усилитель. 1 часть. 1. Расчет оконечного каскада унч

• Название: 1. Расчет оконечного каскада унч
• Анкор: усилитель
• Дата: 08.05.2023
• Размер: 81.78 Kb.
• Имя файла: 1 часть.docx
• Тип: Документы; #1115168

Введение

Оконечные каскады выполняются по схеме с трансформаторной связью, либо по схеме с безтрансформаторной связью. Трансформаторную связь применяют, когда сопротивление нагрузки меньше выходного сопротивления каскада. Поэтому в настоящем проекте рассчитывается усилитель с трансформаторной связью.

Транзисторы и способ их включения, схема каскада и режим работы транзисторов выбираются из условий обеспечения заданной выходной мощности и максимального к.п.д. при заданных частотных искажениях. Оконечные каскады могут выполняться по однотактной или двухтактной схеме. Однотактная схема позволяет сэкономить один транзистор, но не может обеспечить к.п.д. выше 30%.

Двухтактная схема может обеспечить кпд до 78% при коэффициенте гармоник 7-12%. Габариты выходного трансформатора из-за отсутствия тока подмагничивания значительно уменьшаются. Выходная мощность достигает величины в 1.5 раза большей, чем мощность, рассеиваемая на коллекторах транзисторов.

Транзисторы могут быть включены либо по схеме с общей базой, либо общим эмиттером, либо общим коллектором.

После выбора схемы оконченного каскада и режима работы выбирается транзистор, удовлетворяющий следующим условиям:

1.Допустимая мощность рассеяния на коллекторе должна быть не ниже максимальной рассеиваемой при заданной максимальной температуре окружающей среды.

2.Предельная частота коэффициента передачи тока должна быть выше верхней заданной частоты для того, чтобы искажения, вносимые транзистором, были, возможно, меньшими.

1.Расчет оконечного каскада УНЧ

1. Типы УНЧ

Классификация усилителей низкой частоты

По топологии выходного каскада:

* однотактный выходной каскад

* двухтактный выходной каскад

В зависимости от режима работы выходного каскада усилители делятся на:

* класс, или режим «A» -- режим работы, в котором каждый активный прибор (лампа или транзистор) выходного каскада всегда работает в линейном режиме. Все линейные однотактные усилители работают в режиме А.

* класс «AB» -- режим работы двухтактного каскада, промежуточный между режимами А и В. Угол отсечки каждого активного прибора существенно больше 180°, но меньше 360°.

* класс «B» -- режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор воспроизводит с минимальными искажениями сигнал одной полярности (либо только положительные, либо только отрицательные значения входного напряжения). Режим С в звуковой технике не применяется из-за недопустимо высоких искажений.

* класс «D» -- режим работы каскада, в котором активный прибор работает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов промодулированных по ширине (ШИМ), управляющих мощными выходным ключом (ключами).

Режиму А свойственны наилучшая линейность при наибольших потерях энергии, режиму D -- наименьшие потери при удовлетворительной линейности. Совершенствование базовых схем в режимах А, AB, B и D породило целый ряд новых «классов», от «класса АА» до «класса Z».

По конструктивным признакам

По типу применения в конструкции усилителя активных элементов:

* ламповые -- на электронных лампах. Составляли основу всего парка УНЧ до 70-х годов. Занимают большую долю рынка профессиональной и полупрофессиональной гитарной усилительной аппаратуры.

* транзисторные -- на биполярных или полевых транзисторах. Такая конструкция оконечного каскада усилителя является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности.

* интегральные -- на интегральных микросхемах (ИМС). Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах. Из преимуществ -- минимальное количество элементов и, соответственно, малые габариты.

* гибридные -- часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах, а часть на электронных лампах.

* на магнитных усилителях. В настоящее время являются «забытой» технологией.

* микротелефонные (англ. carbon amplifier). В прошлом усилители этого типа находили применение в слуховых аппаратах.

* пневматические (en:compressed air gramophone). В таком усилителе источник колебаний (например, маломощный громкоговоритель, граммофонная игла) приводит в движение модулятор интенсивности потока воздуха от компрессора, за счёт чего происходит усиление амплитуды колебаний по мощности.

По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:

* трансформаторные -- в основном такая схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки, а также необходимостью гальванической развязки выходных ламп и нагрузки.

* бестрансформаторные -- в силу дешевизны, малого веса и большой полосы частот бестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение. Бестрансформаторные схемы легко реализуются на транзисторах.

По типу согласования выходного каскада с нагрузкой

* Согласование по напряжению -- выходное сопротивление УМ много меньше омического сопротивления нагрузки. В настоящее время является наиболее распространённым. Позволяет передать в нагрузку форму напряжения с минимальными искажениями и получить хорошую АЧХ. УМЗЧ хорошо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и хорошо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, рассчитанных на источник сигнала с нулевым выходным сопротивлением. В настоящее время используется повсеместно. усилитель резистивный каскад коллекторный

* Согласование по мощности -- выходное сопротивление УМ равно или близко сопротивлению нагрузки. Позволяет передать в нагрузку максимум мощности от усилителя, из-за чего в прошлом было весьма распространённым в маломощных простых устройствах. Сейчас является основным типом для работы на линию с известным волновым сопротивлением (например, LAN), и иногда в выходных каскадах ламповых усилителей.

