Усилитель звуковой частоты

U_кэ=9 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/9=13,8 А

U_кэ=12 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/12=10,4 А 

U_кэ=15 В, I_{к доп}=Р_{к доп}/U_кэ=125/15=8,3 А     (3.1.2.)

 

На рис. 3.1.1 полученная кривая не просматривается из-за выбранного масштаба, что говорит о том, что условие Р_к<Р_{к доп} выполняется.

По данным рис. 3.1.1 построим сквозную динамическую характеристику и определим коэффициент  нелинейности (рис.3.1.2). Такая характеристика представляет собой зависимость тока коллектора транзистора от величины амплитуды входного напряжения. Для построения подобной характеристики используются семейство выходных и входная ВАХ.

Метод построения сквозной характеристики прямой передачи заключается в следующем:

• на линии нагрузки задается точка, для которой определяется величина тока коллектора I_к;
• для заданного значения I_к определяется величина тока базы I_б;
• по известному значению I_б при помощи входной ВАХ находится величина напряжения U_бэ;
• определяется величина амплитуды входного напряжения U_вх по формуле:

 

    (3.1.3.)

 

• результаты измерений заносятся в таблицу.

Точки на ВАХ транзистора, по которым проводилось  построение сквозной характеристики прямой передачи, показаны на рис. 3.1.2.

 

Рис. 3.1.2. Снятие сквозной характеристики прямой передачи.

 

Результаты  измерений представлены в табл. 3.1.1.

Таблица 3.1.1.

Результаты  измерений сквозной характеристики прямой передачи

№	Iк, мА	Iб, мА	Uбэ, В	Uос, В	Uвх, В
1	0,1	0,6	1,75	0,8	2,55
2	0,2	0,8	1,9	1,6	3,5
3	0,35	1,0	1,92	2,8	4,72
4	0,6	1,2	1,94	4,8	6,74
5	0,8	1,4	1,96	6,4	8,36
6	1,0	1,6	1,97	8,0	9,97
7	1,1	1,8	1,98	8,8	10,78
8	1,3	2,0	1,99	10,4	12,39

 

Сквозная  характеристика прямой передачи показана на рис. 3.1.3.

 

Рис. 3.1.3. Сквозная характеристика прямой передачи.

 

На сквозной динамической характеристике отмечаем три точки, соответствующие амплитудному значению напряжения, амплитуде точке покоя и половине амплитуды выходного сигнала. Находим ординаты этих точек:

• I₁=0,1 А;
• I₂=0,65 А;
• I₃=1,2 А.

 

Для перехода к методу пяти ординат находим  амплитуды токов:

 

      (3.1.4.)

где:

u=0,1…0,2 – коэффициент асимметрии плеч, учитывающий неидентичность транзисторов.

 

     (3.1.5.)

 

     (3.1.6.)

 

     (3.1.7.)

 

       (3.1.7.)

 

Находим амплитуды  гармонических составляющих тока коллектора:

 

   (3.1.8.)

 

    (3.1.9.)

 

 (3.1.10.)

 

    (3.1.11.)

 

Определим коэффициент нелинейных искажений:

 

   (3.1.12.)

Как видно, коэффициент  нелинейных искажений не превышает  величины 9,6%. 

Определим Y-параметры транзистора в рабочей точке (рис.3.1.1б).

 

      (3.1.13.)

 

        (3.1.14.)

 

Определим глубину ООС:

 

       (3.1.15.)

 

Вычислим коэффициент усиления оконечного каскада:

 

       (3.1.16.)

 

Проверим, обеспечит ли транзистор требуемое  значение коэффициента усиления на высокой  частоте (ВЧ). Для этого определим  постоянную времени каскада на ВЧ:

 

     (3.1.17.)

 

Определяем  верхнюю граничную частоту каскада:

 

      (3.1.18.)

 

Поскольку полученное значение превосходит f_в=20 кГц, то каскад обеспечит требуемое значение коэффициента усиления на высокой частоте.

Определяем  входное сопротивление оконечного каскада:

 

       (3.1.19.)

