Составление структурной схемы усилителя

Техническое задание

Мощность нагрузки Р_н = 60 Вт;

Сопротивление нагрузки R_H = 2 Ом;

Напряжение источника сигнала Е_т = 6 мВ;

Сопротивление источника сигнала R_r = 5 Ом;

Нижняя граница частотного диапазона /_н = 20 Гц;

Верхняя граница частотного диапазона/_в = 16 кГц;

Нижняя частота среза М_н = 3 дБ;

Верхняя частота среза М_в = 3 дБ;

КПД усилителя л = 40%;

Температурный диапазон работы Т_а = +5... 40°С;

Разработать: регулировку усиления сигнала.

Курсовой проект содержит 40 листа, 13 иллюстрации, таблиц. Цель: - углубить знания студентов по курсам, связанным с темой курсового проекта;

- привить навыки самостоятельной работы с технической литературой;

- научить составлять, рассчитывать и анализировать электронные схемы;

- научить грамотно оформлять техническую документацию.

В курсовом проекте содержится краткое описание усилителей низкой частоты, их классификация, применение, основные технические решения. Также разработана структурная и электрическая принципиальная схема уси­лителя, и произведен ее расчет.

УСИЛИТЕЛЬ, ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКА­ЖЕНИЯ, ООС, ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР.

Содержание

1.Введение

2.Основная часть

2.1.Аналитический обзор

2.2.Составление структурной схемы

2.3.Разработка принципиальной электрической схемы усилителя

2.4 Электрический расчет

2.4.1 Входной каскад

2.4.2 Расчет генератор пилообразного напряжения

2.4.3 Расчет согласующего каскада

2.4.4 Расчет выходного каскада

2.4.5 Расчет драйвера и ЛСН

2.4.6 Расчет ООС

2.4.7 Расчёт энергетических показателей усилителя
3. Заключение

Список использованной литературы Приложение А Приложение Б

Введение

Электронные усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для уси­ления сигналов переменного тока, частоты которых лежат в интервале от низкой частоты f_H до какой-то частоты f_e. Они используются в разнообраз­нейших по назначению, технических устройствах, различающихся по полосе рабочих частот, по характеру нагрузки, по условиям применения.

Усилители делят на типы: по назначению усилителя, характеру входного сигнала, полосе и абсолютному значению усиливаемых частот, виду исполь­зуемых активных элементов.

По своему назначению усилители условно делятся на усилители напря­жения, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование -усиление входного напряжения до необходимого значения, то такой усили­тель относится к усилителям напряжения. Если основное требование - уси­ление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усили­телям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). В усилите­лях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспе­чить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень сигнала.

В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гар­монических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов. К первой группе относятся устройства для усиления непрерывных гармониче­ских сигналов или квазигармонических сигналов, гармонические составляю­щие которых изменяются много медленнее всех нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе усилителей относятся устройства для усиления импульсов различной формы и амплитуды с допустимыми искаже­ниями их форм. В этих усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний является определяющим при нахождении формы сигнала.

 

По роду применяемых активных элементов усилители делятся на тран­зисторные, магнитные, диодные, ламповые, параметрические и др. В каче­стве активных элементов в настоящее время в усилителях чаще используют­ся полевые или биполярные транзисторы, либо интегральные схемы. Значи­тельно реже применяются активные элементы в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные типы полупроводниковых диодов. Режимы работы усилителей

Режим работы усилителя определяется начальным положением рабочей точки на сквозной динамической характеристике усилительного элемента, то есть на характеристике зависимости выходного тока усилительного элемента от ЭДС входного сигнала.

Различают три основных режима работы - режимы А, В, С, D.

В режиме А - рабочая точка О выбирается на середине прямолинейного участка сквозной динамической характеристики. Выходной сигнал практиче­ски повторяет форму входного сигнала при относительно небольшой вели­чине последнего. Нелинейные искажения при этом минимальны. Ток в вы­ходной цепи существует в течение всего периода входного сигнала. При этом среднее значение выходного тока велико по сравнению амплитудой его пе­ременной составляющей. Поэтому КПД каскада невысок - 20-30%.

В режиме В - рабочая точка выбирается так, чтобы ток через усили­тельный элемент протекал только в течении половины периода входного сигнала. Усилительный элемент работает с так называемой отсечкой. Ток по­коя из-за нижнего изгиба сквозной характеристики оказывается не равным нулю, и форма выходного тока искажается относительно входного. В кривой тока появляются высшие гармоники, что приводит к увеличению нелиней­ных искажений по сравнению с режимом А. Среднее значение выходного то­ка уменьшается, в результате чего КПД каскада достигает 60-70%.

