Расчёт общих величин усилителя

2.1 Расчёт общих величин усилителя

Принимаем для усилителя мощности класса АВ коэффициент использования напряжения равный  0,8 т.е.

 U_вых / U_вхус (1)

Транзисторы в плечах усилителя включены по схеме эмиттерного повторителя, значит коэффициент усиления напряжения К_U<1.

Принимаем предварительно К_U=1, тогда выходное напряжение будет:

U_вых = U_вх =1В (2)

Из формулы для расчёта выходной мощности :

Р = U²_вых / R_H = 1²/4 = 0,25 Вт << P_H (3)

Следовательно, входной сигнал должен быть усилен до напряжения с амплитудой:

U_вхус=  (4)

Исходя из этого принимаем двухполярное напряжение питания всего усилителя мощности Е = 13В.

Требуемая амплитуда выходного сигнала:

U_вых = U_вхус  = 11,2*0,8=9 В, тогда

Р_вых = U_вых² / (2 R_H) = 9² / 8 = 10 Вт

Коэффициент усиления предварительного входного усилителя должен быть:

К_вх = U_вхус / U_вх = 11,2 / 1 =11,2 (5)

 

Т.к. выходной каскад усилителя питается от двухполярного источника питания +13 и -13В, имеет достаточно большой коэффициент усиления и малую частоту нижнего порога усиления, то выбираем в качестве входного усилительного каскада дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель отличается повышенным коэффициентом усиления в отличие от каскада с ОЭ. Усилитель состоит из двух каскадов – входного , дифференциального, и выходного усилителя мощности класса АВ на комплементарных транзисторах.

2.2 Расчёт дифференциального усилителя

Режим покоя

Рис. 5. Дифференциальный усилитель в режиме покоя.

На рис.5 показан ДУ на транзисторах Q1 и Q4, ток которого задаёт токовое зеркало на транзисторах Q2 и Q3. В ДУ принимаем транзисторы n-p-n типа BD 139 , которые имеют следующие параметры:

U_Кэmax = 220B; I_Kmax = 1A; P_ном = 15Вт, h_21э =124, f_max=1.5MГц , .



Принимаем сопротивления коллекторов ДУ R2 и R3 исходя из условия:

R2 =R3 >>2E / I_Kmax

Или R2 =R3 >>26 / 0,15=173 Ом

Принимаем сопротивления коллекторов ДУ R2 и R3 равными 1,5кОм.

Для распределения падений напряжений на ДУ справедливо равенство:

2Е = U_R2,3 + U_Q1,4 + U_Q3 (6)

Для баланса напряжения на выходе усилителя и отсутствия нелинейных искажений необходимо чтобы падения напряжений относительно, открывающих транзисторы +13В были:

U_R2,3 =E=13 B также U_БQ1,4> U_вхус=11.2 B .

Иначе в сумме напряжение между +13 и базой Q1 ,будет:

U_c = 13+11.2 = 24.2 B (7)

Теперь определим ток покоя коллекторов ДУ:

 

I_R2,3 = U_R2,3 / R2= 13/ 1500 = 8,7мА (8)

Ток покоя баз транзисторов ДУ:

I_БQ1,4 = I_R2,3 / h_21э = 8,7 / 124 = 0,07мА (9)

Тогда ток токового зеркала будет:

 

I₃ = 2 I_R2,3+ 2 I_БQ1,4 = 2*8.7+2*0,07 = 17.54мA (10)

Определим задающее сопротивление зеркала – R4:

R4 = 2E/ I₃ = 26 / 0.01754 = 1480 Ом (11)

 

Принимаем 1,2 кОм и подстроечное на 500 Ом

Из (6) получим, что падение напряжения на транзисторе Q3 U_Q3<1.8B и равно:

U_Q3 = 1,8- U_БЭQ1,4 = 1.8-0.7 = 1.1B (12)

Где U_БЭQ1,4 = 0,7 В – падение напряжения на переходе база-эмиттер кремниевых транзисторов.

Определим сопротивления цепи баз ДУ R5 и R6 по формуле, выведенной из расчёта коэффициента усиления ДУ:

 (13)

Принимаем R5 = R6 = 6800 Ом и дополнительное сопротивление равное сопротивлению источника R1(источника)=R11=100Ом.

