Усилитель мощности звуковой частоты (стр. 4 из 5)
Анализ искажений
Для получения полных гармонических искажений воспользуемся Distortion Analyzer, прибором позволяющем получить как значения полного искажения, так и померить отношение сигнал/шум.
Для проведения такого анализа и получения графика требуется выполнить следующие действия:
Подключить прибор Distortion Analyzer к выходу усилителя
Выставить частоту на входном генераторе синусоидального напряжения и такую же в приборе.
Включить симуляцию и выждать некоторое время для получения более точного результата, т.к. в схеме происходит переходный процесс.
Полученный результат записать в таблицу.
Повторить п.2-4 для следующей частоты
Построить график по точкам (данный график построен в Microsoft Office Excel.
Вывод: схема собранная на моделях имеет меньшие искажения, чем схема собранная на аналогах.
Рис.13. Зависимость нелинейных искажений от частоты (красным – усилитель, собранный на моделях, синим – на аналогах)
Рис.14.Зависимость нелинейных искажений от выходной мощности
Анализ сигнал/шум
При отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходе действует некоторое (обычно небольшое) напряжение. Это напряжение обусловлено в основном его собственными помехами, среди которых различают фон, наводки, микрофонный эффект, тепловые шумы резисторов и пассивных элементов с активными потерями, шумы усилительных элементов.
Фон обычно появляется в результате недостаточной фильтрации пульсирующего напряжения источника питания, работающего от сети переменного тока. Гармонические составляющие фона кратны частоте питающей сети.
Наводки образуются из-за паразитных электрических, магнитных, гальванических или электромагнитных связей цепей усилителя с источниками помех.
Микрофонный эффект представляет собой результат преобразования механических колебаний элементов усилителя в электрические, проходящие на выход усилителя. Спектр этих колебаний занимает диапазон 0,1 ... 10000 Гц. Он заметно проявляется у интегральных усилителей с большим коэффициентом усилений, выполненных на одной подложке. Чтобы устранить его, используют рациональную конструкцию элементов усилителя, более надежное их крепление, демпфирование, применяют амортизирующие устройства.
Тепловые шумы обусловлены тепловым беспорядочным (случайным) движением в объеме проводника (или полупроводника) свободных носителей зарядов (например, электронов). В результате на концах проводника, обладающего некоторым сопротивлением, действует случайная, флуктуационная ЭДС, называемая ЭДС шума Еш. Поскольку она периодическая функция времени, то ее спектр является сплошным и практически равномерным в диапазоне частот от нуля до сотен мегагерц. Шум с подобным спектром называют белым.
Фон, наводки и микрофонный эффект в усилителе можно, в принципе, уменьшить до любых заданных значений. Тепловые же шумы и шумы усилительных элементов принципиально неустранимы. Обычно удается лишь минимизировать долю шумов, создаваемых усилительными элементами.
Шумовые свойства высококачественных усилителей оценивают отношением сигнал-шум. Под этой величиной понимают отношение выходного напряжения сигнала при номинальной выходной мощности усилителя Рном к суммарному напряжению шумов на выходе. Обычно его выражают в децибелах. В усилителях высшего класса отношение сигнал-шум достигает 60..110 дБ.
Динамический диапазон усилителя — это отношение максимального и минимального входного сигнала усилителя при заданном уровне Кг:
Для высококачественного усилителя максимальное значение входного сигнала ограничивается нелинейностью амплитудной характеристики и принимается равным номинальному входному напряжению Uвх.ном, обеспечивающему поминальную выходную мощность усилителя при заданном коэффициенте гармоник, т. е.
Минимальное входное напряжение Uвх.min должно выбираться таким образом, чтобы собственные помехи и шумы усилителя не маскировали выходной при этом:
В предельном случае основными помехами в усилителе являются шумы, при этом:
где
— коэффициент помехозащищенности. Отсюда динамический диапазон усилителя
Видно, что отношение сигнал-шум, равное
, определяет достижимый динамический диапазон усилителя. Динамический диапазон является важным техническим показателем усилителя и обычно задается ГОСТ. Для лучших высококачественных усилителей Dу>110 дБ. Источники звуковых сигналов имеют собственный динамический диапазон, равный отношению максимального Eиmax и минимального Еиmin ЭДС источника сигнала;Dс = Еиmax/Еиmin
и в логарифмических единицах
Dc [дБ] = 20 Ig Dc.
