4 Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе выполняется индивидуально в соответствии с требованиями кафедры и содержит:

1) цель и задачи работы,

2) схемы исследуемых ЭП,

3) расчетные экспериментальные параметры исследуемых схем,

4) расчетные и экспериментальные ЧХ исследуемых схем,

5) расчетные и экспериментальные ПХ исследуемых схем.

5 Контрольные вопросы

1. Приведите эквивалентную схему ЭП.

2. Приведите вывод коэффициента передачи ЭП.

3. Приведите вывод входного и выходного сопротивления ЭП.

4. Приведите схему ЭП с повышенным входным сопротивлением делителя.

5. Приведите схему ЭП с компенсационной обратной связью.

6. Приведите вывод входного сопротивления ЭП с компенсационной ОС.

7. Приведите вывод АЧХ ЭП.

8. Приведите вывод ПК ЭП.

9. Приведите построение нагрузочной характеристики ЭП.

10. Поясните методы измерения входного и выходного сопротивления ЭП.

6. Рекомендуемая литература

1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. - 400 с.

2. Кауфман К., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник. - T.1. - М.: Знергоатомиздат, 1991. - 368 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4

Исследование усилителей мощности звуковой частоты (3 часа)

1 Цель работы

Целью данной работы является:

- изучение физических и математических моделей усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на интегральной схеме (ИС) К174УН4Б, на комплементарных транзисторах КТ814 и КТ815; двухтактного трансформаторного УМЗЧ на транзисторах ГТ402Б; мостового УМЗЧ на интегральных схемах К174УН7.

- приобретение навыков экспериментального исследования усилительных и энергетических параметров, частотных и амплитудных характеристик УМЗЧ, влияние отрицательной обратной связи (ООС) на указанные параметры и характеристики УМЗЧ, а также проектирование схем УМЗЧ.

2 Краткая теоретическая справка

2.1. Режимы работы УМЗЧ

Принципиальное различие между однотактным оконечным каскадом (ОК) и предварительным каскадом (ПК) усиления заключается не в схемотехнике, а в режимах их работы. Сигнал, подаваемый на вход ОК, усиливается ПК и достигает большого уровня, что приводит к захвату нелинейных участков вольтамперной характеристики (ВАХ) усилительного элемента (УЭ). Кроме того, в ОК добиваются полного использования по мощности УЭ при минимально возможных нелинейных искажениях (НИ), так как это дает определенный экономический выигрыш.

Еще одной особенностью мощного ОК является графоаналитический метод анализа его работы.

В современных усилительных устройствах УЭ могут работать в различных режимах: A, B, AB, C, AD, BD, BE, ABE. Из выходных статических ВАХ УЭ следует, что для получения заданной начальной рабочей точки (точки покоя), которая определяет режим работы УЭ, необходимо задать определенный режим питания УЭ по постоянному току.

2.1.1. Режим A

Режим A характеризуется тем, что рабочая точка (·) А выбирается в средней части выходной нагрузочной характеристики (выходной динамической характеристики). Выходная динамическая характеристика транзистора в режиме А приведена на рис.1.

Рис.1. Выходная нагрузочная характеристика УК в режиме А.

Условия выбора транзистора приведены в [1] и имеют вид:

; ; .

Точки 1 и 5 рис.1 на нагрузочной кривой соответствуют , точки 2 и 4 , точка 3 соответствует (точка покоя).

Уравнение нагрузочной прямой.

(1)

где R_к~ – сопротивление нагрузки УЭ переменному току.

Угол ~ отсечки в режиме А равен 180° .

Энергетические параметры УК в режиме А:

Колебательная мощность отдаваемая УК в нагрузку:

(2)

Максимальная мощность, потребляемая УК от источника питания:

(3)

Коэффициент использования УЭ по току:

(4)

Коэффициент использования УЭ по напряжению:

(5)

Мощность рассеиваемая на УЭ:

(6)

КПД УК в режиме А:

(7)

При усилении сигналов с постоянным уровнем ; тогда . На практике вероятное значение и .

Максимальное значение мощности рассеиваемой на коллекторе транзистора в режиме А имеет место при отсутствии сигнала на входе:

(8)

Условие (8) служит для выбора транзистора в режиме А .

При трансформаторной связи нагрузки с УК:

(9)

где = 0.7 … 0.9 кпд трансформатора выбирается по рекомендациям учебника [2].

Если , то транзистор устанавливают на радиатор из меди или алюминия, площадь поверхности которого находят из соотношения [2]:

(10)

где в [см²], в [Вт].

В 2-х тактной схеме P_~ и P_{к max} делят на два плеча поровну. Кроме того, в 2-х тактной схеме скомпенсированы в нагрузке четные гармоники и постоянная составляющая. Нечетные гармоники в 2-х тактной схеме удваиваются.

