Пример расчета многокаскадного усилителя звуковых частот узч

В курсовой работе предварительно разрабатывается схема, на основе анализа возможных способов построения усилителя с заданными параметрами, и приводится ее описание.

Исходные данные для расчета схемы (рис.1). Мощность сигнала в нагрузке =4 Вт, сопротивление нагрузки Ом, сопротивление источника сигнала =1 кОм, нижняя частота Гц, верхняя частота кГц, коэффициент частотных искажений дБ, коэффициент гармоник , ЭДС источника сигнала мВ.

Рис.1

Расчет оконечного каскада

Транзисторы V3 и V4 работают в режиме АВ.

1. Амплитуда тока коллектора в нагрузке

= = 1 A.

2. Амплитуда выходного напряжения В.

3. Выбор транзисторов в оконечном каскаде осуществляется по следующим параметрам:

, , .

На основе данных условий выбраны транзисторы V3-КТ815А, V4-КТ814А [21].

4. По выходным статическим характеристикам V3, V4 [25] для находим =0,5В.

5. Напряжение коллектор – эмиттер в точке покоя

= + =0,5+8=8,5 В.

6. Напряжение источника питания = 2 = 2,5 = 17 В < = 25 B.

7. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, 0,101 / = 0,101(8,5) /8 = 1 Вт; =1 Вт = =1 Вт (без радиатора).

8. Ток коллектора в точке покоя = 0,0 = 0,05 = 50 мА.

9. По ВАХ [25] для и находим 1 мА; для максимальный ток базы равен = 50 мА; для 1 мА – напряжение база-эмиттер покоя = 0,75 В и для = 50 мА – максимальное напряжение база-эмиттер = 0,92 В.

10. Амплитуда напряжения между базой и эмиттером транзисторов V3 и V4 = – = 0,92 – 0,75 = 0,17 В.

11. Амплитуда тока базы транзисторов V3, V4:

= – = 50 – 1 = 49 мА.

12. Амплитуда напряжения на входе оконечного каскада:

= 0,17 + 8 = 8,17 B.

13. По ВАХ [25] находим сопротивление базы оконечного транзистора.

14. Входное сопротивление оконечного транзистора при включении с ОЭ:

Ом.

15. Входное сопротивление оконечного транзистора при включении с ОК:

= + (1 + ) = 8,38 + 8(1+70) = 576 Ом.

16. Для определения сопротивления резистора R7 составим следующую систему уравнений:

,

. (1)

Выберем =1,2 , где - ток коллектора в точке покоя V2;

- амплитуда тока коллектора V2. Решив с учетом этого равенства систему (1) относительно , получим

= ( )/1,2 = (8-0,75-1,2 ,17)/1,2 0 = 119 Oм.

17. Ток коллектора V2 в точке покоя:

= ( – )/ 7 = (8 – 0,75)/119 = 60 мА.

18. Амплитуда тока коллектора V2:

= /1,2 = 50 мА.

19. Максимальный ток коллектора V2:

= + = 60 + 50 = 110 мА.

20. Уточним постоянные напряжения и токи транзисторов V2, V3 и V4 с учетом действия “вольт-добавки” (выбор транзисторов V1 и V2 выполняется так же, как выбор транзисторов V3 и V4).

По выходным характеристикам транзистора V2 – КТ3107К [25] для = = 110 мА находим = 0,4 B; = + = 0,4 + 8,17 = 8,57 B; = + = 8,57 + 0,75 = 9,32 B; = = 17 – – 9,32 = 7,68 B; = (U – 1,2 )/1,2 = (7,68 – 0,75 – 1,2 ,17)/ 1,2 0 = 114 Ом. По ГОСТу, 7 = 120 Ом.

Следовательно, = ( )/ 7= = 58 мА;

= = =49 мА; = 58+48 = 106 мА.

21. Для V3 и V4 напряжение смещения 2 = 0,75 = 1,5 B.

22. Сопротивление резистора смещения:

= /( ) = 1,5/(58 - 1) × 10 = 26,03 Ом.

