Усилитель мощности звуковой частоты (стр. 1 из 3)
Министерство образования Российской Федерации
Уральский государственный технический университет - УПИ
Кафедра «Радиоэлектроники информационных систем»
Оценка проекта
Члены комиссии
Пояснительная записка
к курсовому проекту
Усилитель мощности звуковой частоты
По предмету «Схемотехника аналоговых электронных устройств»
Дата: 31.05.2002
Группа: Р - 304
Руководители: В. Г. Важенин
Консультант: С. В. Гриньков
Студент: И. В. Колтышев
Екатеринбург 2002
Оглавление
Введение
1. Теоретические основы о проектировании умзч
2. Разработка принципиальной схемы
2.1 Выходные параметры
2.2 Выходной каскад
2.3 Промежуточный каскад
2.4 Входной каскад
3. Исследование УМЗЧ с помощь ЭВМ
Заключение
Библиографический список
Приложения
Введение
В данном курсовом проекте нам было предложено спроектировать усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ).
УМЗЧ имеют широкое применение. Качество данных устройств характеризуется следующими основными показателями: линейные искажения (неравномерность амплитудно - и фазо - частотной характеристик), нелинейные искажения и паразитная модуляция (появление новых составляющих в частотном спектре сигнала, вариации уровня и частоты передаваемого сигнала – детонация), относительный уровень помех (отношение сигнал/ шум). Тенденции развития УМЗЧ направлены на улучшение этих параметров. Нам же предлагается спроектировать относительно простой усилитель.
Целью проектирования является разработка усилителя в соответствии с техническим заданием, выбор его принципиальной схемы, расчет параметров элементов схем, разработка печатной платы, а так же тестирование и проведение различных анализов полученной схемы с помощью ЭВМ с цель её доработки и определением характеристик.
В результате мы должны представить всю необходимую техническую документацию, относящеюся к работе: схема проектируемого устройства, печатная плата, различные графики, характеризующие его параметры и т. д.
1. Теоретические основы о проектировании умзч
Усилители мощности предназначены для увеличения высокой выходной мощности звуковых сигналов. Принцип работы усилителей мощности состоит в том, что они преобразуют подводимую к ним от источника питания мощность постоянного тока в переменный ток, причем форма сигнала на выходе усилителя полностью повторяет сигнал на входе. Усилители мощности должны обладать небольшими искажениями и высоким КПД (отношение мощностей переменного тока на выходе и постоянного тока, подводимого от источника питания).
Усилители мощности, как правило, состоят из нескольких каскадов. Предварительного, промежуточного и оконечного усиления . Разница лишь в том, что входные и промежуточные усилительные каскады работают в режиме большого усиления по току или напряжению, а выходные каскады при коэффициентах усиления Ku
1.Входные каскады обычно реализуются по дифференциальной схеме. Их свойства (в частности, динамический диапазон) определяются в основном сильносигнальными свойствами всего усилителя на высоких частотах (максимально допустимая скорость нарастания сигнала). В данном курсовом проектируется УМЗЧ по мостовой схеме, входной каскад которого осуществляет усиление входного напряжения, а последующие каскады – усиление по току.
Промежуточный каскад является вторым каскадом усиления напряжения. Он же служит источником напряжения смещения рабочей точки для оконечного 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. При постоянном напряжении смещения ΔU температурная зависимость напряжения перехода база-эмиттер влечет за собой весьма нежелательную термическую положительную обратную связь. Необходимо отметить, что полевые транзисторы обладают свойством самостабилизации.
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 Ku= 1). Мощность выходных каскадов лежит обычно в пределах от 50 мВт до 100 Вт и более, поэтому при расчете усилителей всегда следует учитывать рассеиваемую транзисторами мощность. Применять линейные эквивалентные схемы замещения для анализа таких схем можно лишь весьма условно, поскольку параметры транзисторов зависят от тока.