Условия выбора транзистора:

; ;

В режиме покоя и ток близок к нулю, т.е. транзистор закрытый. Выходной ток УЭ представляет собой косинусоидальные импульсы, которые содержат в своём спектре основную (первую) гармонику и более высокие гармоники (вторую и третью). Для снижения нелинейных искажений режим В используют только в 2-х тактных или мостовых схемах.

Энергетические параметры УК в режиме В

Амплитуда первой гармоники в импульсе тока для одного плеча УМЗЧ:

(12)

Средняя составляющая тока одного плеча УМЗЧ:

(13)

Коэффициент использования тока:

(14)

Коэффициент использования напряжения:

(15)

где Е_к = Е_п – напряжение источника питания.

Колебательная мощность УМЗЧ:

(16)

Мощность потребляемая от Е_к:

(17)

КПД УК В режиме В:

(18)

При , .

Мощность, рассеиваемая УЭ одного плеча, при замене :

(19)

Из выражения (19) нетрудно установить, что при

Установим условия для выбора транзистора ОК в режиме В.

При этом выразим

Учитывая, что получим для соотношение для выбора транзистора в режиме В:

(20)

При ориентированном выборе транзисторов ОК в режиме В пользуются усредненным значением , для которого .

В двухтактной схеме ОК в режиме В амплитуда первой гармоники:

(21)

Средняя составляющая тока:

(22)

В однотактной схеме: амплитуда 2-ой гармоники в составе импульсов в режиме В:

(23)

Коэффициент 2-ой гармоники

(24)

Для уменьшения нелинейных искажений режим В используют в 2-х тактных и мостовых схемах [2,3,4].

2.2. Схемы УМЗЧ

Наиболее широко на практике применяют 2-х тактные и мостовые УМЗЧ [2,3,4]. Однотактные применяют редко в силу низкого КПД и значительных нелинейных искажений. Различают трансформаторные и бестрансформаторные 2-х тактные УМЗЧ. Трансформаторные УК (рис.3) позволяют согласовать нагрузку с УЭ.

Рис.3. Трансформаторный 2-х тактный УМЗЧ.

Возбуждение трансформаторного УМЗЧ производится парафазными напряжениями и .

Коэффициент трансформации трансформатора:

(25)

где W₁ и W₂ – числа витков вторичной и первичной обмотки;

и ; (26)

Подбором "n" можно получить оптимальное согласование:

(27)

где нагрузка УЭ, при которой колебательная мощность имеет максимальное значение. Бестрансформаторные схемы УМЗЧ могут быть с парафазным возбуждением (рис.4) и однофазным возбуждением (рис.5).

рис.4. Бестрансформаторный УМЗЧ с управлением от парафазного напряжения.

В схеме УМЗЧ на рис.4 транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме с общим коллектором, что позволяет легко согласовать выходное сопротивление эмиттерного повторителя с низкоомной нагрузкой.

Конденсаторы C1 и C2 выполняют роль разделительных, делители на резисторах R1, R2 и R3, R4 задают смещение на базы транзисторов VT1 и VT2.

УМЗЧ с однофазным возбуждением (рис.5) выполняются на комплементарных транзисторах.

рис.5.Бестрансформаторный УМЗЧ с управлением от однофазного напряжения.

Схемы УМЗЧ на рис. 4 и 5 имеют два источника питания.

На практике находят ограниченное применение схемы маломощных УМЗЧ с одним источником питания и конденсаторной связью с нагрузкой (рис.6).

рис.6. Бестрансформаторный УМЗЧ с управлением от однофазного напряжения и с одним источником питания.

В схеме рис.6 конденсатор C заряжается током i₁ транзистора VT1 при положительной полуволне входного напряжения. Напряжение заряда U_c на конденсаторе C равно U_c = 0.5 E_к.

При отрицательной полуволне входного напряжения открывается транзистор VT2 и через него проходит ток i₂ заряда конденсатора C.

Для обеспечения постоянства напряжения U_с в течении половины периода разряда конденсатора С на низшей частоте F_н входного сигнала, величина ёмкости С должна быть выбрана из условий (28) и (29):

(28)

(29)

На низшей частоте и малом сопротивлении нагрузки величина C получается порядка тысяч мкфр что связано с увеличением габаритов, со снижением надёжности и с возникновением искажений.

Широкое применение на практике нашли мостовые схемы УМЗЧ [3]. Они могут быть с последовательным, параллельным и комбинированным возбуждением [1,3].

На рис.7 приведена мостовая схема УМЗЧ с параллельным возбуждением парафазным напряжением на интегральных схемах.

