Усилитель низких частот
Введение
технический схема усилитель частота
Одной из наиболее важных операций в
электронике является усиление.
На базе усилителей построены
практически все электронные устройства. Усилители электрических сигналов
классифицируются по ряду признаков: характеру усиливаемых сигналов; диапазону
частот; назначению; электрическим характеристикам усиливаемого сигнала; типу
усилительных (активных) элементов. Одним из наиболее существенных
классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в
пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому
признаку различают следующие основные типы усилителей:
Усилители низкой частоты,
предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный
диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц.
Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой
частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.
Усилители постоянного тока -
усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей
частоты. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его
постоянную составляющую.
Избирательные усилители -
усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая
величина отношения верхней частоты к нижней. Эти усилители могут использоваться
как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных
частотных фильтров, позволяющих выделить заданный диапазон частот электрических
колебаний.
Широкополосные усилители,
усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для
усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения.
Часто широкополосные усилители называют видеоусилителями.
Техническое задание
Выходная мощность усилителя - 10Вт;
Диапазон изменения частот входного
сигнала - 15 - 20000 Гц;
Коэффициент гармоник - 0.06%
Коэффициент линейных искажений 1,2
дБ;
Коэффициент полезного действия -
60%;
Максимальный уровень входного
сигнала - 10 мВ.
1. Выбор варианта
построения структурной схемы
На сегодняшний день наиболее
распространены три основных варианта построения усилителей:
— на основе одной интегральной
микросхемы, реализующей в себе все необходимые каскады для получения требуемой
мощности на заданной нагрузке;
— на основе операционного
усилителя, реализующего функцию усиления напряжения, и выходных транзисторных
каскадов, обеспечивающих получение заданной мощности в нагрузке;
— на основе транзисторных
каскадов предварительного усиления и усилителя мощности, выполненных на
дискретных элементах.
На рисунке 1 приведена обобщенная
структура.
Рисунок 1. Структура усилителя
2. Описание
принципиальной схемы усилителя низких частот
В основу курсовой работы была взята
часто применяемая схема УПТ (рис. 2) с добавлением конденсаторов для подавления
нижней (С2) и верхней (С/) частоты в соответствующей области.
Рисунок 2. Схема УНЧ
На входе УНЧ располагаются два
фильтра: С1, К1 - фильтр высоких и К2, С2 - фильтр низких частот.
Первым каскадом является
дифференциальный усилитель на транзисторах УТ1, УТ2, УТЗ, УТ4 в котором для
задания коллекторного тока использована схема «токового зеркала» на
транзисторах УТ5 и УТ6. Токовым зеркалом называется электронная схема, выходной
ток в которой повторяет как по величине, так и по направлению ее входной ток.
Включение транзисторов в качестве динамической нагрузки позволяет увеличить
коэффициент усиления по напряжению до нескольких сотен. Ток эмиттера
стабилизирован генератором тока на транзисторе УТ7. Коллекторный ток УТ7
задается делителем в цепи базы. Генератор тока, который имеет большое
внутреннее сопротивление, обеспечивает стабильность работы дифференциального
каскада и задает ток эмиттера, этим самым делая его менее чувствительным к
изменениям температуры.
Данная схема должна работать в
режиме малых точек (большое Rвх).
Сопротивления R3 и R4 являются элементами местной
последовательной отрицательной обратной связи по току, которая увеличивает
входное сопротивление и сглаживает разницу между эмиттерными сопротивлениями
обоих плеч (идентичность плеч необходима для уменьшения коэффициента передачи
синфазной составляющей). Входные сопротивления достигают величины в нескольких
сотен кОм.
Промежуточный каскад с ОЭ на
транзисторе VT8 усиливает напряжение и осуществляет сдвиг уровня напряжения на
выходе при отсутствии сигнала на входе УНЧ. Каскад охвачен отрицательной
обратной связью по току (резистор R10), в качестве динамической нагрузки включен источник тока на
транзисторе VT9.
В качестве выходного каскада
используется эмиттерный повторитель построенный по схеме Дарлингтона. VT10 и VT12 - составной
повторитель, дающий ток положительной полуволны выходного сигнала, а
отрицательную полуволну формирует схема на транзисторах VT11 и VT13, которая по своим
«внешним» параметрам полностью аналогична составному транзистору на VT10 и VT12, но имеет свойства p-n-p транзистора.