2. Разработка принципиальной схемы
Произведем расчет всех каскадов принципиальной схемы, руководствуясь характеристиками УМЗЧ из технического задания[1]:
2.1 Выходные параметры
Максимальное напряжение и максимальный ток на выходе рассчитываются по выходной мощности Pвыхмакс = 150 Вт и сопротивлению нагрузки Rн= 4 Ом? А так же вычислим номинальные значения этих величин:
2.2 Выходной каскад
Необходимое напряжение питания Uпит определяется по максимальному выходному напряжению Uвыхмакс, падению напряжения Uгст на источнике тока промежуточного каскада, напряжению база-эмиттер Uq3, Uq5 транзисторов Q3 и Q5, и падению напряжения на сопротивлениях R7 и R8. Максимальное напряжение питания Uпит_max получают с учетом запаса на колебания напряжения в сети питания:
Выбираем напряжение питания Uпит=33 В.
Напряжение пробоя выходных транзисторов Q4,Q5 должно быть:
Максимальная мощность рассеяния этих транзисторов при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе:
Суммарное тепловое сопротивление R транзисторов Q4 и Q5 (включая радиаторы) определяют, приняв максимальную температуру кристалла Тj = 175°С, а максимальную температуру окружающей среды Тu = 55°С:
Пусть на радиаторы приходится Rth_l = 1,5 К/Вт. Тогда на сами транзисторы остается Rth_g=2.908 К/Вт. Этому требованию может удовлетворить транзистор, у которого при Тu=25°С мощность рассеяния:
По справочным данным определяем, что такой мощностью рассеяния, а так же удовлетворяют соответствующим параметрам характеристик, вычисленных выше, обладают транзисторы КТ818Г И КТ819Г в корпусе типа КТ-25.
2.3 Промежуточный каскад
По максимальному выходному току и минимальному усилению по току β = 30 выбранного типа транзисторов для выходного каскада Q4 и Q5 рассчитывается ток коллектора транзисторов Q1 и Q3:
Поскольку с увеличением частоты усиление по току выходных транзисторов уменьшается (т. е. при быстрых изменениях сигнала транзистор промежуточного каскада отдает больше тока), полученная величина тока предусмотрительно увеличивается в 10 раз:
Ток покоя транзисторов Q1 и Q3 выбирается по минимуму переходных нелинейных искажений величиной Iпок = 30 мА, при этом падение напряжения на R7 будет около 0.7 В:
Для вычисления ΔU нам необходимо знать напряжение база - эмиттер (Ube_q1q3) транзисторов Q1 и Q3, которое вычисляется по справочнику при соответствующем Ibo:
Далее находим напряжение смещения ΔU:
Мощность рассеяния транзисторов промежуточного каскада:
в состоянии покоя
С запасом принимается
Зная максимальный ток коллектора транзисторов этого каскада можно рассчитать их максимальный базовый ток:
Исходя из проведенных выше расчетов, по справочнику, выбираем транзисторы КТ817Б и КТ816Б.
Для обеспечения требуемого напряжения смещения ΔU=3.08 В используем 4 диода 2Д104А. Задаваясь нужным падением напряжения на диодах, по справочнику находим ток, соответствующий данному падению напряжения:
Вычисляем параметры ГСТ для обеспечения нужного тока через диоды Id=7 мА. Выбираем по справочнику стабилитрон с напряжением стабилизации Uzener = 4,7 В при соответствующем токе Izener = 10 мА (2С147А). Задаваясь напряжением база - эмиттер Uq2 = 0,7 В транзистора Q2, находим сопротивление R6:
2.4 Входной каскад
Во входном каскаде используется операционный усилитель LM344 (Uпитмакс = ±40, частота ед. усиления Ft=2,5 МГц). Сигнал с генератора подается на разделительную цепочку С1, R1 далее на цепочку С2, R3, затем на инвертирующий вход ОУ. С выхода на вход ОУ идет обратная связь в виде параллельно - соединенных резистора R4 и конденсатора С3. Рассчитаем нужный коэффициент усиления ОУ по напряжению, исходя из уже рассчитанных параметров схемы (Uоуном – напряжение на выходе ОУ при номинальном входном напряжении Uвхном = 1 В):