1. ВВЕДЕНИЕ

Усилители низкой частоты (УНЧ) широко применяются для воспроизведения звука от различных источников: детектора радиовещательного радиоприемника, звукоснимателя проигрывателя грамзаписей, микрофона телефонного аппарата, электрогитары, телефонного аппарата и др.

УНЧ, применяемые для высококачественного звуковоспроизведения, представляют собой сложное радиоэлектронное устройство, состоящее из последовательно включенных функционально завершенных устройств, таких как регуляторы громкости, согласующие устройства, регуляторы тембра, усилители мощности и др [2].

В курсовом проекте разрабатывается усилитель низкой частоты для радиоприемника второй группы сложности. Радиоприемники предназначены для приема передач радиовещательных станций в различных диапазонах частот (ДВ, СВ, KB и УКВ). Отечественной промышленностью в 60...90 годы было выпущено большое количество моделей радиоприемников первой группы сложности: "Рига-104", "Рига-Ill", "Вега-119-стерео" и др. [11, 12].

Разработка усилителя включает следующие вопросы:

- обзор методов решения аналогичных инженерных задач;

- обоснование и выбор структурной схемы устройства;

- электрический расчет основного узла устройства;

- описание элементов конструкции и особенности технологического исполнения устройства;

- экономический расчет и меры по энергосбережению и повышению противопожарной безопасности.

2. Обзор методов решения аналогичных инженерных

1.1 Общие сведения об электронных усилителях

Электронными усилителями называются устройства, предназначенные для увеличения мощности электрического сигнала. Усиление осуществляется с помощью усилительного элемента, в качестве которого используются электронные приборы - вакуумные электронные лампы или транзисторы в дискретном либо интегральном исполнении. Поскольку электрическая мощность пропорциональна напряжению и току (P=UI), то усиление сигнала по мощности сопровождается его усилением по напряжению (току). Усилители применяются в тех случаях, когда мощность, напряжение или ток источника первичного сигнала (например, микрофона, антенны или датчика напряжения) не обеспечивают нормальную работу потребителя (громкоговорителя, радиолокационного индикатора, электродвигателя и т.д.).

Функционально необходимыми узлами любого электронного усилителя являются усилительный элемент (УЭ) и нагрузка (рис.1). На усилительный элемент подается маломощный входной сигнал, управляющий режимом работы усилителя. Нагрузкой называется узел, на котором выделяется усиленный сигнал.

Рисунок 1.1. Структурная схема электронного усилителя

Принцип работы типового электронного усилителя состоит в следующем. До прихода входного сигнала через УЭ и нагрузку от источника питания протекает большой по величине постоянный ток I, равный десяткам миллиампер и даже единицам ампер. При этом на сопротивлении нагрузки падает постоянное напряжение U_H. Режим усилителя при отсутствии входного сигнала называют статическим. Маломощный входной сигнал с параметрами I_вх, U_вх, P_вх изменяет сопротивление УЭ, что приводит к изменению тока I по закону сигнала. В результате на нагрузке усилителя выделяется усиленный сигнал с параметрами I_вх, U_вх, P_вх превышающими аналогичные параметры на входе. Режим работы усилителя при наличии входного сигнала называется динамическим. Мощность сигнала возрастает за счет передачи ему энергии источника постоянного тока, питающего усилитель. Усиленный сигнал выдается потребителю.

Усилители классифицируются по назначению, диапазону рабочих частот и типу применяемого УЭ.

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности. Усилители напряжения и тока усиливают и по мощности, но главной их задачей является получение больших значений напряжения и тока. Эти усилители обычно используются на этапе предварительного усиления сигнала. Усилители мощности, как правило, являются выходными (оконечными).

В зависимости от диапазона рабочих частот различают усилители постоянного тока, низких, промежуточных и высоких частот.