Для зеркала тока принимаем транзисторы n-p-n типа 2n3393 , которые менее мощные (средней мощности) и имеют следующие параметры:

U_Кэmax = 37B; I_Kmax = 100мA; P_ном = 3Вт, h_21э =150, f_max=1MГц

Для стабилизации коэффициента усиления ДУ с помощью делителей на резисторах R7=R8 , R9=R10 и сопротивления транзистора, в цепи эмиттеров ДУ, равного R_Э= U_Q3 / I₃ = 1,1/0,01754 =63Ом осуществляется отрицательная обратная связь ООС. Из (7) известно падение напряжения на резисторах R7и R8 - Uc=24.2B , а на R9 и R10 из формул (6) и (12) вытекает, что U_9,10 = 2E - Uc=1,8В

По условия независимости тока делителя от тока базы покоя ДУ (9) надо соблюсти:

 

I_Д>> I_БQ1,4 (14)

 

В работе принимаем I_Д =0,242мА, тогда сопротивления будут равны:

R7=R8 = Uc / I_Д = 24.2 /0.000242 = 100 кОм (15)

 

Ток через резисторы R9 и R10 по первому закону Кирхгофа равен:

 

I_9,10 = I_Д - I_БQ1,4 = 0.242 – 0.07 =0.172 мА (16)

R9 = R10= U_9,10 / I_9,10 = 1,8 / 0,172 =10465 Ом (17)

 

Принимаем ближайшее стандартное значение R9 = R10= 10кОм.

Определим ёмкость разделительных кондесаторов С1 и С2 определяющих нижнюю частоту усиления УМЗЧ. Для этого найдем круговую частоту:

 

 н=2fн = 6,28*60 =376,8 рад / с

 

Откуда

 

С1 = С2=1/ ( н*(R6+R11)) = 1 / (376.8*6900) = 0.384 мкФ (18)

 

Принимаем ближайшее стандартное значение С1 = С2=0,39мкФ.

2.3 Расчёт выходного усилителя мощности

Для работы выходного усилителя мощности в режиме АВ используем цепь смещения на диодах D1-D6 и сопротивлениях R13, R14. Диоды типа 1n3879 с максимальным обратным напряжением – 75В.

Выходное сопротивление ДУ примерно равно:

R_выхДУ = R3 + Rэ*h_21Э= 1500 + 63*124 = 9312 Ом (19)

Для нормальной работы усилителя и повышения его КПД необходимо, чтобы параметр его транзисторов h_21Э удовлетворял неравенству:

h_21Э >> R_выхДУ / R_H или h_21Э >> 9312/4 = 2328 (20)

Максимальный ток коллектора должен быть:

I_к > U_вых / R_H т.е. I_к > 9 / 4 = 2,25А (21)

Максимальное напряжение транзисторов:

U_КЭ > U_вых = 9B (22)

Т.к. требуемый параметр h_21Э очень велик, то выбираем транзисторы соединённые по схеме Дарлингтона с одинаковым значением h_21Э = 500 большой мощности средней частоты f_мах = 0,5МГц фирмы Zetex

– n-p-n тип ZTX 869 c U_Кэmax = 40B; I_kmax = 7A;

– p-n-p тип ZTX 968 c U_Кэmax = 20B; I_kmax = 10A.

Общий коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ для схемы Дарлингтона определится как произведение каждого из двух:

h_21Эдар = 500*500 =250000 >> h_21Э = 2328

Падение напряжения на прямосмещённом диоде этого типа 0,65В на 3 диодах, следовательно, будет 1,95 В и подбором сопротивлений R14=R13 в режиме покоя необходимо добиться этого. Итак, принимаем R14=R13=30кОм рис.6

Рис.6 Подбор сопротивлений смещения R13=R14=30 кОм в режиме покоя.

Далее для ограничения верхней частоты усиления вводим элементы в цепь нагрузки (R12) – это конденсатор С3 и резистор R17.

Принимаем R17=0,25Ом, чтобы слабо влияло на амплитуду выходного напряжения, тогда емкость определим по формуле:

С3 = (R12+R17)/(2f R12 R17) = (4+0.25) / (6.28*14000*4*0.25) =48.3 мкФ (23)

 

Принимаем ближайшее стандартное значение С3 = 47мкФ – 16В.

Проанализируем полученную схему в программе Multisim.

Рис.7 Виртуальные осциллограммы входного (синяя) и выходного (чёрная) сигналов УМЗЧ, а также его ЛАЧХ.

Из выходной осциллограммы видно, что форма её повторяет входную синусойду и максимальное напряжение приближено к требуемым 9В. По ЛАЧХ видно, что на верхней частоте 14кГц, как требуется, коэффициент усиления уменьшается на 3дБ. Далее для узла выходного (OUT) 26 по виртуальной модели выполним анализ Фурье, из которого определим коэффициент гармоник выходного напряжения в полосе пропускания 1кГц.

Рис.8 Результаты анализа Фурье для 5 гармоник на частоте 1кГц.

Анализ Фурье показал, что коэффициент гармоник 0,95% , что удовлетворяет поставленным в проекте условиям.

Ниже приведена схема спроектированного усилителя.

Рис.9 Схема электрическая принципиальная спроектированного УМЗЧ.

Список использованных источников

1.  В.В. Богданов. Расчет усилительных схем на дискретных элементах: Методические указания. - Пенза, 1991. -18 с.

2.  Н.И. Чистяков. Справочник радиолюбителя - конструктора. - Москва, 1983. - 560 с.

3.  Горюнов Н.Н., Клейман А.Ю., Комков Н.Н. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. - Москва, 1976. -744 с.