Существует еще промежуточный режим АВ, когда рабочая точка выби­рается на сквозной характеристике ниже, чем точка А и выше, чем в режиме В. Поэтому и показатели этого режима имеют промежуточное значение меж-

ду режимами А и В — КПД 40-50% при невысоком уровне нелинейных иска­жений.

В режиме С - угол отсечки уменьшается до менее 180°, при переходе через ноль оба плеча двухтактной схемы находятся в отсечке. Режим С в зву­ковой технике не применяется из-за недопустимо высоких искажений, не­пригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосиг­налов, постоянного тока). В резонансных усилителях радиопередатчиков он, напротив, широко применяются благодаря их высокому КПД.

В режиме D - режим работы каскада, в котором активный прибор ра­ботает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной анало­говый сигнал в последовательность импульсов про модулированных по ши­рине (ШИМ), управляющих мощными выходным ключом (ключами). Вы­ходной LC-фильтр, включённый между ключами и нагрузкой, усредняет им­пульсный сигнал от ключей, восстанавливая звуковой сигнал.

Основная часть

Аналитический обзор

В последние годы все большую и большую популярность приобрета­ют усилители класса D или, как их еще называют, импульсные усилители. Некоторые производители дают им название «цифровые усилители», но оно несколько некорректно, поскольку никакого преобразования звука в двоич­ный код там нет. В усилителе класса D звуковой сигнал преобразуется в последовательность импульсов различной ширины в результате широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Частота следования импульсов обычно выбирается в пределах 300-500 кГц, это оптимально для всего аудио диапа­зона. Если усилитель сабвуферный и перед ним стоит задача усиливать только диапазон до 100-200 Гц, частоту переключения можно уменьшить до 50-100 кГц. Раньше импульсные усилители были интересны только за счет своего высокого КПД (обычно более 90%) и применялись только для управления мощными электродвигателями. Этот факт был напрямую свя­зан с отсутствием высокоскоростных мощных переключательных элемен­тов, способных работать на высоких частотах, вследствие чего высокие нелинейные искажения были просто неизбежны. Однако сейчас многими компаниями производителями электронных компонентов выпускаются специализированные элементы для построения усилителей класса D, спо­собные работать на частотах вплоть до 1 МГц и выше.

Для оценки КПД усилителей различных классов рассмотрим прин­ципы работы выходных каскадов, построенных на биполярных транзи­сторах. Выходной каскад усилителя класса АВ, выполненный на бипо­лярных транзисторах, обладает низким КПД, потому что выходные тран­зисторы, подобно переменным резисторам, изменяют свое активное сопро­тивление, тем самым управляя выходным током. В усилителе класса АВ не­возможно получить размах амплитуды выходного напряжения, равный

 

напряжению питания, поскольку даже в полностью открытом состоянии напряжение между коллектором и эмиттером U_K3 биполярного транзистора, равняется приблизительно 1-2 В.

В импульсных усилителях силовыми элементами являются мощные полевые транзисторы, у которых существует только 2 состояния - от­крытое и закрытое. Так как сопротивление открытого канала современ­ных полевых транзисторов очень мало (обычно десятки мОм), следова­тельно, и падение напряжения на этих элементах незначительное.

Значительная часть потерь происходит на фронтах в момент пере­ключения полевых транзисторов, поэтому, снизив частоту преобразова­ния, можно уменьшить количество фронтов за единицу времени и, как следствие, немного увеличить КПД. Именно по этой причине в сабвуфер­ных усилителях класса D частоту переключения понижают вплоть до 50 кГц. Усилители класса D делятся на 3 основных типа:

1) Усилители с внешним генератором пилообразного напряжения (рис.
2.1);

2) Самоосцилирующие усилители (рис. 2.2);

3) Усилители на основе микроконтроллеров со встроенным АЦП.

 

 

Рис.2.1- Структурная схема усилителя класса D с внешним генератором пи­лообразного напряжения.

Рис.2.2- Структурная схема самоосциллирующего усилителя класса D.

Усилители с внешним генератором пилообразного напряжения наиболее просты в изготовлении и наладке, обладают меньшими требовани­ями к топологии печатной платы и компонентам по сравнению с усили­телями самоосциллирующего типа. Именно эти усилители в настоящее вре­мя являются самыми распространенными среди серийных моделей как сабвуферных усилителей, входящих в состав автомобильных акустических систем, так и широкополосных профессиональных, эстрадных усилителей. Самоосциллирующие усилители работают как автогенераторы, в них колеба­тельный процесс проходит и поддерживается

за счет использования положительной обратной связи. Этот тип усилителей отличается более высокими требованиями к топологии печатной платы, но при тонком подходе к этому вопросу качество звуковоспроизведения данного типа усилителей значительно превосходит остальные.