* Согласование по току -- выходное сопротивление УМ много больше сопротивления нагрузки. В основе такого согласования -- следствие из закона Лоренца, согласно которому звуковое давление пропорционально току в катушке ГД. Позволяет сильно (на два порядка) уменьшить интермодуляционные искажения в ГД и их ГВЗ (групповое время задержки). УМЗЧ слабо подавляют резонанс низкочастотных громкоговорителей и плохо работают с пассивными разделительными фильтрами многополосных акустических систем, которые обычно рассчитаны на источник сигнала с нулевым выходным сопротивлением. В настоящее время используется крайне редко.

1.2. Оконечные каскады усилителей, их принцип действия

Оконечный (выходной) каскад предназначен для отдачи заданной мощности в нагрузку усилителя, сопротивление которой лежит в пределах единиц — десятков ом. Он обеспечивает необходимую интенсивность выходного колебания всего усилителя.

Оконечные каскады потребляют от источника питания относительно большую мощность, а коэффициент полезного действия должен быть достаточно большим. Каскады предварительного усиления, которые потребляют от источника питания незначительную энергию и выполняются на маломощных транзисторах, работают на линейном участке характеристики и должны обеспечивать на входе оконечного каскада большую амплитуду. В связи с тем что с выхода предварительного каскада на вход оконечного каскада подается сигнал большой амплитудой, то в оконечных каскадах используется практически вся область входных и выходных характеристик транзистора. А из-за большой амплитуды входного сигнала параметры транзистора за весь период сигнала изменяются в широких пределах, что приводит к возрастанию нелинейных искажений выходного сигнала оконечного каскада. Поэтому расчет выходной мощности, коэффициента усиления, коэффициента нелинейных искажений осуществляется графическим способом по входным и выходным характеристикам транзистора.

Применение аналитического метода расчета параметров оконечного каскада с использованием малосигнальных параметров транзистора может привести к большим неточностям и ошибкам. В выходных каскадах амплитуда выходного тока и напряжения близки к предельно допустимым значениям для используемого транзистора, а выходная мощность соизмерима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой транзистором, и сравнима с мощностью, потребляемой от источника питания. Величина мощности в нагрузке может быть от нескольких милливатт до нескольких киловатт. С возрастанием выходной мощности в оконечных каскадах существенное значение приобретает КПД, который при больших выходных мощностях стремятся получить как можно большим, а коэффициент усиления по мощности при этом играет второстепенную роль.

Чем выше КПД усилителя, тем меньше мощность потерь, которая превращается в тепло. В связи с этим для предотвращения перегрева транзисторов выходного каскада их снабжают радиаторами, размеры которых могут быть тем меньше, чем выше КПД. Максимальная неискаженная мощность и КПД оконечного каскада зависят как от типа используемого транзистора, так и от схемы выходного каскада и его режима работы.

Если выходная мощность оконечного каскада составляет милливатты — десятые доли ватт, то в выходных каскадах используются такие же транзисторы, что и в предварительных каскадах. В оконечных каскадах средней и большой мощности используются мощные транзисторы. Кроме того, транзисторы выбираются так, чтобы максимальные токи, напряжения и мощности потерь не превышали допустимых значений для выбранного транзистора, а граничная частота транзисторов оконечных каскадов не должна быть ниже верхней граничной частоты fB всего усилителя.

Для получения большой выходной мощности в оконечных каскадах, работающих на низкоомную нагрузку, необходимо использовать максимальные амплитуды токов и напряжений транзисторов.

В оконечных каскадах преимущественно используется схема с ОЭ, которая обеспечивает наибольший коэффициент усиления по мощности, и требуется меньшее усиление от предварительного каскада. Схема с ОБ из-за низкого входного сопротивления и соответственно большого входного тока в оконечных каскадах практически не применяется. Для связи с нагрузкой в оконечных каскадах используются резистивно-емкостная, непосредственная и трансформаторная связи.

Оконечные каскады усиления могут быть построены по однотактной или двухтактной схеме, при этом они существенно отличаются друг от друга. Простейшими схемами оконечных каскадов являются однотактные схемы. В зависимости от положения рабочей точки на входной и выходной характеристиках различают следующие основные режимы работы оконечных каскадов: режим класса А,

1.3. Расчет

Величина напряжения источника питания определяется по формуле [3] (1.3.1):

,(1.3.1)



Максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов VT3 и VT4 определяется по формуле (1.3.2):

.(1.3.2)



Значение тока покоя определяется, исходя из условия (1.3.3):

(1.3.3)



Максимальная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом каждого из оконечных транзисторов определяется по формуле (1.3.4):

(1.3.4)



По полученным значениям , , и заданному в техническом задании выбирается тип оконечных транзисторов VT3 и VT4 так, чтобы максимально допустимые значения параметров транзисторов превышали расчетные, то есть:

(1.3.5)

(1.3.6)

(1.3.7)

(1.3.8)

Данным условиям удовлетворяют транзисторы КТ825 и КТ827 [5]:









Максимальное значение тока предоконечных транзисторов определяется по формуле (1.3.9):

,(1.3.9)

где - максимальное значение коллекторного тока оконечныхтранзисторов;

- минимальное значение коэффициента передачи тока оконечных транзисторов.