По ГОСТу, = 27 Ом. Так как = 27 Ом << = 576 Ом, тo резистор смещения не нужно шунтировать конденсатором.

23. Коэффициент усиления оконечного каскада = / = = 8/8,17 = 0,98.

Расчет предварительного каскада на V2

1. =58 мА < =100 мА; = 8,57 B;

= 24 B < =25 B; = =

= 58 0 ,57 0,48 Bт > =0,3 Вт.

Следовательно, при требуемых параметрах оконечного каскада транзистор КТ3107 может быть применен только с радиатором. В противном случае следует использовать более мощный транзистор, например КТ502 или КТ603.

2. Согласно ВАХ [25], ток базы V2 в точке покоя 0,1 мА, =0,58 B.

3. Коэффициент усиления по току V2 выбираем следующим: = = =550 (соответствует значениям и на ВАХ).

4. Сопротивление базы V2 = =100/7=14 Ом.

5. Входное сопротивление V2 при включении с ОЭ:

= + (1+ ) = 14 + (1+550) = 252 Ом.

6. Сопротивление нагрузки по переменному току:

= + (1+ ) = +8(1+70) 575 Ом.

7. Коэффициент усиления по напряжению предварительного каскада:

= / = 550 75/252 = 1255.

8. Коэффициент усиления предварительного и оконечного каскадов:

= = 125 0,98 = 1230.

9. Напряжение на входе предварительного каскада

= / = / = 8/1230 = 6,5 мВ.

Расчет первого каскада усиления на V1

1. Для определения тока коллектора V1 в точке покоя, амплитуды тока коллектора и сопротивления резистора 3 составим следующую систему уравнений:

= ( - ) ,	(2)
= + .	(3)

Учитывая, что V1 работает в режиме А, примем

= .

(4)

Из выражения (2) получаем

= / + .

(5)

Из формул (3) и (4) имеем

= + .

(6)

Из выражений (5) и (6) находим

= .

(7)

Согласно выражению (7), получаем два условия для выбора :

< = = 90, > = = 4.

В соответствии с выражением (7), чем меньше , тем больше , что увеличивает , но уменьшает I , которое обычно нецелесообразно принимать менее 50…100 мкА (для кремниевых транзисторов) из-за уменьшения . Выбираем =10. Из выражения (7) получаем

= (0,58 0 )/( -10 ) = 3,26 кОм.

По ГОСТу, =3 кОм.

Амплитуда тока коллектора транзистора V1, согласно выражению (3),

= + = 28 мкА.

Ток коллектора в точке покоя = = 1 0 = 0,28 мА.

2. Для транзистора КТ342Б проверяем возможность использования тока следующим образом: = 0,28 мА < = 50 мА; = 0,28 мА > > 10 = 0,5 мкА. При = 0,28 мА коэффициент передачи тока 280.

3. Проверяем транзистор по предельному значению напряжения: =17 B < < = 25 B.

4. Ток базы в точке покоя = / = /280 = 1 мкА.

5. Ток эмиттера в точке покоя = + = + =

= 281 мкА.

6. Постоянное напряжение на резисторе 5, согласно рис.1:

= - - . Выбираем напряжение U .

Очевидно, что U должно быть меньше = 9,32 B. Пусть = 5 B, тогда = 9,32-0,58-5=3,74 B.

7. Сопротивление = / _{э 01} = 3,74/(0,28 ) = 13,3 кОм.

По ГОСТу, = 13 кОм.

8. По входным статическим характеристикам транзистора V1 [25] для тока базы 1 мкА находим напряжение база-эмиттер в точке покоя 0,45 B.

9. Напряжение на резисторе 2:

= + + = 0,45 + 7,68 + 3,74 = 11,87 B.

10. Выбираем ток делителя = (5…10) = 5 мкА.

11. Сопротивление = = = 2,3 МОм.

По ГОСТу, = 2,2 МОм.

12. Напряжение на резисторах и (рис.1) = - =17- 11,87 =

= 5,13 B.