Самоосциллирующих усилителей класса D имеет название UcD, он был разработан и запатентован компанией NXP Semiconductor (ранее -Philips Semiconductor) в 2005 году. Структурная схема такого усилителя представлена на рис. 2.3.Он сочетает в себе гениальную простоту и высо­чайшее качество звука. Оригинальные модули UcD, которые производит компания Нурех имеют совсем неглубокую обратную связь (около 30 дБ)

 

 

по сравнению с усилителями класса АБ (у которых глубина ОС - в рай­оне 60 дБ), и умеренно низкий уровень искажений, порядка 0,03%.

 

 

Рис.2.3- Структурная схема усилителя класса D, работающего по принципу UcD.

В связи с появлением усилителей класса D, выполненных по тех­нологии UcD, перспективы у данного класса усилителей существенно по­высились. Теперь они могут применяться для построения не только быто­вых аудиосистем, но и профессиональной техники, например концертного и студийного оборудования, трансляционных усилителей, профессиональ­ного оборудования для кинозалов и развлекательных комплексов, автомо­бильных акустических систем. Главными факторами успешной конкуренции усилителей UcD даже с топовыми моделями классов А и АВ стали высо­чайшее качество звукопередачи и высокий КПД, достигающий 97%, а так­же низкая себестоимость. Еще один серьезный плюс усилителей класса D -это отсутствие тепловых искажений

Составление структурной схемы усилителя

В результате анализа известных схем усилителей, была разработана и представлена на рисунке 2.4 структурная схема усилителя низких частот класса D.

 

 

Рис.2.4 - Структурная схема усилителя низких частот класса D.

ЛСН - Линейный стабилизатор напряжения; ООС - отрицательная обратная связь;

Задачей входного каскада является обеспечение заданной чувстви­тельности усилителя, т.е; усиление входного сигнала до уровня, необходи­мого для работы следующих каскадов. Кроме того, входной каскад опре­деляет уровень шумов всего усилителя, так как шумы первого каскада мо­гут быть сопоставимы с уровнем входного сигнала и усиливаются после­дующими каскадами.

Согласующий каскад обеспечивает согласование высокоомного вы­хода с низкоомным входом усилителя.

Генератор пилообразного напряжения - генератор линейно изменя­ющегося напряжения или тока, электронное устройство, формирующее пе­риодические колебания напряжения или тока пилообразной формы.

Задачей драйвера является обеспечение усиления сигнала по току.

Задачей выходных каскадов является обеспечение заданной мощно­сти в нагрузке. Коэффициент усиления напряжения является для выходных каскадов второстепенным параметром; для них наиболее важными явля­ются коэффициент полезного действия и коэффициент нелинейных иска­жений при обеспечении заданной мощности.

Выходные каскады обычно потребляют основную часть мощности усилителя, поэтому высокий КПД имеет существенное значение. Что каса­ется коэффициента нелинейных искажений, то для выходных каскадов он имеет немаловажное значение, поскольку в таких каскадах усиливаемые сигналы максимальны.

Обратная связь - процесс передачи сигнала с выхода усилителя об­ратно на его вход, а также цепь, осуществляющая эту передачу.

Обратная связь (ОС) называется отрицательной (ООС), если выход­ной сигнал усилителя вычитается из входного. Для простоты будем рас­сматривать установившийся режим работы всей системы, причем усили­тель работает в активном режиме (т.е. нормально усиливает сигнал без пе­регрузок).

Выходной фильтр устанавливают на выходе усилителя, он обеспечи­вает ограничение спектра выходного сигнала (фильтрация высших гармо­ник).

Усилитель работает следующим образом. Входной сигнал поступает на вход входного каскада, усиливается по напряжению. С выхода входно­го каскада сигнал подается на согласующий каскад, где сравнивается с сигналом пилообразной формы повышенной частоты. Согласующего кас­када (СК) работает в ключевом режиме. Выход согласующего каскада под­ключен к входу драйвера, где сигнал усиливается по току. Сигнал с драй-

вера подается на выходной каскад работающего в режиме D, который уси­ливает сигнал по мощности и передает его на интегрирующий фильтр в котором и происходит демодуляция сигнала с последующей передачей его на вход нагрузки.