 

Рассчитаем  номинал разделительного конденсатора С5:

 

    (3.1.20.)

 

Выбираем  из ряда С4=4700 мкФ.

 

 

3.2. Расчет предварительного каскада усилителя

 

Для обеспечения  требуемого размаха напряжения раскачки оконечного каскада положение рабочей точки по оси напряжений зададим равным:

 

          (3.2.1.)

 

Чтобы найти  ток коллектора в рабочей точки  необходимо знать уравнение линии нагрузки. Примем сопротивление коллектора равным:

 

     (3.2.2.)

 

Задаем падение  напряжения на резисторе обратной связи:

 

      (3.2.3.)

 

Находим максимальный ток коллектора:

 

     (3.2.4.)

 

Находим ток  коллектора в рабочей точке:

 

   (3.2.5.)

 

По ВАХ  транзистора КТ325А находим: , .

Определим сопротивление  нагрузки по переменному току:

 

      (3.2.6.)

 

Определяем сопротивление резистора R9:

 

       (3.2.7.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R9=150 Ом.

Находим номиналы резисторов R8 и R7:

 

       (3.2.8.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R8=430 Ом.

 

      (3.2.9.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R7=910 Ом.

Определим Y-параметры транзистора в рабочей точке путем пересчета от Y-параметров типового режима:

 

      (3.2.10.)

 

      (3.2.11.)

 

 

Определим глубину ООС:

 

      (3.2.12.)

 

Рассчитаем  номиналы сопротивлений R6 и R10, обеспечивающих температурную стабилизацию рабочей точки предоконечного каскада.

Допустимое  изменение тока коллектора:

 

       (3.2.13.)

 

Изменение обратного тока коллектора:

 

   (3.2.14.)

где:

DТ=Т_max-20⁰C=50-20=30⁰C;

a=0,1 – температурный коэффициент.

 

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечить схема температурной стабилизации:

 

        (3.2.15.)

 

Рассчитываем  сопротивления R6 и R10:

 

    (3.2.16.)

где:

a₀ – коэффициент передачи тока базы.

 

      (3.2.17.)

 

  (3.2.18.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R6=1,3 кОм.

 

      (3.2.19.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R10=13 кОм.

Проверим, обеспечит ли транзистор требуемое  значение коэффициента усиления на высокой частоте (ВЧ). Для этого определим постоянную времени каскада на ВЧ:

 

      (3.2.20.)

 

Определяем  верхнюю граничную частоту каскада:

 

      (3.2.21.)

 

Поскольку полученное значение во много раз превосходит f_в=20 кГц, то каскад обеспечит требуемое значение коэффициента усиления на высокой частоте.

Определяем  входное сопротивление предварительного каскада:

 

              (3.2.22.)

 

Рассчитаем  номиналы разделительного конденсатора С2 и блокировочного конденсатора С4:

 

    (3.2.23.)

 

Выбираем  из ряда С2=33мкФ.

 

    (3.2.26.)

 

Выбираем  из ряда С4=220 мкФ.

 

3.3. Расчет входного каскада усилителя

 

Схема каскада  соответствует схеме, показанной на рис.2.1. Зададим типовой режим работы транзистора:

U_к0=5 В;

I_к0=10 мА; 

U_бэ0=0,65 В;

I_б0=75 мкА.

Примем  падение напряжения на сопротивлении Rэ равным:

 

        (3.3.1.)

 

Тогда:

 

      (3.3.2.)

 

     (3.3.3.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R3=1,8 кОм.

Определим эквивалентное сопротивление нагрузки входного каскада по переменному току:

 

      (3.3.4.)

 

Y-параметры транзистора в рабочей точке в типовом режиме можно определить из справочной литературы:

 

 

Y₁₁=2,5 мСм;

Y₂₁=380 мА/В;

Y₂₂=0,17 мСм.

Находим эквивалентную проводимость:

 

     (3.3.5.)

 

Определим коэффициент усиления входного каскада без учета воздействия ООС:

 

        (3.3.6.)

