 

1. Выбор и обоснование структурной УЗЧ 6

2. Разработка принципиальной электрической схемы УЗЧ 11

3. Электрический расчет УЗЧ 14

3.1. Расчет выходного каскада усилителя 15

3.2. Расчет предварительного каскада усилителя 22

3.3. Расчет входного каскада усилителя 27

Заключение………………………………………………………………………….32

 

Список использованной литературы 33

 

 

Введение

 

Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебания с некоторым уровнем мощности получить на выходной нагрузке те же колебания, но с большим уровнем мощности. Эффект увеличения мощности (усиление) возможен только в том случае, если в самом устройстве имеется некоторый источник, из которого черпается энергия для создания увеличенной мощности на выходе. Этот принципиально необходимый для усиления источник энергии называется источником питания.

Энергия источника питания преобразуется  в энергию полезного сигнала с помощью так называемых активных элементов (униполярных и биполярных транзисторов, электронных ламп). Для связи активных элементов с источником входных колебаний между собой и выходной нагрузкой, а также, для того чтобы придать усилителю необходимые частотные свойства, применяют обычные пассивные элементы электрических цепей: резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Активные и пассивные элементы, выполненные либо в виде отдельных дискретных деталей, либо в едином технологическом цикле как интегральная система, соединяются нужным образом (собственно усилитель) и вместе с источником питания образуют усилительное устройство. Для усиливаемых сигналов усилитель, имея два входных и два выходных зажима, представляет собой электрический четырехполюсник.

По виду усиливаемых сигналов существует большое  количество усилителей, например усилители низких частот, усилители высоких частот, широкополосные усилители. Классификацию усилителей также можно проводить по схемотехнике их построения, так, например, существуют магнитные усилители, усилители на транзисторах, усилители на электронных лампах, усилители на базе интегральных схем. В настоящее время используют, главным образом, транзисторные усилители и усилители на базе интегральных схем. Широкое развитие таких усилителей обусловлено их минимальными габаритами, низким энергопотреблением, возможностью работы в широкой полосе частот и малыми искажениями усиливаемого сигнала.

В курсовой работе проводиться расчет усилителя звуковой частоты. В первой главе приводится предварительный расчет всего усилителя на транзисторах, рассчитывается число каскадов и строится его структурная схема. Далее разрабатывается принципиальная схема всех каскадов усилителя на транзисторах. Затем приводится подробный электрический расчет схемы и выбор соответствующих элементов транзисторного усилителя.

 

Технические условия 

 

 

 

Выходная мощность – 10Вт

Коэффициент нелинейных искажений  – 3%

Диапазон рабочей частоты  – 20-20000Гц

Коэффициент частотных искажений  –  = =1,6

Сопротивление нагрузки (тип  громкоговорителя) – 8Ом

Напряжение источника  питания – выбрать

Диапазон рабочих температур – + ÷

Амплитуда входного сигнала  – 0,1В

Сопротивление источника  сигнала – 1кОм 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор и обоснование  структурной схемы УЗЧ

 

Зная  выходную мощность усилителя, определим  амплитуду выходного напряжения:

 

        (1.1)

 

Определим коэффициент усиления усилителя:

 

         (1.2)

 

Сопротивление нагрузки усилителя представляет собой  малую величину R_н=8 Ом, в связи с этим оконечный каскад необходимо построить по схеме с ОК. Однако, если реализовать такой каскада в режиме класса А (задать положение рабочей точки в середине линии нагрузки), то КПД каскада будет низким, что повлечет за собой увеличение рассеиваемой на транзисторе мощности. Поэтому целесообразно построить выходной каскад по двухтактной схеме, транзисторы в которой должны работать, для уменьшения нелинейных искажений, режиме АВ.

Каскад  предварительного усиления построим по схеме с ОЭ.

Входной каскад построим по схеме с ОЭ. Так  как входное сопротивление такого каскада составляет 5…10 кОм, то есть сравнимо по величине с сопротивлением источника сигнала R_с=1 кОм, то следует учесть коэффициент передачи входной цепи. Коэффициент передачи входной цепи примем равным K_вц=0,8.

Предположим, что усилитель будет состоять из трех каскадов. Задавшись коэффициентом усиления выходного каскада (оконечного каскада) равным K_ок=0,9, определим коэффициенты усиления предварительного и входного каскадов, считая их равными:

 

     (1.3.)

 

Зная  уровень частотных искажений М_в=1,6 дБ, распределим частотные искажения по каскадам. Так как оконечный каскад вносит наибольшие искажения, то зададим .Частотные искажения входного и предварительного каскадов примем одинаковыми:

 

       (1.4.)

 

Переведем найденные величины из децибел в  относительные единицы:

 

       (1.5)

 

        (1.6)

 

Находим величину а_в:

 

      (1.7.)

 

      (1.8.)

