4. Рекомендации по проектированию усилителей низкой частоты
Исходные данные для проектирования УНЧ заданы в табл. 1. Кроме данных таблицы должны быть известны: назначение усилителя, тип источника питания, требования к конструкции.
Учитывая учебный характер курсовой работы, требования к источнику питания (выпрямитель, аккумулятор, гальванические элементы, стационарная сеть и т. д.) не предъявляются.
По той же причине требования к конструкции (стационарный, малогабаритный переносной и т. д.) также не предъявляются.
Назначение усилителей в принципе проясняется заданным диапазоном рабочих частот, температурой окружающей среды и уровнем коэффициента гармоник, т. е. условиями эксплуатации.
Назначение усилителей в целом ориентировано на радиовещание среднего качества, коммерческую телефонию и близко к высококачественному воспроизведению речи и музыки в ряде заданных вариантов расчёта усилителей.
Требования к источнику сигнала, т. е. к амплитуде э.д.с источника сигнала Е с и его выходному сопротивлению R c отвечают реальным источникам радиовещания (микрофоны, звукосниматели, детекторы и т. д.).
4.1. Порядок расчёта
Эскизный расчёт усилителя (выполняется полностью в каждом варианте).
Электрический расчёт деталей схемы усилителя производится выборочно согласно заданию на проектирование. При этом объём расчётов в вариантах может быть различным, который зависит от исходных данных на проектирование усилителя и степени умения использования при этом имеющихся возможностей схем включения биполярных транзисторов и возможностей самих транзисторов.
1.1 Начинают проектирование с составления блок-схемы усилителя, выбора её каскадов по исходным данным на проектирование. При этом следует знать что типовая (стандартная) блок-схема должна содержать: источник сигнала и нагрузку, которые в задании представлены. Входное и выходное устройства, предварительный усилитель и выходной мощный усилитель (называемый также оконечным каскадом).
На этом этапе решают, нужны ли в проектируемом усилителе входное и выходное устройства (трансформаторы или развязывающие конденсаторы), объём предварительного усилителя и мощного усилителя.
1.2 Выбор принципиальных схем усилительных каскадов блок-схемы усилителя.
После составления блок-схемы усилителя, перед проектировщиком встаёт задача выбора принципиальных схем:
входного и выходного устройств (реостатно-ёмкостные, трансформаторные и т. д.);
оконечного каскада, т. е. мощного усилителя (однотактная, двухтактная, трансформаторная, бестрансформаторная и т. д.);
предварительного усилителя (с прямой связью, реостатной, трансформаторной, инверсной и т. д.).
1.3 Выбор транзисторов для всех усилительных каскадов и определения количества каскадов.
Для этого берут за основу выходную мощность или напряжение и напряжение источника сигнала.
Приближённо определяют требуемый от каскадов коэффициент усиления.
Составляют ориентировочную принципиальную схему усилителя и распределяют заданные частотные искажения по цепям и каскадам, вносящим эти искажения.
Распределение коэффициентов частотных искажений Мн и Мв производят отдельно на низшей и высшей рабочих частотах.
После этого переходят к выбору режима работы транзисторов и электрическому расчёту деталей схемы по пункту 2.
2. Полный расчёт деталей всего усилителя требует больших затрат времени, поэтому для детального расчёта в данном случае предложен лишь оконечный усилитель мощности и предоконечный (если без него не обойтись в принципе).
Расчёт усилителя низкой частоты, как любого сложного многокаскадного усилителя, производят с оконечного каскада, т. е. мощного выходного каскада усилителя, затем рассчитывают предоконечный каскад и т. д., продолжая двигаться к входному источнику сигнала проектируемого усилителя.
В связи с изложенными рекомендациями, наиболее трудной частью проектирования, уже на этапе эскизного проектирования УНЧ, является выбор схемы оконечного каскада, выбор транзистора для него, а также выбор режима работы и схемы включения транзистора. Грамотно решив эту задачу на этапе эскизного проектирования, можно рассчитывать на успешное завершение всей курсовой работы. Для этого необходимо знать следующее.
Обычно в усилителях звуковой частоты оконечный каскад является каскадом мощного усиления с трансформаторным выходом. Этот каскад должен отдавать в нагрузку заданную мощность сигнала при наименьшем потреблении мощности от источника питания и допустимом уровне нелинейных и частотных искажений.
