Исследование схемотехнических решений построения усилителей звуковой частоты на основе биполярных транзисторов. Разработка схемы усилителя звуковой частоты с однотактным трансформаторным оконечным каскадом. Расчёт предварительного и входного каскадов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на http:///

Содержание

• Введение
• 1. Обзор существующих схемотехнических решений построения усилителя звуковой частоты
• 1.1 Однотактный усилитель звуковой частоты с трансформаторным выходом
• 1.2 Двухтактный усилитель звуковой частоты с трансформаторной связью
• 1.3 Двухтактный усилитель звуковой частоты с бестрансформаторной связью
• 2. Разработка принципиальной схемы усилителя звуковой частоты с однотактным трансформаторным оконечным каскадом
• 2.1 Описание структурной схемы усилителя
• 2.2 Описание принципиальной схемы усилителя
• 3. Расчет принципиальной схемы усилителя звуковой частоты
• 3.1 Предварительный расчёт усилителя
• 3.2 Расчёт оконечного каскада усилителя
• 3.3 Расчёт предварительного каскада

3.4 Расчёт входного каскада

• Заключение
• Список литературы

Приложение

Введение

Для увеличения напряжения или силы тока, а так же мощности электромагнитных колебаний используются специальные устройства, называемые усилителями. В соответствии с выполняемыми функциями их принято делить на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. По диапазону усиливаемых частот они делятся на усилители звуковой частоты, усилители радиочастоты и видеоусилители. Современные усилители звуковой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.

Электронные приборы, применяемые для усиления сигналов можно рассматривать как сопротивления, управляемые входным сигналом. Таким образом усилитель является активным четырехполюсником. Линейность четырехполюсника, которая необходима для неискаженной передачи сигнала, обеспечивается надлежащим выбором режима работы управляемого сопротивления. В данной курсовой работе рассматриваются вопросы анализа различных схемотехнических решений построения усилителей звуковой частоты на основе биполярных транзисторов. Данная задача актуальна, т.к. эти усилители находят широкое применение на практике. Также становится целью выполнить расчёты оконечного каскада с учётом его качественных показателей по частотным и нелинейным искажениям, а также предварительного и выходного каскадов. В качестве источника сигнала применяется микрофон электродинамический, а в качестве нагрузки используется громкоговоритель.

В данной работе мы рассмотрим усилитель, состоящий из трёх каскадов: предварительный каскад с общим эмиттером, входной каскад с общим коллектором на составных транзисторах и оконечный однотактный трансформаторный каскад. Проведём подробный расчёт и анализ усилителя в целом и каждого из каскадов в отдельности.

1. Обзор существующих схемотехнических решений построения усилителя звуковой частоты

1.1 Однотактный усилитель звуковой частоты с трансформаторным выходом, особенности его работы

В однотактных усилителях транзисторы включаются по схеме с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Схема с общей базой по сравнению со схемой с общим эмиттером характеризуется меньшей величиной нелинейных искажений и меньшей температурной зависимостью, но значительно большей потребляемой входной мощностью, что в ряде случаев вызывает необходимость применять в оконечном каскаде более мощный транзистор. Схема с общим коллектором используется в каскадах без выходного трансформатора, так как обеспечивает непосредственное согласование выхода усилителя с низкоомной внешней нагрузкой. Но в отличие от других схем эта схема во избежание теплового пробоя транзисторов нуждается в дополнительной температурной стабилизации и требует более тщательной электрической регулировки.

В качестве предварительных каскадов усиления наиболее часто используют: каскад с общим эмиттером, каскад с общей базой, каскад с общим коллектором.

В схеме с общей базой базовый вывод транзистора является общим по отношению к входному и выходному сигналам, так как он подключен к нулевому потенциалу. Данный каскад усиливает сигнал по напряжению и не усиливает по току. Усилительный каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает малым входным сопротивлением (десятки Ом) и большим выходным сопротивлением (сотни кОм). Низкое входное сопротивление каскада с общей базой является его существенным недостатком. Между каскадами, собранными по схеме с общей базой, приходится включать специальные согласующие устройства (например, понижающие трансформаторы), что ограничивает применение данной схемы в усилительных устройствах.

