Контрольная работа: Усилитель низких частот

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.