Расчет усилителя НЧ

                           Аннотация.

      В данной курсовой работе произведена разработка усилителя низкой частоты, его классификация, применение, основные технические  решения, соответствующие заданным параметрам.

    В процессе работы проведены разработки и произведен расчет структурной, функциональной и электрической принципиальной схемы усилителя.

      Усилитель может применяться в качестве усилителя звуковых частот в диапазоне от 20 Гц до 25 кГц.

                              Введение

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

Усилители характеризуются различными конструктивными и энергетическими показателями. К первым можно отнести вес и габариты, выделение тепла, стойкость к механическим воздействиям и прочим. К энергетическим следует отнести показатели, характеризующие режим работы транзисторов, свойства усилителей по отношению к сигналу переменного тока.

Физические свойства транзистора как усилительного элемента определяют низкое входное и высокое (при работе транзистора в активной области) выходное сопротивление усилительного каскада.

Классификация усилителей

              Деление на типы осуществляют 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.

В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гармонических (непрерывных) сигналов и усилители импульсных сигналов.

Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить усилители на следующие типы:

1.       усилители постоянного тока предназначены для усиления электрических колебаний в пределах от нижней частоты, равной нулю, до верхней рабочей частоты усилителя. Главным является то, что они усиливают постоянные и переменные составляющие входного сигнала.

2.                             Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости от граничных значений рабочего диапазона частот усилители переменного тока могут быть низкой и высокой частоты.

По ширине полосы усиливаемых частот выделяют избирательные и широкополосные усилители.

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.

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. 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 между режимами А и В – КПД 40-50% при невысоком уровне нелинейных искажений.

          Анализ технического задания

Разработка усилителя низкой частоты.

Основные требования:

1. Выходная мощность P≥10Вт.

2. Входное напряжение U= 0.01В.

3. Сопротивление нагрузки R= 10 Ом.

4. Граничная частота f = 15Гц…25Кгц.

5. Входное сопротивление R≥100 кОм.

6. Коэффициент гармоник k≤1,5 %.

Судя  по данным техническим требованиям необходимо рассчитать усилитель низких частот. Усилитель должен иметь достаточно хорошее входное сопротивление  R≥100 кОм. Какое именно значение будет для данного усилителя, решим в процессе разработки схемы.   В техническом задании не указан, в каком исполнении должен быть разработан усилитель.

   Выбор и обоснование структурной схемы

Структурная схема усилителя низких частот представлен на рисунке1.

Рис.1. Структурная схема УНЧ.

Источником сигнала является любое питающее устройство, на заданное значение напряжения по техническому заданию.

УНЧ является основным каскадом в данной работе. Его  можно выполнить как на дискретных элементах, так и в интегральном исполнении. Источником  питания может служить батарея постоянного тока, аккумулятор, и любое другое питающее устройство. Источник сигнала формирует электрические колебания, С помощью источника питания, подключенного к усилителю, усиленные сигналы поступают на нагрузку. В качестве последней может выступать как вход следующего каскада, так и сопротивление.

Была выбрана такая  структурная схема, потому что она достаточно корректно отображает необходимые,  для дальнейшего проектирования,  элементы предварительного усилителя .

Выбор и обоснование функциональной схемы

Функциональная схема отличается от структурной тем, что  каждый блок структурной заменяется готовым функциональным блоком. На функциональной  схеме  должны быть отображены функциональные части, устройства и связи между ними, с разъяснениями процессов протекающих в цепях. В качестве источника сигнала возьмем генератор. Так как в соответствии с частотным диапазоном усилитель должен быть усилителем постоянного тока, то в качестве самого усиливающего устройства возьмем – операционный усилитель. На выходе усилителя используем резистор, который одновременно будет являться защитой микросхемы от короткого замыкания. Так как операционный усилитель обеспечивает необходимый коэффициент усиления, то в данном  случае в качестве нагрузки выступает резистор, номинал которого задан техническим заданием.

с.2.Функциональная схема предварительного усилителя

Выбор и обоснование элементной базы

В данном разделе курсовой работы решается вопрос выбора элементов для разработки усилителя и также в каком исполнении он будет выполнен.В настоящее время широко используются интегральные микросхемы. Однако усилители на дискретных элементах являются наиболее надежными. В данной работе Я буду использовать интегральную микросхему операционного усилителя с параметрами в техническом задании,  так как они являются точными, быстродействующими и сравнительно не дорогими.

В соответствии с техническими данными наиболее подходит операционный усилитель фирмы PHILIPS марки TDA1521Q. Со следующими параметрами:

И  со сдвоенной схемой включения, и корпусом sip1:

Рис.3. сдвоенная схема включения микросхемы TDMA1521Q.

Такой операционный усилитель является усилителем низкой звуковой частоты. Используется для прецизионных расчетов когда необходима точность. Микросхема имеет более чем хорошее входное сопротивление равное 0.02 мегаом. Это превосходит показатель указанный в  техническом задании. Также выходная мощность больше чем указанная в задании. Коэффициент искажений по заданию должен быть меньше чем 0,5 а у данной интегральной микросхемы он равен 0,2, что удовлетворяет требования.

Следовательно, ее можно использовать в качестве усилителя низких частот с данными техническими требованиями без ограничений. В комплекте  с микросхемой поставляются два конденсатора и один резистор для обеспечения номинальных характеристик.

Электрические расчеты усилителя низкой частоты

Для того чтобы рассчитать усилитель низкой частоты на дискретных элементах с 5 усилительными каскадами необходимо достаточно много времени. Это является еще одной главной чертой микросхемы.

Проведем расчет коэффициента усиления по входному и выходному напряжениям:

Для этого сначала необходимо определить выходное напряжение, выходная мощность задана в техническом задании, а выходной ток нагрузки имеется в технических данных микросхемы.             

P=I*U

U=P/I=10/4=2,5B

Ku = Uвых / Uвх   = 2,5 /  0,01 =250

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен:

              Ku = -  R ос / R1  

На практике R1 выбирают от сотен Ом до нескольких десятков кОм, а R2 таким, которое обеспечит нужное соотношение R2/R1. В данном случае, так как по заданию

Rвх ≥ 100  кОм, и так  как у микросхемы Rвх= 200  кОм то возьмем R1 = 200 кОм. Решая предыдущее уравнение, получаем  

R ос  = 50kОм.

                           Заключение

Разработанный усилитель низкой частоты имеет следующие достоинства и недостатки:

Коэффициент нелинейных искажений ( k≤1.5 %) уменьшен  несколько до 0,2

Усилитель имеет достаточно большое входное сопротивление

Rвх ≈ 5кOм

Коэффициент усиления усилителя равен:250

Список литературы

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М.  Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. –  2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк.  1991. – 622с.: ил.

2.Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В.Баюков,

А.Б. Гитцевич , А.А. Зайцев и др.; Под общ. Ред. Н.Н. Горюнова.-

М.: Энергоиздат, 1982.-744 с.,ил.

3. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник /

  В.А.Аронов  А.В.Баюков, А.А. Зайцев и др.; Под общ. Ред. Н.Н. Горюнова.-М.: Энергоиздат, 1982.-904 с.,ил.

4.Цыкина А. В. Усилители. – М.: Связь. 1972. –360 с.

5. Титце У., Шенк К.  Полупроводниковая схемотехника: Справочное    руководство. Пер. с нем.- М.: 1982