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):

Страницы: 1, 2

В соцсетях