Дисциплина: Аналоговые электронные устройства Специальность: Радиотехнические ситемы Форма обучения: Заочная Тип работы: Курсовая Год выполнения работы: 2009 Вариант: А1, В3
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 – 25; - Rн, Ом – сопротивление нагрузки – 8; - Ег, мВ – ЭДС источника сигнала – 60; - Rг, кОм – внутреннее сопротивление источника сигнала – 25; - kг, % – допустимый коэффициент гармоник – 0,2; - fн,fв, Гц – нижняя и верхняя предельные частоты – 20..20000; - М, +дБ – неравномерность АЧХ в полосе – 3; - Δbт, +дБ – пределы регулировки тембра –±14; - tomax – максимальное значение температуры окружающей среды – 50. - группа сложности – 0. 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
В аппаратуре 1-й и 0-й групп сложности допустимо использование двуполярного питания. Это дает возможность подключить нагрузку непосредственно к выходу оконечного каскада, и, что особенно важно, обеспечить нулевое постоянное напряжение на нагрузке. На транзисторах VT1 и VT2 собран так называемый дифференциальный каскад (ДК). У него два входа: левый по схеме - инвертирующий, правый - неинвертирующий. Резистором R3 устанавливается ток покоя. R2 - нагрузка VT1 по постоянному току. R1 обеспечивает привязку базы VT1 к нулевому потенциалу. C2 - параллельная по напряжению частотно-зависимая местная ООС, служащая для обеспечения устойчивости схемы. Эта схема имеет ряд важных преимуществ: 1) высокая температурная стабильность, обеспечивающая поддержание нулевого потенциала в точке "О" (на сопротивлении Rн) с высокой точностью; это достоинство определяется уникальными свойствами дифференциального каскада; 2) в схеме можно получить большее усиление в петле ООС, так как в ДК отсутствует местная ООС. В аппаратах высшего класса вместо цепочки следящей положительной ОС (R6, R7, C3) используют отражатель тока на транзисторе, а для повышения температурной стабильности и подавления синфазных помех вместо R3 можно применить генератор стабильного тока (ГСТ).
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 – 51 В. Таким образом напряжение питания для УСЗЧ будет составлять 51,00±2,55 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 (VT4,VT5, см. рисунок 2.1) по следующим параметрам:
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
(2.14)
По данным параметрам из справочной литературы выберем транзистор КТ829А.
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Основные электрические параметры транзистора КТ829А Iк max, А Uкэ max, В Pк max, Вт h21э max Iкб0, мА fгр, МГц Rт пс, 0С/Вт 8 100 60 750 1,5 4 2,08
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 VT4 КТ829А 9,89 3,25 66,3 750 4 VT5 КТ829А 9,89 3,25 66,3 750 4
Таблица 2.3 – Рассчитанные данные Тип транзистора h21э I0 б, мА I0 к, мА U0 к, В Iкm, А VT4 КТ829А 750 0,17…0,5 0,125…0,375 -10 2,5 VT5 КТ829А 750 0,17…0,5 0,125…0,375 -10 2,5 Тип транзистора Iбm, мА Uкm, В Rвх, кОм Pк, Вт S, см2 VT4 КТ829А 3,3 20 6 60 170 VT5 КТ829А 3,3 20 6 60 170
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 к3=20 мА. 2) Выбираем R7 = (30...50)∙Rн=(30…50)∙8=240…400 Ом. Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R7=270 Ом.
3) Рассчитываем R6:
(2.31)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R6=1000 Ом. 4) Емкость C4 рассчитывается из соображений, приведенных далее. При этом учитываются частотные искажения, вносимые этой емкостью. 5) Выбираем VT3 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 2SD1898.
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.4.
Таблица 2.4 – Основные электрические параметры транзистора 2SD1898 Iк max, А Uкэ max, В Pк max, Вт h21э max Iкб0, мкА fгр, МГц Rт пс, 0С/Вт 1 80 2 390 0,1 100 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 2N6707.
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.5.
Таблица 2.5 – Основные электрические параметры транзистора 2N6707 Iк max, А Uкэ max, В Pк max, Вт h21э max Iкб0, мкА fгр, МГц Rт пс, 0С/Вт 2 80 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 э3=I0 к3.
Подставим значения и произведём расчёт:
8) Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:
(2.37)
2.5 Расчёт входного каскада
Исходные данные: Rвх3, Iбm3=Iкm3/h21э 3. Следует учесть, что для нашей схемы (см. рисунок 2.1) при условии баланса схемы режимы транзисторов VT1 и VT2 практически одинаковы. 1) Задаемся током I0 к1:
(2.38)
Зададим ток коллектора I0 к1=0,08 мА. 2) Выбираем транзисторы VT1 и VT2. Лучше всего применить микросборку типа К159НТ1, так как в этом случае разброс параметров транзисторов не превышает 15 %. Критерии остаются теми же. 3) Определяем R2:
(2.39)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R2=24 кОм.
