Дисциплина: Аналоговые электронные устройства Специальность: Радиотехнические ситемы Форма обучения: Заочная Тип работы: Курсовая Год выполнения работы: 2009 Вариант: А2, В5
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 1.1 Анализ технического задания 1.2 Разработка структурной схемы 1.3 Определение числа каскадов 2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ 2.1 Выбор схемы усилителя мощности 2.2 Выбор цепи термостабилизации 2.3 Расчёт оконечного каскада 2.4 Расчёт предоконечного каскада 2.5 Расчёт входного каскада 3 РАСЧЁТ УЗЛОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ 3.1 Расчет мостового регулятора тембра 3.2 Расчёт каскадов предварительного усиления ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Усилители сигналов находят широкое применение во многих отраслях науки и техники. Они используются в радиовещании, радиосвязи, телевидении, дальней связи по проводам, радиолокации, радионавигации, измерительной, вычислительной технике и так далее. Всякий усилитель характеризуется полосой пропускания от до . Усилители, у которых нижняя частота пропускания равна нулю, называются усилителями постоянного тока. Усилители переменного тока имеют . Для усиления низкочастотных сигналов используются усилители низкой частоты, иначе называемые апериодическими усилителями; в соответствии с этим усилители высокой частоты, иначе избирательные усилители, применяются для усиления высокочастотных сигналов. К усилителям низкой частоты относятся усилители постоянного тока, усилители звуковой частоты, усилители телевизионных сигналов, получившие название видеоусилителей, и другие. Усилители высокой частоты подразделяются на резонансные и полосовые. В частности усилитель промежуточной частоты супергетеродинного радиоприемника обычно представляет собой полосовой усилитель, у которого зависимость усиления от частоты в большей степени приближается к идеальной прямоугольной форме, чем у резонансного усилителя. В зависимости от вида усиливаемых сигналов усилители как низкой так и высокой частоты подразделяются на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов. По типу усилительных элементов усилители делятся на ламповые, диэлектрические, магнитные, транзисторные и на интегральных микросхемах. По области применения – микрофонные, трансляционные, измерительные, телевизионные, магнитофонные, радиолокационные и так далее. Простейший усилитель содержит один усилительный элемент. При необходимости получения усиления большего, чем может обеспечить один элемент, используется более развитой усилитель, содержащий несколько усилительных элементов. Усилительный элемент и относящиеся к нему элементы связи и питания образуют усилительный каскад. Таким образом, в общем случае усилитель содержит несколько усилительных каскадов, сокращенно каскадов. Основой каскада являются сам усилительный элемент; какие именно из элементов являются элементами связи данного каскада (усилительного элемента), устанавливают, исходя из наиболее удобных соотношений для анализа и расчета. Первые каскады усилителя работают при относительно низком напряжении сигнала и носят название каскадов предварительного усиления иначе каскадов усиления напряжения, их основным назначением является повышение уровня сигнала. Выходная мощность, отдаваемая в нагрузку, создается оконечным каскадом, представляющий собой каскад усиления мощности. У усилителей со сравнительно большой входной мощностью, предоконечный каскад, так же как и оконечный, является каскадом усиления мощности. 1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
1.1 Анализ технического задания
В техническом задании на схемотехническое проектирование усилителя сигналов звуковой частоты указывались следующие основные параметры: - назначение и группа сложности аппаратуры – стационарная; - Рн, Вт – номинальная выходная мощность усилителя – 12; - Rн, Ом – сопротивление нагрузки – 4; - Ег, мВ – ЭДС источника сигнала – 30; - Rг, кОм – внутреннее сопротивление источника сигнала – 100; - kг, % – допустимый коэффициент гармоник – 1,5; - fн,fв, Гц – нижняя и верхняя предельные частоты – 80..10000; - М, +дБ – неравномерность АЧХ в полосе – 3; - Δbт, +дБ – пределы регулировки тембра –±6; - tomax – максимальное значение температуры окружающей среды – 55; - группа сложности – 3. Назначение и группа сложности непосредственно влияют на технические особенности устройства. В стационарной аппаратуре напряжение питания определяется требуемой мощностью УСЗЧ, причем в аппаратуре нулевой и первой групп сложности допустимо использование двуполярного питания.