Динамический диапазон звучания симфонического оркестра может превышать 80 дБ, художественного чтения - 30 дБ.
Для усиления сигнала с допустимыми нелинейными искажениями и помехозащищенностью необходимо, чтобы Dy>Dc
Для увеличения динамического диапазона усилителя необходимо уменьшать уровень собственных помех, использовать усилительные элементы с более линейной характеристикой (применить высоковольтные мощные выходные транзисторы) и применять ручную или автоматическую регулировку усиления.
Рис.15.Зависимость сигнал/шум от частоты (красным – усилитель, собранный на моделях, синим – на аналогах)
Вывод: Для усилителя на аналогах отношение сигнал/шум небольшое на всём звуковом диапазоне, что характеризует усилитель с лучшей стороны.
Рис.16.Зависимость сигнал/шум от выходной мощности
Температурный анализ
Температурный анализ позволяет определить границы рабочих температур, т.е. те температуры при которых параметры прибора не изменяются и прибор работает корректно.
Вывод: неравномерность АЧХ линейная вплоть до частоты 40КГц. Схема является температурно-устойчивой.
Вывод: для температуры коэффициент усилиения значительно снижается по сравн. С температурой 0 градусов. Схема является температурно-устойчивой.
Рис.21.Зависимость выходного напряжения от температуры
Параметрический анализ
Параметрический анализ позволяет промоделировать схему с различными параметрами элементов, что позволяет выбрать оптимальное их значение.
Для проведения такого анализа требуется:
Выбрать элемент, параметры которого требуется варьировать
Выбрать параметр, который требуется менять
Выставить выходную цепь
В ходе выполнения курсовой работы была промоделирована схема УМЗЧ в программе MultiSim 8 и произведен ее анализ, были оценены ее основные характеристики.
Были проведены следующие исследования:
Анализ АЧХ
Анализ ФЧХ
Анализ переходного процесса
Анализ Фурье
Анализ нелинейных искажений
Температурный анализ
Параметрический анализ
В ходе моделирования были подобраны зарубежные аналоги транзисторов, диодов, стабилитронов и операционных усилителей. Была рассчитана выходная мощность.
Список литературы
1. Атаев Д.И., Болотников В.А. Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения М.: «Радио и связь» 1986г.
2.Бурко И., Лямин П. Бытовые акустические системы. — Минск: "Беларусь", 1996.
3. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники М.: «Высшая школа», 1988г
4. Коссов О.А., «Усилители мощности на транзисторах», Москва, издательство «Энергия», 1964.
6.Журнал Радио 10,2000 г.
5. Разевиг В.Д., «Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0», М.: «Солон-Р», 2000г.
6. П. Хоровиц, У. Хилл, «Искусство схемотехники», Т.1, Москва, издательство «Мир», 1984.
Приложения
Некоторые параметры моделей:
IS - ток насыщения;
ISE - обратный ток эмиттерного перехода;
ISC - обратный ток коллекторного перехода;
NF - коэффициент неидеальности в нормальном режиме;
NR - коэффициент неидеальности в инверсном режиме;
NE - коэффициент неидеальности эмиттерного перехода;
NC - коэффициент неидеальности коллекторного перехода;
BF - максимальный коэффициент усиления в нормальном режиме;
BR - максимальный коэффициент усиления в инверсном режиме;
IKF -точка начала спада зависимости BF от тока коллектора в нормальном режиме;
IKR - точка начала спада зависимости BR от тока эмиттера в инверсном режиме;
NK - коэффициент, определяющий множитель Qt;
ISS - обратный ток р-n перехода подложки;
NS - коэффициент неидеальности перехода подложки;
VAF - напряжение Эрли в нормальном режиме;
VAR - напряжение Эрли в инверсном режиме.
ВАХ транзисторов
Входные ВАХ транзисторов VT1, VT4, VT5 (Q1 – 2N5551 (синим), Q2 – КТ6117A (красным))
Выходные ВАХ транзисторов VT1, VT4, VT5 (Q1 – 2N5551 (синим), Q2 – КТ6117A (красным))
Входные ВАХ транзисторов VT2, VT3, VT6 (Q1 – 2N5401 (синим), Q2 – КТ6116A (красным))