При этом, прежде всего следует решить задачу, будет ли каскад однотактным или двухтактным?
Однотактный каскад имеет один транзистор и может быть использован только в режиме А, что ведёт к увеличению мощности источника питания, а кпд при этом получается менее 50% (0,4-0,45). В этом случае не требуется сложных схем предварительного усилителя, зато требуется меньшая пульсация источника питания и имеем высокий коэффициент гармоник. Выходной трансформатор в однотактных усилителях больше по конструкции из-за наличия постоянного подмагничивания.
Двухтактный каскад отдаёт вдвое большую мощность, чем однотактный, имеет меньший коэффициент гармоник, выходной трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в три-пять раз большую пульсацию источника питания. С другой стороны требует двух транзисторов, выходной трансформатор с удвоенным числом витков первичной обмотки и средней точкой, а также инверсную схему предыдущего каскада. Зато эта схема позволяет использовать экономичный режим В (в отличие от однотактной), что уменьшает необходимую мощность источника питания усилителя и позволяет достаточно высоко поднять кпд.
В схемах включения транзистора с ОБ и ОК транзисторы в плечах двухтактной схемы подбираются с одинаковыми или почти одинаковыми значениями (допускается разброс до 20%), а также по возможности с одинаковой граничной частотой гр.
Выбрав на основании изложенного схему оконечного каскада, режим его работы, находят колебательную мощность сигнала Р, которую должен отдать транзистор в однотактной схеме по формуле (1) методики расчёта, в двухтактной по (2), (3). В двухтактных схемах без трансформатора по формулам (4), (5). При этом в расчётах используется выходная мощность Рвых, из исходных данных.
По найденной колебательной мощности подбирают из справочника подходящий тип транзистора. В справочниках на одинаковые типы транзисторов приводятся формулы расчёта рассеиваемой мощности на различную температуру с учётом теплового сопротивления, что позволяет проверить пригодность выбранного транзистора на допустимую мощность с учётом заданной в исходных данных максимального уровня окружающей температуры.
Способ включения транзистора выбирают из следующих условий:
- при включении транзистора с ОБ обеспечиваются наименьшие нелинейные искажения и свойства каскада мало меняются при изменении температуры и замене транзистора, поэтому в двухтактной схеме транзисторы подбирать по не обязательно;
- при включении с ОЭ в раз снижается необходимая входная мощность сигнала в сравнении с ОБ, но возрастает коэффициент гармоник. Замена транзистора изменяет усиление и характеристики каскада сильнее в сравнении с ОБ;
- включение с ОК также критично к замене транзистора, хотя требует примерно такой же входной мощности, как в схеме с ОБ. Включение с ОК даёт очень малый коэффициент гармоник при малом сопротивлении источника сигнала (см. рис.1).
Рис.1 Зависимость коэффициента усиления по мощности входных и промежуточных каскадов от сопротивления нагрузки.
После выбора схемы включения транзистора оконечного каскада, определяется напряжение источника питания, т. к. оно в задании на проектирование не задано.
В трансформаторных каскадах напряжение питания U0 следует брать равным U0 = (0,3 – 0,5) Uдоп, где Uдоп – максимальное допустимое мгновенное значение напряжения между выходными электродами транзистора для различных схем включения транзистора. Оно приводится в справочниках. Более высокое напряжение брать не следует, т. к. при этом транзистор может выйти из строя.
После этого находят амплитуду переменной составляющей выходного тока Imвых. Для этого с учётом максимально допустимых напряжения и тока коллектора, а также допустимой мощности рассеивания коллектором строят нагрузочную прямую на семействе статических выходных характеристик выбранного транзистора. Для большей уверенности в правильности построения нагрузочной прямой целесообразно рассчитать и нанести на семейство статических характеристик допустимую кривую мощности транзистора с учётом максимальной заданной температуры по исходным данным на проектирование.
Выходную мощность, отдаваемую транзистором, определяют в зависимости от режима работы оконечного каскада по формулам (2), (10) методики на проектирование. Далее по входной динамической характеристике определяют амплитуды входного сигнала Um вх, Im вх и по формулам (8), (11) определяют входную мощность сигнала и затем коэффициент усиления оконечного каскада.