Предварительный усилитель (УП) осуществляет основное усиления сигнала по напряжению до уровня 0,1...1 В, необходимого для работы усилителя мощности (УМ). Кроме того, в УП осуществляются оперативные регулировки уровня сигнала (громкости) и тембра (коррекция АЧХ). Усилитель мощности обеспечивает основное усиление мощности до уровня, заданного в ТЗ.
1.3 Определение числа каскадов
Расчёт произведём, исходя из требуемого усиления сигнала по напряжению. 1) Определяем номинальный сквозной коэффициент передачи:
(1.1)
где Pн – номинальная выходная мощность усилителя; Rн – сопротивление нагрузки; Ег – ЭДС источника сигнала.
Подставим исходные данные и получим:
2) Задаёмся необходимым запасом усиления для обеспечения заданных характеристик усилителя: а) на введение ООС запас численно равен глубине обратной связи F, обеспечивающей снижение нелинейных искажений оконечного каскада усилителя до установленного заданием предела:
4) Определяем число каскадов усиления по напряжению:
(1.5)
где Кn=40 – усредненный коэффициент усиления по напряжению для одного каскада.
Подставим данные и получим:
5) Определяем необходимость мер по согласованию цепей передачи сигнала в усилительном тракте. Для уменьшения потерь в цепи источника сигнала входное сопротивление усилителя должно удовлетворять условию:
(1.6)
где Rг – внутреннее сопротивление источника сигнала.
Подставим данные и получим:
Входное сопротивление усилителя зависит от схемы включения, режима работы и параметров транзисторов. Типовые значения Rвх каскадов предварительного усиления на биполярных транзисторах составляют: - при включении ОЭ Rвх ОЭ≈ 1...10 кОм; - при включении ОК Rвх ОК≈ 10...100 кОм. Для каскадов, собранных на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом: - при включении ОИ Rвх ОИ≈ 0,1...1 МОм; - при включении ОС Rвх ОС≈ 1...10 МОм. Таким образом, если для схемы ОЭ не выполняется условие (1.6), то на входе усилителя желательно включить дополнительный согласующий каскад по схеме ОК (эмиттерный повторитель). Поскольку повторитель не усиливает по напряжению, то данный каскад не входит в число каскадов, рассчитанное по формуле (1.5). Если и эмиттерный повторитель не обеспечивает требуемого согласования, то принимают решение об использовании полевых транзисторов. При этом следует иметь в виду, что у каскада на полевом транзисторе по схеме ОИ усиление примерно на порядок меньше, чем у схемы ОЭ и обычно не превышает 3...10 раз (по напряжению). Поэтому данный каскад войдет в число, определенное по выражению (1.5), лишь при наличии достаточного запаса в величине КЕ тр. В отношении истокового повторителя (схема ОС) принимают К=1. 6) Места включения регулировок определяют, исходя из следующих соображений: Регулятор усиления (РУ), как правило, ставится на входе усилителя. Однако если Ег≤1...3 мВ, то для снижения шумов и помех, вносимых регулятором, его ставят после первого каскада усиления напряжения. Пассивный регулятор тембра (РТ) чувствителен к изменению сопротивления внешних цепей, поэтому от регулятора усиления его необходимо отделять как минимум одним каскадом. Входное сопротивление следующего за РТ каскада должно быть достаточно большим. Наилучшим решением при высоких требованиях к усилителю является применение здесь повторителя напряжения или каскада на полевом транзисторе. Изобразим структурную схему разрабатываемого УСЗЧ с числом каскадов n=4 (см. рисунок 1.2).
2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
2.1 Выбор схемы усилителя мощности
На практике наибольшее распространение получили две типовые схемы построения усилителя мощности. Схема, представленная на рисунке 2.1, используется в стационарной аппаратуре 1-й, а с некоторыми нюансами - и высшей группы сложности.