 

Рассчитаем  номиналы сопротивлений R1 и R2, обеспечивающих температурную стабилизацию рабочей точки входного каскада.

Допустимое  изменение тока коллектора:

 

       (3.3.7.)

 

Изменение обратного тока коллектора:

 

  (3.3.8.)

где:

DТ=Т_max-20⁰C=50-20=30⁰C;

a=0,1 – температурный коэффициент.

 

Коэффициент нестабильности, который должна обеспечить схема температурной стабилизации:

 

        (3.3.9.)

 

Рассчитываем  сопротивления R1 и R2:

 

    (3.3.10.)

где:

a₀ – коэффициент передачи тока базы.

 

      (3.3.11.)

 

  (3.3.12.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R1=5,1 кОм.

 

      (3.3.13.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R2=13 кОм.

 

Согласно  предварительному расчету, проведенному в главе 1, требуемое значение коэффициента усиления входного каскада должно быть равно 12. Определим требуемую глубину ООС:

 

         (3.3.14.)

 

Определяем  номинал резистора R4, обеспечивающего ООС:

 

       (3.3.15.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R4=51 Ом.

 

Тогда:

 

       (3.3.16.)

 

Выбираем  из ряда сопротивлений R5=200 Ом.

Проверим, обеспечит ли транзистор требуемое  значение коэффициента усиления на ВЧ. Для этого определим постоянную времени каскада на ВЧ:

 

  (3.3.17.)

 

Определяем  верхнюю граничную частоту каскада:

 

      (3.3.18.)

 

Поскольку полученное значение во много раз превосходит f_в=20 кГц, то каскад обеспечит требуемое значение коэффициента усиления на высокой частоте.

Определяем  входное сопротивление входного каскада:

 

     (3.3.19.)

 

Рассчитаем  номиналы конденсаторов С1 и С3:

 

    (3.3.20.)

 

Выбираем  из ряда С1=6,8 мкФ.

 

    (3.3.21.)

 

Выбираем  из ряда С3=220 мкФ.

 

Рассчитаем  коэффициент передачи входной цепи:

 

      (3.3.22.)

 

 

Заключение

 

В курсовом проекте был разработан усилитель звуковых частот.

Была разработана структурная схема усилителя на биполярных транзисторах, произведен предварительный расчет всей схемы, рассчитано необходимое число каскадов.

Далее были составлены принципиальные электрические схемы всех узлов усилителя на транзисторах, а именно: входного каскада, оконечного и каскада предварительного усиления.

Был произведен выбор активных элементов для всех каскадов усилителя.

Спроектированный  усилитель работает при напряжении питания 24 В при температуре окружающей среды до 50°С. Усилитель имеет полосу пропускания от 20 Гц до 20 кГц.

Некоторым недостатком спроектированного усилителя является необходимость подборки элементов. Также недостатком данного усилителя является сравнительно большое количество элементов, что приводит к трудностям при настройке схемы усилителя.

 

Список использованной литературы

 

1. Пряников В.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств. Методические указания к курсовому проекту. Чуваш.ун-т Чебоксары, 2001г, 40с.
2. Пряников В.С. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Курс лекций, Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2010. 203 с.
3. Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем. Примеры и задачи. М.: Высш. шк., 1987. 325 с.
4. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. – 3-е изд., перераб. и доп. М.; Радио и связь, 1988. 199 с.
5. Кибакин В.М. Основы теории и разработки транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.: Радио и связь, 1988. 240 с.
6. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 9-е изд., перераб. К.: Техника, 1980. 464 с.
7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности./А.А. Зайцев: Под ред А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1994. – 384с.
8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности./А.А. Зайцев:Под ред А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1994. 384с.
9. Войшвилло Г.В., Караванов В.И. Проектирование усилительных устройств на транзисторах. М.: Связь, 1972. 184 с.
10. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства, М.: Связь 1975. 384 с.
11. Попов П. А. Обратная связь в транзисторных усилителях. МРБ, вып. 714. М.: Энергия, 1969. 64 с.
12. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л. Перельмана.  М.: Радио и Связь, 1982. 576 с.