Рис.7. Мостовая УМЗЧ с парафазным возбуждением.

В схеме УМЗЧ рис.7 R1, R2, C1 и R3, R4, C2 представляют собой цепи отрицательной обратной связи, R5, C3 и R6, C4 – цепи корректирующие амплитудно-частотную характеристику на высоких частотах. Аналогично мостовая схема может быть выполнена на комплементарных транзисторах в противоположных плечах моста. Мостовая схема позволяет получить на нагрузке мощность в 2 раза большую, чем в 2-х тактной схеме, так как мощность рассеивания делится на четыре транзистора.

Как указывалось выше, 2-х тактные и мостовые схемы имеют свойство компенсировать четные гармоники, при этом нечетные гармоники удваиваются. Кроме того в указанных схемах компенсируется постоянная составляющая на нагрузке и пульсации питающего напряжения.

На практике из-зи несимметрии плеч уровень гармоник возрастает и в основном учитывают вторую гармонику.

Коэффициент второй гармоники K_г2:

(30)

где X = 0.5 без отбора транзисторов (УЭ);

X = 0.25 со специальным отбором транзисторов (УЭ).

2.3. Расчет нелинейных искажений в УМЗЧ.

Расчет коэффициента нелинейных искажений (клирфактора) в УМЗЧ производят методом клина (пяти или семи ординат) по сквозной динамической характеристике (ДХ) на частоте f = 1 кГц:

или ;

где i_вых, U_вых – выходной ток (напряжение);

E_г = U_вх + i_вх · R_г – ЭДС входного сигнала;

R_г – внутреннее сопротивление генератора входной ЭДС.

Как правило R_г мало и для практических расчетов клирфактора можно использовать проходную ДХ – зависимость .

Порядок построения проходной ДХ.

Экспериментально определяют максимальную амплитуду U_{m вх max} входного сигнала, при увеличении которой имеют место искажения типа отсечки.

По осциллографу определяют максимальную положительную и отрицательную амплитуду входного U_{m вх max} и выходного U_{m вых max} = U_{m н max} (на нагрузке) сигналов. Далее уменьшают амплитуду U_{m вх} входного сигнала вдвое и вновь определяют U_{m вых}.

При U_{m вх} = 0 измеряют U_вых. По пяти точкам строят проходную ДХ для U_{m вх} = ± U_{m вх max} ; U_{m вх} = ± 0.5 U_{m вх max}; U_{m вх} = 0 (рис.8).

На рис.8 точки 1 и 5 соответствуют ± U_{m вх max}; точки 2 и 4 соответствуют ± 0.5 U_{m вх max}; точка 3 соответствует U_{m вх} = 0.

Рис.8. Проходная ДХ для пяти ординат.

По экспериментальной проходной ДХ рис.8 определяют среднее значение напряжения на нагрузке и амплитуды гармоник.

По следующим формулам, в которые подставляют значения U1, U2, U3, U4 и U5 с учетом их знака в системе координат ДХ [1,2,3]:

(31)

Коэффициент гармоник (клирфактор) находят по формуле:

(32)

Для высококачественных усилителей K_Г < 0.5%. С целью уменьшения K_Г в УМЗЧ вводят местную и общую отрицательную связь (ООС).

При наличии ООС:

(33)

где К – общий коэффициент усиления УМЗЧ без ООС,

β – коэффициент передачи цепи ООС.

Описание лабораторного стенда

Конструктивно УМЗЧ состоит из двух коробчатых конструкций, на одной из них смонтированы три УМЗЧ, на второй УМЗЧ мостового типа. На большом макете собраны три модуля платы УМЗЧ.

3.1. Описание модуля №1.

На печатной плате модуля №1 собран УМЗЧ на ИС К174УН4Б.

УМЗЧ на ИС К174УН4Б возбуждается резисторным каскадом предварительного усиления на транзисторе VT1 КТ312 с местной ООС на резисторе R8 (рис.9).

Рис.9. Усилитель мощности звуковой частоты на микросхеме.

Схема электрическая принципиальная

Выходной двухтактный каскад К174УН4Б выполнен по схеме эмиттерных повторителей на составных транзисторах. В цепь вывода 2 включена цепь ООС C8R10, которая устраняет нелинейные искажения (НИ) типа ступеньки. Конденсатор C9 в цепи вывода 5 служит элементом развязывающего фильтра, в качестве сопротивления фильтра используется динамическое сопротивление транзистора ИС.

На вывод 6 подается напряжение вольтодобавки с конденсатора C10. Разделительный конденсатор C13 развязывает выход ИС от нагрузки по постоянному току. В качестве эквивалента нагрузки используются резисторы:

R13 = 6.2 Ом; R14 = 10 Ом; R15 = 16 Ом, которые подключаются к выходу ИС с помощью перемычек.