Рисунок 2.1 – Схема электрическая принципиальная усилителя мощности
Это схема преимущественно используется в аппаратуры 2-й и 3-й групп сложности. В отдельных случаях она может быть использована для построения усилителя 1-й группы сложности. Усилитель содержит три каскада: входной каскад (ВК) на транзисторе VT1, включенном по схеме с ОЭ; предоконечный каскад на транзисторе VT2 (схема ОЭ) и двухтактный оконечный каскад с параллельным возбуждением (схема ОК) на комплементарной паре транзисторов VT3-VT4 с параллельным возбуждением. Рассмотрим назначение элементов схемы. R1, R2, R3 – цепь базового делителя VT1; R1, С2 – фильтр питания базовой цепи (обычно этот же фильтр используется и для питания предварительного каскада); R4 – нагрузка транзистора VT1 по постоянному току; R5,R6,C3 – цепь общей ООС (последовательной по напряжению, по входу), причем эта ООС осуществляется как по переменной так и по постоянной составляющей; Rt – условное изображение цепи, создающей начальное смещение на базах VT3 и VT4 и обеспечивающей термостабилизацию; R7, R8 – коллекторная нагрузка транзистора VT2 по постоянному току, причем R7 + R8 >> Rt; C4 – следящая ОС по цепи питания транзистора VT2, или схема вольт добавки - устраняет протекание переменного тока по цепи R7→R8→ земля и увеличивает коэффициент усиления предоконечного каскада (на транзисторе VT2). В точках "a", "b" и "c" амплитуда и фаза сигнала практически одинакова, так как оконечный каскад является повторителем напряжения. Конденсатором C4 сигнала выхода усилителя (точка"с") подается в точку "d" . Следовательно на обоих выводах резистора R7 мгновенные значения напряжения оказываются одинаковыми (разность потенциалов равна нулю) ток сигнала по резистору не протекает, что эквивалентно увеличению коллекторной нагрузки транзистора VT2 и соответственному увеличению усиления каскада. R9 = R10 = (0,05...0,1)Rн – местная обратная связь, выравнивает параметры пары транзисторов оконечного каскада. При Rн< 0,5...1Вт R8 и C4 можно исключить, а точки "d" и "e" соединить.
2.2 Выбор цепи термостабилизации
На схеме, изображённой на рисунке 2.1, цепь термостабилизации была условно обозначена как Rt. Данная цепь предназначена для создания начального смещения на базах транзисторов выходного каскада. В процессе нагрева их параметры существенно изменяются, что влечет за собой изменение режимов и нарушение работы всей схемы. Цепь Rt в зависимости от температурного режима изменяет напряжение смещения так, чтобы компенсировать изменение параметров транзисторов. В качестве Rt можно поставить реальный терморезистор, зашунтировав его обычным сопротивлением для снижения его температурной чувствительности (сопротивление терморезистора изменяется с изменением температуры значительно быстрее, чем параметры транзисторов). Однако на практике этот метод используется крайне редко из-за сложности настройки такой схемы. Выберем термостабилизационную схему, собранную на транзисторе (см. рисунок 2.2). Выбор обусловлен тем, что данная схема обеспечивает лучшую термостабилизацию, по сравнению со схемой, собранной на диодах, и предназначена для работы в высококачественных усилителях первой и высшей группы сложности.
Данная схема применяется в носимой и бортовой аппаратуре. Диапазон рабочих температур -20...+50 0С. Напряжение смещения определяется здесь следующим выражением:
(2.1)
где U0 бэ – постоянное напряжение на переходе эмиттер-база транзистора.
Ток через делитель Rбт – Rб выбирается согласно следующему соотношению:
(2.2)
Транзистор VT также крепится на радиаторе оконечного каскада.
2.3 Расчёт оконечного каскада
Произведём расчёт оконечного каскада по следующей методике: 1) Определяем амплитуду напряжения и тока на нагрузке:
(2.3)
(2.4)
Произведём расчёт:
2) Определяем напряжения источника питания:
(2.5)
где Uост = 1...3 В – остаточное напряжение на полностью открытом транзисторе выходного каскада при Р=1...10 Вт. Но всегда Uост>0,4...0,7 В. Произведём расчёт:
E0 должно иметь запас 10...15 %, т.е.:
(2.6)
Произведём расчёт:
Выберем E0 из стандартного ряда Е24 – 27 В. Таким образом напряжение питания для УСЗЧ будет составлять 27,0±2,7 В. При данных условиях можно реализовать усилитель по бестрансформаторной схеме, так как максимальная мощность обычного двухтактного каскада больше мощности указанной в техническом задании.
(2.7)
3) Определяем максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторах выходных транзисторов:
(2.8)
Произведём расчёт:
4) Определяем желаемый коэффициент усиления по току h21 для выходных транзисторов:
(2.9)
где Pп = 10...20 мВт – выходная мощность предоконечного каскада, работающего в режиме А.
