Файл: Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине Электроника и цифровая схемотехника.doc

Для предварительного расчета УНЧ исходными данными являются:

1) требуемая мощность на выходе УНЧ – Р_вых;

2) сопротивление нагрузки –R_н;

3) напряжение источника входного сигнала – U_вх;

4) внутреннее сопротивление источника сигнала – R_г;

5) диапазон частот f_н– f_в.

Считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях. Температура окружающей среды: T_min=+15 °С ; Т_mаx = +30 °С.

Задавшись исходными данными на проектирование УНЧ, переходят к разработке его структурной схемы.
2.2.2. Разработка структурной схемы УНЧ
Для этого необходимо определить:

1) коэффициент усиления УНЧ по мощности К_р;

2) число каскадов усиления (структурную схему УНЧ);

3) тип схемы и типы транзисторов выходного каскада, напряжение источника питания.

Порядок расчета УНЧ:

1. Находим мощность входного сигнала.

Отметим, что максимальная мощность отдается источником входного сигнала нагрузке, когда входное сопротивление каскада равно внутреннему сопротивлению источника (R_вх = R_г).

Тогда ,

где R_вх– входное сопротивление первого каскада УНЧ.

2. Определяем требуемый коэффициент усиления УНЧ по мощности.

В общем случае коэффициент усиления УНЧ по мощности определяется по такой формуле:



где ά_Р =(1,1 ÷ 1,3) – коэффициент запаса по мощности;

К_рег– коэффициент передачи регулятора уровня сигнала, задается в пределах (0,3...0,5).

Выразим коэффициент усиления по мощности в децибелах:

.

3. Находим ориентировочное число каскадов усиления и составим структурную схему УНЧ.

УНЧ состоит из нескольких каскадов, которые осуществляют последовательное усиление сигнала.

Структурная схема УНЧ приведена на рис.4, где цифрами 1÷3 обозначены каскады предварительного усиления, а цифрой 4 – выходной (оконечный) каскад.

---

U_ВХ


1

2

3

4

R_Н




Рис. 4. УНЧ. Схема структурная


Для каскадов предварительного усиления, как правило, применяют усилители с ОЭ. При определенных условиях можно считать, что каждый усилитель по схеме с ОЭ обеспечивает усиление мощности приблизительно на 20 дб.

Тогда число каскадов усиления составит m = К_р[дб] /20.

Полученные значения m округляем до ближнего большего целого.

Поскольку бестрансформаторные оконечные каскады чаще строят по схеме с ОК, которые не имеют усиления по напряжению, то можно считать величину их усиления по мощности равной 10 дб.

Общее усиление в схеме УНЧ составит: К_р[дб]= 20 m+10.

4. Предварительный расчет выходного каскада УНЧ.

Известно большое число различных схем УНЧ с бестрансформаторным выходом. Схемы выходных каскадов УНЧ отличаются по типу проводимости транзисторов, способом их включения, режимом работы (АВ или В), а также видом связи с предварительным каскадом усиления и нагрузкой.

При этом важны следующие рекомендации:

- для мощностей выше 50 мВт, необходимо применять двухтактную схему, режим (АВ или В), с мощностью транзисторов (малая, средняя или большая), исходя из значения Р_вых;

- высокие качественные показатели имеют выходные каскады, в которых применяют комплементарные пары;

- режим В имеет высокий КПД (η = 0,6÷0,7), однако в этом режиме большие нелинейные искажения.

Выходя из этого, преимущество следует отдать приведенным на (рис.2,а,б) схемам бестрансформаторных выходных каскадов усиления на транзисторах и режиму

---

АВ. Режим усиления АВ имеет меньшие искажения сигнала, чем режим В. Электропитание такого каскада возможно от однополярного источника. В этом случае нагрузка подключается через разделительный конденсатор большой емкости.

Транзисторы выходного каскада выбирают по величине максимально допустимой мощности, которая рассеивается на его коллекторе – Р_{к max}, максимальному току коллектора – I_{к max} , максимальному допустимому напряжению между коллектором и эмиттером – U_{кэ max}, а также частотным особенностям f_h21Э = f_гр ∕h_21Э – предельной частоте усиления тока транзистором, на которой h_21Э уменьшается в раз. Граничная частота транзистора (f_гр ) приводится в справочнике и соответствует частоте, на которой │h_21Э│ =1. При этом должны выполняться следующие условия:

Р_{к max} ≥ (0,25÷ 0,3)Р_вых;

I_{к max} ≥ (2 Р_вых / R_н)^1/2;

f_h21Э ≥ (2÷3) f_в;

U_{кэ max} ≥ 2E_к.

