2 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
2.1 Введение
Проектирование усилителя звуковой частоты состоит из двух этапов:
1. Выбор и обоснование функциональной схемы проектируемого усилителя.
Этот этап представляет собой общий расчёт усилителя и предназначен для предварительного определения числа и типа каскадов, применяемых в них транзисторов, предварительного расчёта цепей отрицательной обратной связи, цепей питания, вспомогательных элементов схемы и т.д.
Расчёт ведётся по приближенным соотношениям.
2. Расчёт принципиальной схемы усилителя
Этот этап представляет собой детальный расчёт проектируемого усилителя звуковой частоты и его основной целью, в основном, является конкретный расчёт деталей схемы.
В этом случае точность расчёта определяется величиной допуска на детали. Обычно этот допуск находится в пределах 10% от номинальной величины детали.
Расчёт функциональной схемы ведётся по току, а для оконечного каскада по току и по мощности. Это обусловлено тем, что в справочнике для транзистора даётся коэффициент усиления по току h21.
Мощный каскад усиления может быть однотактным или двухтактным. Связь с нагрузкой может быть трансформаторной или бестрансформаторной. Однотактные усилители мощности могут работать в режиме класса А и применяются сравнительно редко в усилителях малой мощности. В большинстве случаев применяются двухтактные каскады работающие в экономном режиме В или АВ.
Выходной согласующий каскад позволяет получить наибольшую мощность и хороший КПД, однако он удорожит усилитель, увеличит вес и габариты и является причиной появления дополнительных искажений, поэтому обычно в звукотехнической аппаратуре применяются бестрансформаторные оконечные каскады на транзисторах или микросхемах.
Общие замечания по методике проектирования
1) Проектирование начинается с составления функциональной схемы усилителя. Тщательное обоснование функциональной схемы позволяет выбрать технически наиболее верный вариант построения усилителя, избежать неувязок, приводящих в громоздким переделкам в расчётах.
2) Проектирование многокаскадного усилителя ведётся от выхода к входу, т.е. сначала рассчитывается выходной (оконечный) каскад, затем предоконечный каскад и т.д. Это обусловлено тем, что на выбор режимов и параметров каскада решающее влияние оказывает параметры нагрузки. Нагрузкой каждого предыдущего каскада является входная цепь последующего каскада, а для оконечного каскада – громкоговоритель.
3) Транзисторы имеют большой разброс параметров, поэтому в справочниках обычно приводятся усредненные характеристики и указываются предельные (наихудшие) значения параметров. При проектировании можно использовать усреднённые характеристики и средние значения параметров транзисторов. Однако, если установка транзистора с худшими параметрами может вызвать неработоспособность усилителя, существенное несоответствие техническому заданию (недостаточное усиление, недостаточная раскачка последующих каскадов и т.д.), то лучше использовать наихудшие значения таких параметров.
4) Из-за большого разброса параметров транзисторов применение точных расчетов не всегда оправдано. Достаточную точность зачастую даёт приближенное соотношение. Для составления функциональной схемы можно использовать самые простые соотношения, несмотря на их грубость, так как на этом этапе основная цель состоит лишь в правильном выборе числа и типа каскадов и применяемых в них транзисторов.
При расчёте принципиальной схемы усилителя критерием допустимой приближенности вычислений, как уже отмечалось выше, может служить величена допусков, с которыми будут выбираться номиналы по каталогу.
Формулы более точные, без приближений, желательно использовать при расчёте результирующих характеристик, так как здесь важно убедиться, что получены параметры усилителя не хуже заданных.
2.2 Выбор и обоснование функциональной схемы усилителя звуковой частоты на транзисторах
2.2.1 Общий порядок составления функциональной схемы
Функциональная схема усилителя звуковой частоты составляется на основе анализа исходных данных. Проведение ориентировочных расчетов позволяет обоснованно выбрать схемы каскадов, типы транзисторов для них, режимы транзисторов и определить основные параметры каскадов. Расчет начинается с оконечного каскада. После ориентировочного расчёта оконечного каскада выявляться необходимость отрицательной обратной связи, определяется ее тип и глубина, намечается место и способ введения обратной связи. После расчета предоконечного каскада определяется число каскадов предварительного усиления, выбираются типы транзисторов для них и намечается расположение в схеме усилителя регуляторов усиления и тембра.
При составлении функциональной схемы необходимо продумать и отразить вопросы стыковки схем соседних каскадов, цепей обратной связи, регуляторов, а также увязать между собой напряжения питания отдельных каскадов.