Произведём расчёт:
5) Выбираем транзисторы оконечного каскада (VT3,VT4, см. рисунок 2.1) по следующим параметрам:
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
(2.14)
По данным параметрам из справочной литературы выберем транзисторы КТ829А (n-p-n), КТ853А (p-n-p).
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.2.
6) Проверим, смогут ли выходные транзисторы нормально работать без дополнительного теплоотвода. Максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе Pк доп при заданной температуре окружающей среды tс max и отсутствии радиатора определяется выражением:
(2.15)
где tп max – максимальная рабочая температура перехода коллектор-база; tc max – максимальная температура окружающей среды (+50 0С); Rt пс – тепловое сопротивление промежутка переход-среда.
Обычно tп max выбирается на 5-10% ниже максимальной температуры. Для нашего случая выберем +135 0С. В соответствии с условиями эксплуатации, данные транзисторы должны работать с дополнительными теплоотводами, то есть с радиаторами. Тепловое сопротивление радиатора и площадь его поверхности определяется с помощью следующих выражений:
(2.16)
(2.17)
Величина параметра fh21 выбирается согласно выражению:
(2.16)
где |h21| – модуль коэффициента усиления по току, измеренный на частоте fизм.
Произведём расчёт:
7) Определяем постоянный ток и мощность, потребляемые оконечным каскадом от источника питания, и коэффициент полезного действия:
(2.18)
(2.19)
(2.20)
8) Дополнительный расчет оконечного каскада:
(2.21)
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
(2.26)
Результаты расчёта оконечного каскада сведём в таблицы 2.2 и 2.3.
Таблица 2.2 – Рассчитанные данные Тип транзистора Pк доп , Вт Iк доп, А Uкэ доп, В h21э max fгр, МГц VT3 КТ829А 6,0 3,2 35,1 750 4 VT4 КТ853А 6,0 3,2 35,1 750 4
Таблица 2.3 – Рассчитанные данные Тип транзистора h21э I0 б, мА I0 к, мА U0 к, В Iкm, А VT3 КТ829А 750 0,16…0,49 0,123…0,368 -10 2,45 VT4 КТ853А 750 0,16…0,49 0,123…0,368 -10 2,45 Тип транзистора Iбm, мА Uкm, В Rвх, кОм Pк, Вт S, см2 VT3 КТ829А 3,27 9,8 3 60 92 VT4 КТ853А 3,27 9,8 3 60 92
2.4 Расчёт предоконечного каскада
Нумерация элементов соответствует схеме (см. рисунок 2.1). Для расчета необходимо иметь следующие исходные данные: 1) амплитуду тока базы выходных транзисторов:
(2.27)
2) входное сопротивление оконечного каскада:
(2.28)
3) Напряжение смещения (напряжениями на резисторах R9 и R10 как правило можно пренебречь):
(2.29)
где Uбэ 4=Uбэ 5 ≈ 0,5...0,6 В для режима В. При этом учитывается падение напряжения на каждом из переходов база-эмиттер составных транзисторов.
Произведём расчёт:
Перейдем непосредственно к расчету. 1) Задаемся током покоя:
(2.30)
Зададим ток покоя I0 к2=20 мА. 2) Выбираем R8 = (30...50)∙Rн=(30…50)∙4=120…200 Ом. Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R8=150 Ом.
3) Рассчитываем R7:
(2.31)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R7=510 Ом. 4) Емкость C4 рассчитывается из соображений, приведенных далее. При этом учитываются частотные искажения, вносимые этой емкостью. 5) Выбираем VT2 по следующим параметрам:
(2.31)
где
(2.32)
Подставим полученное значение в выражение 2.31:
(2.32)
где
(2.33)
(2.34)
(2.35)
По данным параметрам из справочной литературы выберем транзистор КТ644А.
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.4.
Таблица 2.4 – Основные электрические параметры транзистора КТ644А Iк max, А Uкэ max, В Pк max, Вт h21э max Iкб0, мкА fгр, МГц Rт пс, 0С/Вт 0,6 60 1 40…120 0,1 200 2,08
6) Расчет цепи смещения: а) Находим ток делителя:
(2.31)
б) Выбор VT практически определяется допустимым током:
(2.32)
На основании сказанного произведём выбор транзистора для цепи термостабилизации 2N6705.
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.5.