13. Сопротивление = + = /( + ) = 5,13/( 0 +10 ) =

= 855 кОм.

13. Выбираем сопротивления резисторов и по ГОСТу, причем желательно выбрать по возможности большего значения: =820 кОм, =36 кОм.

14. Сопротивление делителя по переменному току:

= ₂/( ₁+ ₂) = =597 кОм.

13. Эквивалентное сопротивление источника сигнала:

= /( + ) = /(1+597) 1 кОм.

13. Сопротивление нагрузки транзистора V1 по переменному току:

= /( + ) = + 252) = 232 Ом.

13. Сопротивление базы транзистора V1 = /C =

= =38 Ом.

13. Входное сопротивление транзистора V1 без ОС:

= + (1+ ) = 38+ (1+280) 25,1 кОм.

13. Коэффициент усиления каскада на V1 без учета местной ОС:

= / = 28 32/25100 2,6.

Для расчета сопротивления резистора учтем следующие обстоятельства. Из-за наличия в усилителе (рис.1) через резисторы , действует как местная ООС в каскаде на V1, так и общая ОС. Местная ОС увеличивает входное сопротивление V1 и уменьшает . При заданной сквозной глубине ОС и известном выбирать произвольно нельзя (см. п. 5 расчета каскада на V2 ). Для определения можно использовать следующий последовательный подход.

13. Так как местная ОС в каскаде на V1 уменьшит общую сквозную глубину ОС, то выбираем ее с некоторым запасом =15.

14. Коэффициент усиления усилителя без учета обратных связей:

= = 2, 230 = 3198.

13. Коэффициент передачи по напряжению входной цепи усилителя без учета обратных связей = / ( + ) = 25,1/(1 + 25,1) = 0,96.

14. Коэффициент передачи цепи ОС в общей петле:

= ( - 1)/ = (15 - 1) / 0,9 198 = 0,00456.

13. Сопротивление = /(1 - ) =0,0045 0 = 59,3 Ом. По ГОСТу, =62 Ом.

14. С учетом местной ОС входное сопротивление каскада на V1:

= + ( 1 + ) = 25100 + 62( 1 + 280 ) = 42,5 кОм.

27. Коэффициент усиления по напряжению первого каскада с учетом местной ОС: = / = 28 32/42500 = 1,53.

28. Коэффициент передачи по напряжению входной цепи усилителя с учетом местной ОС:

= 42,5/(1 + 42,5) = 0,977 1.

29. Коэффициент усиления усилителя с учетом местной ОС:

= = 1,5 230 = 1880.

30. Сквозная глубина ОС в общей петле:

=1 + =1 + 0,0045 880 = 9,57.

31. Так как увеличением сквозную глубину ОС изменить практически не удается, то уменьшим сопротивление резистора по переменному току. Выбираем =9,1кОм, тогда = 62 / 9100 = 0,0068.

32. Сквозная глубина ОС =1 + = 1 + 0,006 880 = 13,7. Такая глубина ОС подходит в усилителе для получения заданных нелинейных искажений.

33. Так как , то = . Коэффициент усиления по напряжению усилителя с общей ОС = / = 1880/13,7 = 137.

34. Входное сопротивление усилителя с учетом общей ОС:

= = 42,5 3,7 = 582 кОм.

35. Сопротивление = /( - ) = 1 9,1/(13-9,1) = 30,4 кОм.

По ГОСТу, = 30 кОм.

36. Емкость = = 21 0 Ф.

По ГОСТу, = 200 мкФ.

37. Емкость =1/ 0 = 4,4 мкФ.

По ГОСТу, = 5 мкФ.

38. Входное сопротивление усилителя с учетом делителя:

=582 · 597/(582+597) = 294 кОм.

39. Амплитуда напряжения, необходимая на входе усилителя:

мВ.

40. Так как , то требуемая для усилителя ЭДС источника сигнала мВ. Такое значение подходит, так как оно меньше, чем задано в исходных данных (техническом задании на проектирование).