3. Расчетная часть
.1 Расчет выходного
каскада
Для подбора мощных транзисторов и их
применения в качестве выходного каскада необходимо рассчитать следующие
параметры:
= 
= 9В;
;
где 
- амплитудное значение напряжения на сопротивлении нагрузки 
= 4 Ом.
Напряжение источника питания одной
половины выходного каскада при биполярном питании или половина напряжения
общего источника питания определяется исходя из амплитуды выходного сигнала,
при этот величина напряжения питания E выбирается минимум на 2…5 В больше 
:
E 
= 15 В
Для транзистора VT10, VT12 выберем транзистор
КТ3108Б (n-p-n), а для VT9, VT11 - КТ315Д-5 (p-n-p). Коэффициент передачи по току базы 
= 50 при T = 298 К, 
= 45
В, 
= 6 A. Максимальная допустимая мощность рассеиваемая коллектором
транзистора 
= 25 Вт.
Диоды VD1, VD2, VD3, VD4 обеспечивают смещение
выходного каскада. Выберем смещение 
= 0.9 В. Для диодов VD1-VD4 выберем диод IN4934. Прямое падение напряжение 
= 1 В при прямом токе 
= 1,5 мА Максимальное обратное напряжение 
= 15 В, 
= 100
мА.
Так как транзисторы VT10-VT13 идентичны, то по
паданию напряжения на диодах поровну распределится между транзисторами:
= 3.6
В.
При этом через транзисторы протекает
малый ток. При отсутствии входного сигнала, потенциал эмиттеров транзисторов VT10, VT13 равен нулю и ток в
нагрузке отсутствует.
3.2 Расчет
дифференциального каскада
Для идентичности плеч транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4 выберем транзисторную
сборку КТС 395Б-1 (n-p-n). Коэффициент передачи по току базы = 200-400 при Т = 298 К, 
= 45 В, 
= 1мА.
Максимальная допустимая мощность, рассеиваемая коллектором одного транзистора 
= 150 мВт.
Так как транзисторы идентичны, то
токи в плечах каскада одинаковы.
Зададимся входным током 
= 0.2 мкА. Определим токи плеч каскада:
= 
= (1+ ) 
=
(1+40000) 0.2
мкА = 8 мА.
Источник тока на транзисторе VT7 задает ток покоя плеч
каскада:
Зададимся номинальные значение
резисторов сопротивления R3=R4=100 Ом.
Рассеиваемая мощность:
= 
= 5 мВт,
Для VT7 выберем транзистор
2Т3130Б9 (n-p-n). Коэффициент передачи по току базы = 200-500 при Т = 298 К, 
= 30 В, 
=
10мА. Рассеиваемая коллектором одного транзистора = 200 мВт.
Выберем потенциал базы VT7 из условия обеспечения
большого диапазона допустимых значений синфазной составляющей сигнала 
= -10В.
Рассчитаем номинал R7 при фиксированном потенциале базы VT7. Напряжение прямого
смещенного эмиттерного перехода транзистора примем равным 0.8 В.
;
= 15 -
10 - 0.8 = 4.2 В;
Из ряда Е24 выберем R7 = 510 Ом.
Рассеиваемая мощность:
Рассчитаем делитель напряжения R5,
R6. Ток делителя выберем так, чтобы базовые токи VT4 не влияли на
потенциалы их баз, то есть;
;
Это позволит обеспечить лучшую
стабильность источников тока на VT4. Выберем 
= 5.6
мА. Найдем номиналы резисторов делителя:
;
;
R6 = 
= 750
Ом.
Из ряда Е24 выберем R6 = 910 Ом.
R5 = 
= 1785
Ом.
Из ряда Е24 выберем R5 = 1800 Ом.
Для «токового зеркала» транзисторов VT5 и VT6 выберем транзисторную
сборку 2Т3130Б9 (p-n-p). Коэффициент передачи по току базы = 200-500 при Т = 298 К, = 30 В, 
=
40мА. Рассеиваемая мощность коллектором одного транзистора = 200 мВт.