 

Структурная схема усилителя приведена на рис. 1.2.

 

Рис. 1.2. Структурная  схема усилителя.

 

Входной и предварительный каскады усилителя строим по типовой схеме резисторного каскада с частотнонезависимой ООС. Общее число разделительных и блокировочных конденсаторов составит N_С=5 . Распределяем частные искажения равномерно:

 

        (1.9.)

 

Переведем найденную величину из децибел в относительные единицы:

 

        (1.10)

 

Находим величину а_н:

 

      (1.11.)

 

 

 

 

Произведем  выбор транзисторов, на которых будем  строить усилитель. При выборе транзисторов оконечного каскада следует учитывать следующие ограничения:

f_гр>5×f_в=5×20=100 кГц

Р_{к max} =10 Вт

U_{кэ max}> =18 В

I_{к max}= Р_{к max} /U_{кэ max}=10/18=0,55 А      (1.7)

Также следует  учесть, что транзисторы оконечного каскады должны работать в паре. Подходящим является пара составных транзисторов КТ825А – КТ827А, построенных по схеме Дарлингтона (рис.1.1). Основные технические параметры такого транзистора приведены в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1

Основные  технические параметры транзистора  КТ825А

Параметр	Значение	Единицы измерения
Iк max	20	А
Uкэ max	60	В
Рк max *	125	Вт
fгр	1	МГц
tк	125	пС
Скэ	40	пФ
rб'	8	Ом
тип проводимости	n–p–n

 

* - c теплоотводом, без теплоотвода Р_{к max}=3 Вт.

Рис. 1.1. Схема  Дарлингтона.

 

При выборе транзисторов каскадов предварительного усиления следует учитывать следующие  ограничения:

f_гр>5×f_в=5×20=100 кГц;

U_{кэ max}> =18 В.

Подходящим, для построения этих каскадов, является транзистор КТ325А. Основные технические параметры такого транзистора приведены в табл. 1.2.

 Таблица  1.2.

Основные  технические параметры транзистора  КТ325А

Параметр	Значение	Единицы измерения
Iк max	60	мА
Uкэ max	50	В
Рк max	0,225	Вт
fгр	100	МГц
tк	125	пС
Скэ	2,5	пФ
rб'	21	Ом
тип проводимости	n–p–n

 

 

2. Разработка принципиальной  электрической схемы УЗЧ

 

Входной каскад строим по схеме с ОЭ (рис. 2.1). Такая схема была выбрана из-за простоты и возможности обеспечения необходимого коэффициента усиления в широкой полосе частот.

 

Рис. 2.1. Принципиальная схема входного каскада.

 

Схема принципиальная предварительного и выходного двухтактного бестрансформаторного каскада на транзисторах разного типа проводимости представлена на рис.2.2. Выбор такой схемы обусловлен ее простотой – отсутствует фазоинверсный каскад, и эффективностью.

Рис. 2.2. Принципиальная схема предварительного и выходного двухтактного бестрансформаторного каскада.

 

Полная  электрическая принципиальная схема  усилителя звуковых частот представлена на рис. 2.3.

 

 

 

Рис. 2.3. Полная электрическая принципиальная схема усилителя звуковых частот.

 

3. Электрический расчет  УЗЧ

3.1. Расчет выходного каскада усилителя

 

Как было установлено выше, оконечный каскад строим по двухтактной схеме на транзисторах КТ825А – КТ827А, включенных по схеме  с ОК. Так как параметры транзисторов идентичны, то в дальнейшем будем  работать только с одним из них. Неидентичность параметров данной пары транзисторов, задаваемая при помощи коэффициента m, составляет m=1,2.

Расчет  каскада проводим графически для  одного плеча, содержащего транзистор КТ825А. Напряжение питания одного плеча равно половине напряжения питания усилителя.

Выбираем  напряжение питания усилителя:

 

       (3.1.1.)

где

- напряжение насыщения транзистора. 

Выбираем  стандартное значение напряжения питания  Е=24В.

 

Построим линию нагрузки на семействе выходных характеристик транзистора КТ825А (рис.3.1.1а).

 

1) U_кэ=Е/2, I_к=0

2) U_кэ=0, I_к=I_{к max}=Е/2R_н=24/16=1,5 А     (3.1.2.)

 

 

 

а)

б)

Рис. 3.1.1. ВАХ транзистора КТ825А.

 

Для обеспечении  режима работы АВ задаём следующие  параметры рабочей точки О:

• U_к0=11 В;
• I_к0=0,1 А;
• U_бэ0=1,75 В;
• I_б0=0,6 мА.

Определим, не превосходит ли мощность, рассеиваемая на коллекторе допустимой величины. Для  этого на семействе выходных характеристик  строим кривую:

 

U_кэ=3 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/3=41,6 А

U_кэ=6 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/6=20,8 А