Усилительный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером (рис.1.1.), широко применяется для усиления электрических сигналов по току, напряжению, мощности. Здесь эмиттерный вывод транзистора является общим для входного и выходного сигналов. Основной особенностью схемы с общим эмиттером является то, что входным током в ней выступает малый по величине ток базы. Поэтому входное сопротивление каскада с общим эмиттером выше, чем входное сопротивление каскада с общей базой. Выходное сопротивление в схеме с общим эмиттером также достаточно велико (десятки кОм). Это позволяет в многокаскадном усилителе обойтись без специальных согласующих устройств между каскадами. Поэтому схема с общим эмиттером является наиболее распространенной.

Рис.1.1. Принципиальная схема каскада с ОЭ

В схеме с общим коллектором (рис.1.2), коллекторный вывод является общим относительно входных и выходных зажимов, так как по цепи переменного тока коллектор имеет нулевой потенциал благодаря пренебрежимо малому внутреннему сопротивлению источника питания. Коэффициент усиления данного каскада по напряжению меньше единицы. Входное сопротивление схемы с общим коллектором очень велико (порядка десятков и сотен кОм), а выходное, наоборот, мало и составляет лишь десятки или сотни Ом.

И поэтому каскад с общим коллектором не дает усиления по напряжению и имеет сравнительно небольшой коэффициент усиления по мощности. Данная схема применяется в основном для согласования сопротивлений между отдельными каскадами усилителя или между выходом усилителя и низкоомной нагрузкой. Каскад с общим коллектором целесообразно также использовать на входе усилителя в тех случаях, когда входное сопротивление каскада с общим эмиттером оказывается недостаточным для согласования усилителя с источником входного сигнала.

Рис.1.2. Принципиальная схема с ОК

Наиболее важными параметрами оконечных каскадов являются эффективность передачи в нагрузку максимально возможной мощности, коэффициент полезного действия и коэффициент усиления. Известно, что условием передачи максимальной мощности в цепь нагрузки является равенство ее сопротивления с выходным сопротивлением источника сигнала. В ряде практических случаев возникаем необходимость подключения выходного каскада на низкоомную нагрузку. Универсальным элементом схемы, позволяющим согласовать в широком диапазоне выходные параметры усилителя с нагрузкой, является трансформатор. Однако применение трансформатора существенно увеличивает вес и габариты выходного каскада, снижает его КПД и вносит дополнительные нелинейные искажения в выходной сигнал. Поэтому стремятся обеспечить согласование указанных цепей без применения трансформатора на основе современных схемотехнических решений.

Рис.1.3. Принципиальная схема однотактного усилителя мощности с трансформаторной связью

Преимуществом схемы однотактного усилителя мощности с трансформаторной связью (рис.1.3.) является то, что нагрузка подключается к выходу через трансформатор, что позволяет передать максимальную мощность в нагрузку. Недостатками данной схемы являются: низкий КПД, трансформатор вносит дополнительный нелинейные искажения, в связи с использованием трансформатора большие массогабариты.

1.2 Двухтактный усилитель звуковой частоты с трансформаторной связью

На рис.1.4. приведена принципиальная схема усилителя с применением входного и выходного трансформаторов, обеспечивающих согласование каскада по входу с предварительным усилителем и по выходу с сопротивлением нагрузки .

Входной сигнал подается через первичную обмотку трансформатора и вторичные обмотки , на переходы база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2. Причем эти обмотки соединяются таким образом (начало обмотки обозначено точкой), чтобы получить противофазные сигналы управления транзисторами и обеспечить их работу поочередно в два такта.

Рис. 1.4. Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью

Мгновенные значения сигналов в схеме приведены на временных диаграммах на рис. 1.5.

Рис.1.5. Временные диаграммы токов и напряжений в двухтактном усилителе мощности

В интервале времени t₀ t₁ на выводе трансформатора Т_Р1 - начало обмотки присутствует положительное напряжение, поэтому транзистор VT1 находится в проводящем состоянии. Величина его эквивалентного сопротивления относительно выводов коллектор-эмиттер определяется мгновенным значением тока базы . При этом транзистор VT2 будет закрыт, поскольку к его переходу база-эмиттер прикладывается напряжение сигнала в обратном направлении и ток в цепи = 0. По мере увеличения возрастает и уменьшается . В результате возрастают ток коллектора , напряжение и на нагрузке формируется положительная полуволна напряжения....