Идентичность транзисторов в сборке
позволяет получить коэффициент отражения «токового зеркала» близкий к единице.
.
3.3 Расчет
предоконечного каскада
Для VT8 выберем транзистор
2Т3130Б9 (p-n-p). Коэффициент передачи по току базы = 200-500 при Т = 298 К, = 30 В, =
40мА. Рассеиваемая мощность коллектором одного транзистора = 200 мВт. Выберем потенциал базы транзистора VT8 так, чтобы при
амплитудных значниях выходного сигнала транзисторы VT10, VT12 находились в активном
режиме 
= 13 В.
Для VT8 примем = 200.
Найдем номинал R10.
;
;
15 - 9
- 0.8 = 5.2 В;
= 6500
м;
Из ряда Е24 выбираем R10 = 620 Ом.
Для VT8 выберем транзистор
2Т3130Б9 (p-n-p). Коэффициент передачи по току базы = 200-500 при Т = 298 К, = 30 В, =
40мкА. Рассеиваемая мощность коллектором одного транзистора = 200 мВт
Выберем потенциал базы VT9 из условия обеспечения
большого диапазона допустимых значений синфазной составляющей сигнала 
= -10В.
Рассчитаем номиналы R8 и R9 при фиксированном потенциале базы VT9. Напряжение прямого
смещенного эмиттерного перехода транзистора примем равным 0.8 В.
;
R11 + R12 = 
= 525
Ом.
Из ряда Е24 выберем R11 = 510 Ом.
Для подстроечного резистора R12 = 300 Ом.
Рассчитаем делитель напряжения R8, R9. Выберем 
= 5.6 мА.
Найдем номиналы резисторов делителя:
R8 = 1800 Ом;
R9 = 910 Ом;
= 56
мВт;
= 47
мВт.
3.4 Расчет фильтров
По условию задан коэффициент линейных
искажений 1.2 дБ.
В схеме используется два
конденсатора, и каждый из них в той или иной степени влияет на линейные
искажения усилителя. Распределим 
поровну между конденсаторами:
Конденсатор C1:
Для конденсатора С1 выберем емкость
1.5 мФ. Определим значение номинала резистора R1:
Из ряда Е24 выберем R1 = 15 Ом.
= 19
мкФ.
Для конденсатора С2 выберем емкость
20 мкФ. Определим значение номинала резистора R2:
= 390
мОм
Из ряда Е24 выберем R3 = 360 мОм.
Расчет коэффициента полезного
действия и коэффициента усиления
Коэффициент полезного действия
усилителя определяется, в основном, мощность, отбираемой от источника питания
выходным каскадом:
Определим мощность, потребляемую
всем усилителем:
Таким образом, полученное КПД
усилителя мощности удовлетворяет условию задания, следовательно, расчет и
подбор отдельных параметров схемы усилителя выполнен верно.
Коэффициент усиления определяется по
следующему соотношению:
;
Коэффициент усиления
дифференциального каскада:
Коэффициент усиления предоконечного
каскада:
Оконечный каскад не усиливает
напряжение:
4. Моделирование в
программной среде CircuitMaker
На рисунке 3 приведена
амплитдно частотная характеристика спроектированного усилителя
Рисунок 3. АЧХ усилителя
На рисунке 4 и 5 представлены
графики выходного тока и напряжения
Рисунок 4. Выходной ток
Рисунок 5. Выходное напряжение
Рисунок 6 - Анализ Фурье
Рассчитаем коэффициент нелинейных
искажений:
Заключение
В данном курсовом проекте был
спроектирован усилитель низкой частоты, который отвечает всем параметрам
задания. Коэффициент полезного действия спроектированного усилителя низкой
частоты превышает заданное нам по условию значение, что гарантирует эффективную
работоспособность устройства. Полученные результаты удовлетворяют требованиям
технического задания.
Список литературы
1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника - М.: Высшая школа.
1982. - 496 с.
2. Петухов В.М. Транзисторы и их зарубежные аналоги.
Справочник.
В 4 т. Т.Э. Издание второе. - М.: ИП РадиоСофт, 2000. -672 с.
. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных
схем. - М.: Энергия. 1977. - 670 с.
4. Хоровиц П. Хилл У. Искусство светотехники - М.: Мир, 2010
- 704 с.