Таблица 2.5 – Основные электрические параметры транзистора 2Т6705 Iк max, А Uкэ max, В Pк max, Вт h21э max Iкб0, мкА fгр, МГц Rт пс, 0С/Вт 2 45 2 40 0,1 50 2,08
в) Определяем Rбт (Uбэт≈ 0,5-0,6 В):
(2.33)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение Rбт=100 Ом. г) Определяем Rп, учитывая, что номинальный режим соответствует среднему положению движка:
(2.34)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение Rбт=200 Ом.
7) Определяем входное сопротивление ПОК. Оно практически определяется входным сопротивлением транзистора:
(2.35)
где
(2.36)
где φт=26 мВ; I0 э2=I0 к2.
Подставим значения и произведём расчёт:
8) Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:
(2.37)
2.5 Расчёт входного каскада
Исходные данные: Rвх2, Iбm2=Iкm2/h21э 2. 1) Задаемся током I0 к1:
(2.38)
Зададим ток коллектора I0 к1=0,25 мА. 2) Выбираем транзистор VT1 по критериям:
(2.39)
(2.40)
На основании рассчитанных данных произведём выбор транзистора для цепи термостабилизации 2N2788.
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.5.
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R4=9,1 кОм.
4) Расчет цепи обратной связи:
(2.40) где Сопротивление представляет собой нижнее плечо делителя в цепи обратной связи, состоящее из параллельного соединения сопротивления и выходного сопротивления транзистора VT1 со стороны эмиттера :
(2.41)
где
(2.42)
Подставив полученное значение в выражение 2.41, получим:
5) Определим ток базового делителя:
(2.43)
Выберем ток .
6) Задаем падение напряжения на R1:
(2.44)
Зададим падение напряжения на резисторе R1 – 5 В. 7) Задаем значение R6:
(2.45)
Из ряда Е24 R6=200 Ом. 8) Определим постоянный потенциал базы VT1:
(2.46)
9) Для нормальной работы необходимо, чтобы Проверяем:
(2.47)
Условие выполняется. 10) Определяем R3:
(2.48)
Из ряда Е24 . 11) Определяем R2:
(2.49)
Из ряда Е12 .
Коэффициент петлевого усиления Кп равен:
(2.50)
(2.51)
где - внутренняя крутизна транзистора.
(2.52)
где Rвх2 – входное сопротивление каскада на VT3.
Подставим полученное значение в выражение 2.51:
Найдём величину резистора R5:
(2.53)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R5=1,5 Ом. Найдём значение Rэкв:
(2.54)
(2.55)
(2.56)
Входное сопротивление усилителя:
(2.57)
12) Рассчитаем величины емкостей С1, С3, С4 и Срн, по формуле:
(2.58)
где Мн – затухание (в разах).
(2.59)
Рассчитаем С1:
для него
(2.60)
(2.61)
Примем стандартное значение С1=1 мкФ.
Рассчитаем С3: Для C3 и С4 расчет можно упростить. Емкости С3 и С4 находятся в петле обратной связи. Искажения, вносимые этими емкостями, будут уменьшены в глубину обратной связи (в F раз), поэтому их величины могут быть рассчитаны, исходя из следующих соображений. Сопротивления этих емкостей на нижней частоте диапазона должны быть заметно меньше, чем R5 и R8 соответственно:
(2.62)
Составим ёмкость С3 из двух, параллельно соединённых емкостей по 4700 мкФ.
Рассчитаем С4:
(2.63)
Выберем ёмкость конденсатора С4=100 мкФ. Рассчитаем Срн для него R=Rн и положим искажения, вносимые этой емкостью М=1дБ:
(2.64)
Выберем ёмкость конденсатора Срн=220 мкФ.
13) Определяем коэффициент усиления по напряжению рассчитанного усилителя мощности:
(2.65)
14) Определим требуемое входное напряжение при номинальной выходной мощности:
(2.66)
15) Определим:
(2.67)
Из ряда Е12 R9=R10=0,39 Ом. 16) Определим R1:
(2.68)
Из ряда Е12 R1=100 кОм.
3 РАСЧЁТ УЗЛОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ
3.1 Расчет мостового регулятора тембра
Схема усилителя мощности, рассчитанного выше, обладает достаточно высоким входным сопротивлением, что позволяет включать мостовой регулятор тембра непосредственно на их входе. Мостовой регулятор тембра (см. рисунок 3.1) содержит два частотно зависимых регулятора коэффициента передачи. Буферное сопротивление R4 предназначено для того, чтобы один регулятор не влиял на другой. Левый (по схеме) работает на низких частотах, правый регулятор - на верхних. Кратко проанализируем работу схемы. На средних частотах (СЧ) C1 и C2 закорачивают R2, сопротивления же конденсаторов C3 и C4 еще очень велики (много больше R5).