4) Находим R3:
(2.40)
где
(2.41)
Подставим полученное значение в выражение 2.40:
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R3=16 кОм. 5)Расчет цепи обратной связи. Цепь ОС в рассчитываемой схеме связывает выход усилителя (точка "О") с переходом база-эмиттер транзистора VT1. Величина коэффициента β для этой схемы определяется выражением:
(2.42)
Коэффициент петлевого усиления Кп равен:
(2.43)
(2.44)
где - внутренняя крутизна транзистора.
(2.45)
где Rвх3 – входное сопротивление каскада на VT3.
Подставим полученное значение в выражение 2.44:
(2.46)
где
(2.47)
где
(2.48)
где
(2.49)
где Rг – выходное сопротивление предшествующего VT1 каскада, в качестве которого можно принять сопротивление в цепи коллектора, используемого в нём транзистора. Rэг=3 кОм.
Для выбора величины сопротивления R5 воспользуемся выражением:
(2.50)
Указанное неравенство можно даже усилить примерно на порядок:
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R5=7,5 кОм.
Для сохранения идентичности режимов транзисторов VT1 и VT2 сопротивление R1 выбирается равным величине резистора R5, то есть 7,5 кОм.
(2.51)
Используя вышеприведенные выражения и сделав соответствующие замены и преобразования, получим выражение для глубины ОС:
(2.52)
Решив это равенство относительно R4 получим:
(2.53)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R4=3,9 кОм. Подставим полученное значение в выражение 2.47:
Входное сопротивление усилителя:
(2.54)
Для устранения возможности самовозбуждения на высоких частотах частотную характеристику коэффициента петлевого усиления ограничивают за счет включения конденсатора С2, определяемого по выражению:
(2.55)
6) Определяем коэффициент усиления по напряжению рассчитанного усилителя мощности:
(2.56)
7) Определим требуемое входное напряжение при номинальной выходной мощности: (2.57)
8) Величины емкостей C1, C3 рассчитываются по формуле:
(2.58)
где Мн - затухание (в разах), вносимое емкостью C на нижней рабочей частоте fн при сопротивлении внешних цепей R, выбирается при распределении заданных частотных искажений между емкостями. При этом (для снижения габаритов используемых конденсаторов) на емкости, работающие в сравнительно низкоомных цепях, следует отводить большие допустимые искажения. Например, емкость 2000 мкФ по габаритам намного больше 1000 мкФ, а, скажем, 0,47 мкФ и 1 мкФ практически не отличаются. Обычно допустимые частотные искажения приводится в дБ, поэтому Мн пересчитывается в разы по следующей формуле:
(2.59)
Для C1 и С3 расчет можно упростить. Емкости С1 и С3 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 R4 и R7 соответственно:
(2.60)
Примем стандартное значение 22 мкФ.
Рассчитаем С3:
(2.61)
Примем стандартное значение 220 мкФ.
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=3,6 кОм.
5) Определяем номиналы резисторов регуляторов НЧ:
(3.4)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R1=750 Ом.
(3.5)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R3=150 Ом.
6) Определяем сопротивление буферного резистора:
(3.6)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R4=330 Ом.
7) Определяем номиналы емкостей:
(3.7)
Возьмём стандартное значение 0,47 мкФ.
(3.8)
Возьмём стандартное значение 2,2 мкФ.
(3.10)
Возьмём стандартное значение 0,1 мкФ.
(3.11)
Возьмём стандартное значение 0,47 мкФ. 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=1,1 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 2SC1000.
Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 3.1.
Для проведения последующих расчетов из параметров выбранного транзистора определяем:
(3.32)
Рассчитываем базовую цепь: а) задаем ток делителя:
(3.33)
б) определим R1:
(3.34)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R1=62 кОм. в) определяем R2:
(3.35)
Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R2=39 кОм. 11) Задаемся допустимым коэффициентом гармоник каскада:
(3.36)
Отсюда находим R4 и R5:
(3.37)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R4=11 Ом.
(3.38)
Возьмём из ряда Е24 стандартное значение R5=510 Ом. 12) Определяем коэффициент усиления:
(3.39)
13) Определяем входное сопротивление каскада:
(3.40)
где
(3.41)
Подставим полученное значение в выражение 3.40:
(3.42)
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 3.45:
Соединим параллельно два конденсатора ёмкостью 2200 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 =620 кОм. 17) Для определения емкости конденсатора можно использовать следующую формулу:
(3.48)
Возьмём стандартный конденсатор 220 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)
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 10 мкФ.
13) Рассчитаем входную разделительную емкость:
(3.62) Примем стандартное значение 22 мкФ. 14) Определяем емкость шунтирующую сопротивление в цепи истока:
(3.63)
где
(3.64)
15) Рассчитаем выходное сопротивление каскада:
(3.65)
Дополнительный расчет: Зная выходное сопротивление КПУ 1 можем рассчитать емкость , находящуюся в КПУ 2, по формуле:
(3.66)
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)
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.