.

Максимальная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом каждого из предоконечных транзисторов определяется по формуле (1.3.10):

(1.3.10)



По полученным значениям , , и заданному в техническом задании выбирается тип оконечных транзисторов VT3 и VT4 так, чтобы максимально допустимые значения параметров транзисторов превышали расчетные, то есть:

(1.3.11)

(1.3.12)

(1.3.13)

(1.3.14)

Данным условиям удовлетворяют транзисторы КТ825 и КТ827 [5]:









Емкость разделительного конденсатора С5 находится по формуле (1.3.15):

,(1.3.15)

где – нижняя граничная частота;



Номинальное значение емкости разделительного конденсатора С5 выбрано равным 4000 мкФ, в соответствии с ГОСТ 10318-80.

Значения сопротивлений резисторов R7 и R8 выбраны равными 100 Ом и будут уточняться при моделировании схемы на ЭВМ.

Частотные искажения каскада в области низких и высоких частот рассчитываются по формулам (1.3.16) и (1.3.17) соответственно:

(1.3.16)

,(1.3.17)

где – верхняя граничная частота.





Входной ток двухтактного безтрансформаторного каскада рассчитывается по формуле (1.3.18):

,(1.3.18)

где - максимальное значение тока предоконечных транзисторов.



Ток делителя R4-R5-R6 определяется из соотношения (1.3.19):

(1.3.19)



Значение сопротивления резистора R5 определяется по формуле (1.3.20):

,(1.3.20)

где IД – ток делителя R4-R5-R6;

UБЭ1, UБЭ2, UБЭ3, - напряжения смещения на эмиттерных переходах соответствующих транзисторов, определяемые по входным характеристикам.



Для обеспечения минимальных нелинейных искажений напряжения смещения на коллекторных переходах VT1 и VT2 должны быть равны, так как параметры h21Э и IКБ0 этих транзисторов одинаковы. То есть

(1.3.21)

(1.3.22)

(1.3.23)

Таким образом, напряжение смещения на коллекторном переходе любого из транзисторов VT1 или VT2 определяется по формуле (1.3.24):

,(1.3.24)

где - падение напряжения на резисторе R5.

.

Сопротивления R4 и R6 рассчитываются по формулам (1.3.25) и (1.3.26) соответственно:

(1.3.25)



(1.3.26)



Расчетные значения сопротивлений R4 и R6 приблизительно равны. Ближайшее номинальное значение по ГОСТ 10318-80 равно 50 кОм.

Емкость конденсатора С4 находится по формуле (1.3.27):

,(1.3.27)

где - нижняя граничная частота УНЧ.



Ближайшее номинальное значение емкости С4 по ГОСТ 10318-80 равно 3 мкФ.

Входное сопротивление двухтактного выходного каскада определяется по формуле (1.3.28):

(1.3.28)



Значение сопротивления резистора R3 рассчитывается[1] по формуле (1.3.29):

(1.3.29)

где - входное сопротивление двухтактного оконечного каскада;

- оптимальное значение сопротивления нагрузки ОУ



Такое значение сопротивления R3 обусловлено необходимостью обеспечения требуемого входного сопротивления выходного двухтактного каскада, чтобы R3||Rвх = Rн.min .

Значение емкости конденсатора С3 определяется[1] по формуле (1.3.30):

,(1.3.30)

где || ;

– нижняя граничная частота;

- коэффициент частотных искажений (задаемся дБ);

- оптимальное значение сопротивления нагрузки ОУ.



Ближайшее номинальное значение емкости С4 по ГОСТ 10318-80 равно 3,6 мкФ.

Коэффициент передачи RC-цепи связи вычисляется[1] по формуле (1.3.31):

(1.3.31)

Коэффициент передачи RC-цепи связи на нижней граничной частоте вычисляется по формуле (1.3.32):

(1.3.32)



Таким образом, напряжение на входе RC-цепи связи будет определяться выражением (1.3.33):

(1.3.33)



Для обеспечения согласования инвертирующего усилителя на ОУ и источника сигнала необходимо, чтобы сопротивление входа усилителя и источника сигнала были равны. Так как ,[2] то справедливо Ом.

Так как , то напряжение на входе усилителя определяется по формуле (1.3.34):

(1.3.34)



Требуемый коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ рассчитывается[2] по формуле (1.3.35):

(1.3.35)



Значение сопротивления резистора R2 рассчитывается[2] по формуле (1.3.36):

(1.3.36)



Ближайшее номинальное значение сопротивления по ГОСТ 10318-80 равно 110 кОм.

Значение емкости конденсатора С1 прнято равным 1 мкФ и будет уточняться при моделировании схемы на ЭВМ.

Номинальное напряжение всех конденсаторов схемы определяется из условия, что . То есть все конденсаторы берутся с номинальным напряжением не менее 22 В.