На входе УМЗЧ установлен П-образный резисторный ослабитель сигнала в 10 раз. Внешний генератор G подключается к схеме к гнёздам Х1 и Х2. Напряжение питания Е_п = 9В, ток потребления I_п измеряется прибором РА1 с диапазоном измерения 0…265 мА.

При исследовании студент должен экспериментально установить усилительные и энергетические параметры УМЗЧ, снять его АЧХ и оценить нелинейные искажения при напряжении U_{m вх max} на гнёздах Х4 и Х2, при котором имеет место начало ограничения сигнала на нагрузке.

Регистрирующий осциллограф подключается к гнёздам Х5 и Х2.

3.2. Описание модуля №2

На печатной плате модуля №2 собран 2-х тактный УМЗЧ на комплементарных транзисторах VT1 КТ814, VT2 КТ815, включенных по схеме с ОЭ и возбуждаемых микромощной ИС К157УД1 (рис.10).

Рис.10. Усилитель мощности звуковой частоты двухтактный на транзисторах. Схема электрическая принципиальная

С целью снижения нелинейных искажений в цепи эмиттеров включены резисторы местной ООС R11 и R12, а весь усилитель охвачен общей ООС, включаемой ключами SA1 и SA2.

Напряжение смещения на базы VT1 и VT2 подается со стабилитронов VD9 и VD10.

Нагрузки каскада R1 = 10 Ом, R2 = 13 Ом, R3 = 16 Ом, подключаются ключами SA3, SA4, SA5.

Питание УМЗЧ и ИС К157УД1 двухполярное Е_п = ± 15 В, токи потребления I_п плеч УМЗЧ измеряются приборами PA2.1 и PA2.2 с пределами измерения 0…250 мА.

При исследовании УМЗЧ студент должен экспериментально установить его усилительные и энергетические параметры, снять его АЧХ и оценить нелинейные искажения при максимальном входном U_{m вх max} сигнале на гнёздах Х1 и X2, при котором имеет место начало ограничения выходного сигнала на нагрузке.

Осциллограф подключается к выходным гнёздам Х7, Х2. Для измерения амплитуды входного сигнала осциллограф подключается к гнёздам Х1 и Х2.

3.3. Описание модуля №3

На печатной плате модуля №3 собран 2-х тактный трансформаторный УМЗЧ на VT2, VT3 ГТ402Б с фазоинверсным трансформаторным предварительным УК на транзисторе VT1 МП41А (рис.11).

В УМЗЧ введена местная ООС на резисторах R13, R15, R14 и общая ОС R17, C12, подключаемая к гнезду Х4 илиХ5 перемычкой от гнезда Х9.

УМЗЧ может работать в режиме А или В (соответственно ключ SA2 в положении А или В). Эквивалент нагрузки УМЗЧ R18 = 8.2 Ом, R19 = 13 Ом,

R20 = 16 Ом подключается перемычками. Ток потребления I_п УМЗЧ измеряется прибором РА3 с пределами измерения 0…100 мА, напряжение питания лабораторного стенда Е_п = - 9 В.

Рис.11. Усилитель мощности звуковой частоты на трансформаторе.

Схема электрическая принципиальная

Трансформатор TV2 позволяет согласовать нагрузку с выходом УМЗЧ и получить максимальную колебательную мощность.

Внешний генератор подключается к гнёздам Х1, Х2, осциллограф подключается к гнёздам Х13, Х2 на выходе и к Х3, Х2 на входе.

При исследовании студент должен экспериментально установить его усилительные и энергетические параметры, снять АЧХ и оценить нелинейные искажения при оптимальной нагрузке при наличии и отсутствии общей ООС.

3.4. Описание модуля №4

УМЗЧ четвёртого типа выполнен по мостовой схеме на 2-х ИС К174УН7 с параллельным возбуждением от парафазного усилителя на VT1 КТ3102 по схеме с разделенной нагрузкой, R5 и R8 в цепях коллектора и эмиттера (рис.12). Нагрузка УМЗЧ подключается ключами S1, S2 и S3. Общая нагрузка составляет R_н = 3 х 4 = 12 Ом.

Генератор G входного сигнала подключается к гнёздам Х1, Х2, далее он делится в 10 раз и сигнал на входе УМЗЧ измеряется Х3 и Х2, выходной сигнал измеряется осциллографом на нагрузке между гнёздами Х6 и Х7.

Напряжение питания Е_п = 15 В, ток потребления I_п измеряется амперметром РА с пределами 0…2.5 А.

Рис.12. Усилитель мощности мостового типа на микросхемах.

Схема электрическая принципиальная