На низких частотах (НЧ) сопротивления конденсаторов C1 и C2 увеличиваются и они уже не являются коротким замыканием для R2, которое начинает работать на этих частотах как обычный регулятор усиления. Глубина регулировки определяется соотношением между сопротивлениями R2 и R1 + R3. На высоких частотах (ВЧ) резистор R2 оказывается закороченным конденсаторами C1 и C2, имеющими очень маленькое сопротивление на (ВЧ). В этом случае положение движка потенциометра R2 не влияет на коэффициент передачи регулятора тембра. На этих частотах сигнал проходит через сравнительно малые сопротивления конденсаторов С3, С4 и потенциометр R5, служащий в данном случае регулятором коэффициента передачи в области ВЧ. Произведём расчёт по следующей методике: 1) Определяем коэффициент коррекции в относительных единицах:
2) Определяем частоту раздела:
(3.1)
3) Проверяем выполнение условия неперекрытия зон регулирования (3.2)
4) Определяем сопротивление при допустимой погрешности регулирования можно принять:
(3.3)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R2= R5=3,0 кОм.
5) Определяем номиналы резисторов регуляторов НЧ:
(3.4)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R1=1,5 кОм.
(3.5)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R3=750 Ом.
6) Определяем сопротивление буферного резистора:
(3.6)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R4=270 Ом.
7) Определяем номиналы емкостей:
(3.7)
Возьмём стандартное значение 0,33 мкФ.
(3.8)
Возьмём стандартное значение 0,1 мкФ.
(3.10)
Возьмём стандартное значение 22 нФ.
(3.11)
Возьмём стандартное значение 47 нФ. 8) Определяем входное и выходное сопротивление РТ:
(3.12)
(3.13)
9) Определяем требование к выходному сопротивлению предыдущего каскада: при погрешности РТ на ВЧ можно применять:
(3.14)
10) Определяем положение движков R2 и R5, соответственно линейной частотной характеристики:
(3.15)
(3.16)
11) Определим номинальный коэффициент передачи регулятора тембра:
(3.17)
12) Определим номинальное входное напряжение РТ:
(3.18)
3.2 Расчёт каскадов предварительного усиления
а) Расчет второго каскада предварительного усиления (КПУ 2): Принципиальная электрическая схема каскада изображена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Схема электрическая принципиальная второго каскада предварительного усиления
Для расчёта понадобятся следующие параметры:
Выполним расчёт данного каскада по следующей методике: 1) Определяем амплитуды напряжения и тока нагрузки:
4) Определяем напряжение питания каскада из условий: Напряжение источника питания должно превышать на величину падения напряжения на сопротивлении фильтра (примерно на 20-30%) и должно быть:
(3.23)
5) Определяем сопротивления в цепи эмиттера: Учтем:
(3.24)
6) Определяем сопротивление R3:
(3.25)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R3=56 кОм.
7) Определяем амплитуду тока коллектора:
(3.26)
8) Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе:
(3.27)
9) Выбираем транзистор по критериям:
(3.28)
(3.29)
(3.30)
(3.31)
Выбираем транзистор 2N4425.
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 3.1.
Рассчитываем базовую цепь: а) задаем ток делителя:
(3.32)
б) определим R1:
(3.33)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R1=4,7 МОм. в) определяем R2:
(3.34)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R2=3 МОм. 11) Задаемся допустимым коэффициентом гармоник каскада:
(3.35)
Отсюда находим R4 и R5:
(3.36)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R4=27 Ом.