Усилители постоянного тока (УПТ) усиливают сигналы, не меняющиеся во времени либо изменяющиеся с частотой, не превышающей единиц герц. Усилители низких частот (УНЧ) усиливают сигналы с частотами от 20Гц до 200кГц. УНЧ, работающие в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, называют усилителями звуковых частот. Усилители промежуточных частот (УПЧ) работают в диапазоне от сотен килогерц до десятков мегагерц, а усилители высоких частот (УВЧ) - в диапазонах радиочастот.

По типу УЭ различают ламповые и полупроводниковые усилители. Полупроводниковые усилители строятся на дискретных УЭ (биполярных и полевых транзисторах) либо на интегральных микросхемах.

Подача на усилитель входного сигнала и съем с него усиленного сигнала осуществляются с помощью трех выводов биполярных и полевых транзисторов. При этом вывод, входящий во входную и выходную цепи усилителя, является общим. В зависимости от того, какой вывод взят в качестве общего возможны три схемы включения УЭ:

- с общим источником носителей зарядов, то есть с общим эмиттером или общим истоком;

- с общим управляющим электродом, то есть с общей базой или общим затвором;

- с общим приемником носителей зарядов, то есть с общим коллектором или общим стоком.

Цепь общего вывода УЭ обычно заземляется.

Рисунок 1.2. Упрощенные электрические схемы усилителей с общим источником носителей зарядов

На схемах с общим источником носителей зарядов (рис.1.2) в качестве УЭ взяты биполярный транзистор n-p-n-типа и полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. Источник питания постоянного тока не показан. Сопротивление нагрузки Z_H усилителей в данных схемах включается в цепь приемника зарядов (коллектора и стока). В общем случае это сопротивление носит комплексный характер и может содержать элементы R, L и С. Токи выходной цепи (коллектора I_К и стока Iс), протекающие от источника питания постоянного тока и изменяющиеся по закону усиливаемого сигнала, больше входных токов управляющего электрода УЭ (базы I_Б и затвора I₃). Следовательно, усилитель с общим источником носителей зарядов обеспечивает усиление по току, напряжению, а значит, и по мощности. Так как ток входного (управляющего) электрода мал, то входное сопротивление усилителей велико. Также велико и их выходное сопротивление. Усиление сопровождается инвертированием (переворачиванием) сигнала. В самом деле, при увеличении, например, напряжения U_bx ток в нагрузке возрастет, а потенциал выходного электрода и выходное напряжение уменьшаются. Таким образом, напряжения U_bыx и U_bx противофазны.

Упрощенные электрические схемы усилителей с общим управляющим электродом УЭ приведены на рис. 1.3. Сопротивление нагрузки Z_H в данных схемах включается также в цепь приемника зарядов (коллектора и стока). Однако ток выходного электрода схем всегда меньше тока входного электрода на величину малого тока управляющего электрода. Поэтому схема включения УЭ с общим управляющим электродом не имеет усиления по току, но усиливает по напряжению и мощности. Схема не инвертирует сигнал. Так, при возрастании U_bx потенциал управляющего электрода понизится, что приведет к уменьшению тока нагрузки и величины падения напряжения на Z_H. В результате потенциал выходного электрода повысится, а закон изменения U^ повторит закон изменения U_вх. Поскольку входной ток усилителей с общим управляющим электродом велик, то их входное сопротивление мало. Выходное сопротивление усилителей большое.

Рисунок 1.3- Упрощенные электрические схемы усилителей с общим управляющим электродом УЭ

Рисунок 1.4. Упрощенные электрические схемы усилителей с общим приемником зарядов УЭ

Сопротивление нагрузки Z_h в данных схемах включается в цепь источника носителей зарядов (эмиттера и истока). Поскольку напряжение на участке «управляющий электрод - источник зарядов» (см. пунктирную стрелку на рис.4) мало, то в данной схеме включения УЭ выходное напряжение практически повторяет входное (U_{bыx ˜} U_bx), а усилитель не имеет усиления по напряжению (является повторителем напряжения), однако усиливает по току и мощности. Схема не инвертирует сигнал, имеет большое входное и малое выходное сопротивления.