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 Ku1.

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):

Выбираем

Далее произведем расчет величин ёмкостей С2 и С3 дабы обеспечить заданную полосу пропускания УМЗЧ (Ku – коэффициент усиления по уровню 0.7):

Частоту fв устанавливаем конденсатором С3:

Частоту fв устанавливаем конденсатором С2:

Для второго ОУ нашей мостовой схемы входным является сигнал с первого ОУ, а входное сопротивление равно сопротивлению обратной связи, тем самым обеспечивая повторение входного сигнала. В схеме симметричные элементы соответствующие элементам рассчитанным выше имеют сходные с ними параметры. В результате использования мостовой схемы мы получаем амплитуду напряжения на нагрузке в 2 раза больше, чем в обычной схеме, тем самым добиваясь характеристик заданных в техническом задании. Питание операционных усилителей, с учетом запаса на колебания напряжения в сети выбираем равным 33 В, как и у самой схемы.

3 Исследование УМЗЧ с помощь ЭВМ

Исследование рассчитанного усилителя проведем с помощью пакетом автоматизированного проектирования MicroCap 6.0 и OrCAD 9.1. Собираем схему используя SPICE- модели транзисторов и операционных усилителей. На вход подключаем генератора синусоидальных сигналов с частотой 1КГц. Остальные элементы схемы задаются исходя из расчетов. Загрузочный файл пакета OrCAD 9.1 нашей схемы приведен в приложении D, а графическое представление в пакете MicroCap 6.0 в приложении G.

Готовую схему исследуем используя разные виды анализов. Результаты переходного анализа приведены в приложении А. Здесь приведены графики сигналов на выходе усилителя при трех разных температурах (10, 27 и 60°С) и при номинальной амплитуде входного сигнала.

В приложении В приведена характеристика выходной мощности при максимальном входном сигнале.

В приложении C приведена АЧХ УМЗЧ при трех температурах (10, 27 и 60°С), показана полоса пропускания по уровню 0.7 (а в дБ уровень 0.7 соответствует –3дБ от максимального коэффициента передачи). Более точная настройка полосы усилителя осуществляется конденсаторами С2 и С3.

Вычисление чувствительности на постоянном токе выходного напряжения к изменениям параметров схемы производилось в пакете OrCAD 9.1. Результат этих вычислений в виде выдержки из выходного файла приведен в приложении H.

Результаты из выходного файла для Фурье- гармоник приведены в приложении E. Анализ Monte Carlo для наихудшего случая, приведенный в приложении F, позволяет проследить, как зависит форма сигнала на выходе от влияния разброса параметров (в данном примере разброс задается величинам резисторов 10%).

заключение

Мы выполнили курсовой проект, который заключался в проектировании аналогового электронного устройства, в нашем случае усилителя мощности звуковой частоты. В процессе работы была подобрана техническая литература по разрабатываемому устройству, проанализировано техническое задание, в результате чего мы произвели выбор структурной схемы устройства, выполнили расчет её элементов. Проверка работы и дальнейшая настройка схемы производилась с использованием современных методов автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств, а именно MicroCap 6.0 и OrCAD 9.2. С помощь этих пакетов были проведены (и некоторые представлены графически) следующие анализы разработанной схемы:

1. Вычисление чувствительности на постоянном токе выходного напряжения к изменениям параметров схемы

2. Расчет частотных характеристик

3. Переходный анализ

4. Анализ Фурье- гармоник для определения коэффициента гармоник

5. Температурный анализ (для трех значений температуры (10, 27, 60)

6. Анализ характеристик для наихудшего случая

Оформление технической документации было произведено в точности по результатам проектирования. Цели, которые были поставлены перед нами в техническом задании, были успешно достигнуты.

Библиографический список

1. Проектирование усилительных устройств: Учебное пособие / Под ред. М.В. Терпугова. М.: Высшая школа, 1982. 190 с.

2. Титце Ч., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство/ Пер. с нем. под ред. А.Г. Алексенко. М.: Мир, 1980. 512 с.

3. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем. М.: Мир, 1991. 446 с.

4. Расчет электронных устройств на транзисторах/ Бочаров Л. Н., Жебряков С. К., Колесников И. Ф. – М.: Энергия, 1978. 208с.

5. Интегральные схемы: Операционные усилители: Справочник. Том 1. – М.: Физматлит, 1993. 240 с.

6. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. 656 с.

7. Важенин В.Г. Исследование усилительных каскадов при различных схемах включения транзистора. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. 39 с.

Страницы: 1, 2

Новости

Мои настройки

Наверх