(3.37)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R5=20 кОм. 12) Определяем коэффициент усиления:
(3.38)
13) Определяем входное сопротивление каскада:
(3.39)
где
(3.40)
Подставим полученное значение в выражение 3.40:
14) Определяем номинальное входное напряжение:
(3.43)
15) Ёмкость конденсатора C2 рассчитывается по следующему выражению:
(3.44)
где
(3.45)
в последней формуле
(3.46)
Подставим полученное значение в выражение 3.45:
Подставим полученное значение в выражение 3.44:
Соединим параллельно два конденсатора ёмкостью 100 мкФ. 16) Сопротивление определяется исходя из падания напряжения на нем и тока, равного сумме токов делителя в цепи базы и эмиттера:
(3.47)
Из ряда Е12 =27 кОм. 17) Для определения емкости конденсатора можно использовать следующую формулу:
(3.48)
Возьмём стандартный конденсатор 2,2 мкФ. 18) Рассчитаем конденсатор С3, который является разделительной емкостью:
Рисунок 3.3 – Схема принципиальная электрическая первого каскада предварительного усиления
На рисунке 3.3 представлена схема каскада предварительного усиления на полевом транзисторе по схеме общий исток. Резисторный каскад на полевом транзисторе в отличие от аналогичного каскада на биполярном транзисторе обладает высоким входным сопротивлением. Это качество позволяет использовать его в сечениях усилителя, где желательны высокоомные нагрузки, то есть в нашем случае. 1) Выберем транзистор КП303Г. 2) Выбираем рабочую точку на линейном участке характеристики с координатами 3) Определяем напряжение на стоке транзистора:
(3.50)
4) Рассчитывается сопротивление нагрузки по постоянному току :
(3.51)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение Rc=1 кОм. 5) Для полевого транзистора в рабочей точке с координатами определяется крутизна по характеристике :
(3.52)
и по характеристике внутреннее сопротивление транзистора:
(3.53)
6) Рассчитывается сопротивление нагрузки:
(3.54)
7) Находится коэффициент усиления:
(3.55)
8) Определяется входная динамическая емкость:
(3.56)
где справочные величины.
9) Определяется сопротивление в цепи истока:
(3.57)
Возьмём значение из ряда Е12 Rи=27 Ом. 10) Задаемся сопротивлением в цепи затвора в пределах (0,1…1) МОм:
(3.58)
11) Определяется частота верхнего среза выходной цепи:
(3.59)
где - ёмкость монтажа. 12) Определяем разделительную емкость в выходной цепи:
(3.60)
где
(3.61)
Примем стандартное значение 0,47 мкФ.
13) Рассчитаем входную разделительную емкость:
(3.62)
Примем стандартное значение 10 мкФ. 14) Определяем емкость шунтирующую сопротивление в цепи истока:
(3.63)
где
(3.64)
Выберем стандартное значение 0,47 нФ. 15) Рассчитаем выходное сопротивление каскада:
(3.65)
Дополнительный расчет: Зная выходное сопротивление КПУ 1 можем рассчитать емкость С1, находящуюся в КПУ 2, по формуле:
(3.66)
Выберем стандартное значение 0,47 мкФ.
3.3 Расчет регулятора громкости
Теперь, когда известны входные и выходные сопротивления всех каскадов, рассчитывается регулятор громкости. Регулятор усиления ставиться обычно после первого или второго каскадов предварительного усиления. Регулятор усиления представляет собой обычный переменный резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле:
(3.67)
Возьмём стандартное значение из ряда Е24 5,1 кОм.
Изобразим схему включения регулятора громкости (см. рисунок 3.4).
В ходе проделанной работы разработан четырехкаскадный усилитель звуковой частоты для стационарной аппаратуры высшей группы сложности. Был проведен анализ АЧХ и ФЧХ на ПЭВМ, данный усилитель (его два звена) был смоделирован при помощи программы “WorkBench 5.18”. При анализе АЧХ видно, что рассчитанный усилитель удовлетворяет требованиям технического задания.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. Т. Крушев, Э. Г. Попов, Н. И. Шатило Методическое пособие по проведению курсового проектирования по курсу аналоговые электронные устройства. – Мн.: БГУИР, 1997г. 2. Г. В. Войшвилло Усилительные устройства. – М.: Радио и связь, 1975г. 3. В. И. Галкин, А. Л. Булычев, П. М. Лямин Справочник. Полупроводниковые приборы. Транзисторы широкого применения. – Мн.: Беларусь 1995г. 4. В. М. Петухов Справочник. Маломощные транзисторы и их зарубежные аналоги. – М.: КУбК-а 1996г. 5. В. Е. Сапаров, Н. А. Максимов Системы стандартов в электросвязи и радиоэлектронике. – М.: Радио и связь. 1985г. 6. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ./ Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходорёнок – Мн.: Беларусь, 1994. – 591 с.