Напряжение источника питания – E_к выбирают из условия:

2U_{кэ max} ≥ E_к ≥ 2(U_нач + U_{m вых}),

где U_нач ( 0,5 ÷ 2)В – коллекторное напряжение, при котором транзистор входит в режим насыщения (определяется из статических характеристик выбранного транзистора); U_{m вых} = U_mн = (2 Р_вых · R_н)^1/2 – амплитуда выходного напряжения.

Величина напряжения питания выбирается из ряда номинальных значений по большему значению (см.табл. 2).

---

Таблица 2

Ряд номинальных значений напряжения питания

5

6

9

12

15

24

30

36

По найденным значениям Р_{к max}, I_кmax, U_{кэ max}, f_h21Э выбираем из табл. 1, приложения 2, транзисторы выходного каскада, составляющие p-n-p и n-p-n пару, с близкими по значению параметрами ( отличия не должны быть более 5…10%) и идентичными характеристиками. Транзисторы следует выбирать с максимально возможным коэффициентом передачи тока. Не рекомендуется применять транзисторы с излишне большим запасом мощности. Не следует также применять высокочастотные транзисторы в схемах, где могут работать низкочастотные.

2.2.3. Разработка электрической принципиальной схемы УНЧ
На основании структурной схемы составим ориентировочную принципиальную схему УНЧ. Пример принципиальной схемы УНЧ приведен в приложении 1 . В этой схеме, каскады предварительного усиления выполнены на транзисторах VТ₁-VТ₃, а оконечный бестрансформаторный каскад усиления на транзисторах разного типа проводимости – VТ₄, VТ₅. Транзистор VT₅ должен иметь такие же параметры, как и VT₄, однако противоположную по типу проводимость. Каждый из транзисторов вместе с нагрузкой образуют схему с ОК. Характерной особенностью такой схемы – для нее не нужен фазоинверсный каскад.

Подключение оконечного каскада к предыдущему и к нагрузке осуществляется через разделительные конденсаторы С₈, С₁₀ . Резистор R₉ является регулятором уровня выходного сигнала. Конденсатор С₁₁ – фильтр напряжения питания каскадов предварительного усиления. Величина сопротивления резистора R₁₄ обычно составляет несколько десятков Ом. Для предварительного усиления применяют усилители с ОЭ, обладающие наибольшим усилением по мощности. В качестве активного элемента можно использовать маломощный транзистор n-p-n типа. Нагрузкой промежуточных каскадов усиления является входное сопротивление следующего каскада. Связь между каскадами предварительного усиления также осуществляется через разделительные конденсаторы.

---

Оконечный каскад работает в режиме класса АВ, который задается делителем R₁₅, R₁₆. Прямое сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения (около 1,5В) между базами транзисторов VT₄, VT₅, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации режима работы. В этом случае, при изменении температуры транзисторов (это вызывает изменение контактной разности потенциалов база-эмиттер) будет пропорционально изменяться и напряжение смещения транзисторов. Небольшое значение напряжения смещения (0,6 – 0,7)В, определяет незначительный (десятки миллиампер) сквозной ток транзисторов VT₄ и VT₅. Ток через нагрузку при этом отсутствует. Поскольку величина сопротивления VD₁ незначительна, можно считать, что по переменному току базы транзисторов VT₄ и VT₅ объединены.

Полученные в результате предварительного расчета данные являются основой для окончательного расчета УНЧ.

2.3. Окончательный расчет УНЧ
В процессе окончательного расчета усилителя необходимо провести:

- расчет оконечного каскада УНЧ;

- расчет каскада предварительного усиления.

Расчет обычно выполняют в последовательности, обратной последовательности прохождения сигнала в УНЧ. Вначале рассчитывают элементы оконечного каскада, а затем – каскадов предварительного усиления.

2.3.1. Окончательный расчет оконечного каскада УНЧ
В мощных выходных каскадах транзисторы работают в режиме большого сигнала. Поэтому их расчет ведется графоаналитическим методом по статическим характеристикам выбранных транзисторов одного плеча схемы на средних частотах.

Схема оконечного каскада усиления на комплементарных парах транзисторов, приведена на рис.2,а. Вначале все параметры выбранного транзистора необходимо выписать в виде таблицы, а затем привести его входную и выходную характеристики в масштабе, достаточном для точных графических построений.

Порядок расчета:
1. Расчет начинают с построения на графике семейства выходных статических характеристик транзистора (см. рис. 5) одного плеча динамической нагрузочной прямой, которая проходит через две точки: U_КЭ=Е_к/2 и I_{к max} =Е_к

---