В результате необходимо изобразить функциональную схему усилителя с указанием для каждого каскада типа схемы, типа транзистора, его режима, основных параметров каскада (амплитуда тока, усиление), напряжения питания. Затем с учетом технических решений, выбранных в ходе составления функциональной схемы, можно составить принципиальную схему усилителя и, используя ее, произвести распределение по цепям усилителя частотных искажений на низшей и высшей частоте, результаты которого также отображают на функциональной схеме.
На функциональной схеме должны быть показаны особенности схемы обратной связи и ее глубина, местоположение фильтров в цепях питания.
Нанесенные на функциональную схему значения величин, полученных в ходе ее обоснования, позволяет легко проверить правильность выбора функциональной схемы и стыковки ее узлов и будут служить исходными величинами при последующем расчете принципиальных схем каскадов.
Ниже последовательно и подробно описываются отдельные этапы составления и обоснования функциональной схемы.
2.2.2 Анализ исходных данных для проектирования
Все исходные данные требуют внимательного рассмотрения. Многие из них могут оказаться обычными, но некоторые параметры или их сочетания могут решающим образом повлиять на выбор технических решений.
Зависимость выбора отдельных решений от параметров, указываемых в техническом задании, очень сложна. Например, выбор схемы и режима оконечного каскада зависит от величины выходной мощности, вида источника питания, сопротивления нагрузки, допустимого коэффициента гармоник, особенности конструкции усилителя и других исходных данных.
Дать жесткие однозначные рекомендации чаще всего невозможно.
Те соображения, которые необходимо будет учитывать в ходе составления функциональной схемы, будут изложены ниже. В целом составление функциональной схемы является задачей, имеющей не одно решение. При выполнении этой задачи должны проявиться творческие способности проектировщика.
Возможны случаи, когда выполнение технического задания возможно не единственным путем, т. е. можно выбрать несколько вариантов построения функциональной схемы усилителя (например режим А и В, включение транзистора по схеме ОЭ или ОБ, однотактная или двухтактная схема оконечного каскада, получение допустимого коэффициента гармоник с обратной связью или без нее и т. д.).
В этом случае рекомендуется вести расчет нескольких вариантов функциональной схемы по крайней мере до тех пор, пока не выяснится, какой из вариантов лучший и для лучшего варианта на этапе составления функциональной схемы не вызывает затруднений. Следует отметить, что выполнение заданных условий неэкономичным путем (ценой большого расхода энергии, использования большого числа каскадов, дорогих деталей и т. п.) является недостатком проекта. К такому же недостатку обычно приводит и необоснованное перевыполнение условий технического задания, например, обусловлено другими неопределенными обстоятельствами.
2.2.3 Выбор схемы связи с нагрузкой
В усилителях звуковой частоты, являющихся усилителями мощности, используют трансформаторные и бестрансформаторные схемы связи с нагрузкой.
При трансформаторной схеме связь между усилителем и нагрузкой осуществляется с помощью выходного трансформатора. Соответствующий выбор коэффициента трансформации позволяет преобразовать заданную величину сопротивления нагрузки в другую величину, оптимальную для транзистора оконечного каскада. Это обеспечивает хорошее использование характеристик транзистора, в результате чего получается наибольшая мощность и хороший КПД каскада.
КПД трансформатора ηтр выбирают с учетом величины выходной номинальной мощности Рвых ном, выделяемой в нагрузке, значения низшей рабочей частоты ƒн и требований к портативности конструкции усилителя.
С учетом потерь в трансформаторе и в цепях обратной связи, оконечный каскад должен отдавать увеличенную по сравнению с Рвых ном мощность:
Ркm=
где ηтр выбирается:
Рвых ном |
ηтр |
до 1 Вт |
0,7-0,8 |
от 1 Вт до 10 Вт |
0,75-0,85 |
от 10 Вт до 100 Вт |
0,84-0,93 |
Небольшой запас на потребление мощности цепями обратной связи (1,05) делается в очень мощных усилителях, а увеличенный запас (1,25) – в маломощных усилителях при большой глубине обратной связи. Следует иметь ввиду, что трансформаторный выход ведет к удорожанию усилителя, увеличивается вес и габариты устройства, появляются дополнительные искажения.
В звукотехнической усительной аппаратуре наибольшее распространение получили бестрансформаторные схемы мощных каскадов.
Применение бестрансформаторной схемы включения нагрузки возможно, если значение нагрузки таково, что возникающая на ней амплитуда напряжения
Uвых
m
=
лежит в пределах 7-10В < Uвых m <0,4 Ек,
где
Ек - напряжение питания каскада.
Для бестрансформаторного каскада отдаваемая мощность Pkm ≥ 1,1Pвых ном, т.к.следует учесть потери мощности в эмиттерных резисторах и делители цепи ООС.