Расчёт усилителя мощности звуковой частоты (стр. 2 из 3)
Наиболее подходящим для проектирования является УМЗЧ с балансным дифференциальным входным каскадом
Технические характеристики усилителя:
Номинальная выходная мощность 55 Вт
Коэффициент гармоник 0,02
Полоса рабочих частот 20-50 000 Гц
Отношение сигнал-шум 89 дБ
Напряжение питания ±36 В
Ток покоя 100 мА
Одной из особенностей данного усилителя мощности является его питание от двухполярного источника. Это позволяет включить нагрузку между выходов усилителя и общим проводом без переходного конденсатора. Другая особенность состоит в применении входного балансного дифференциального каскада, обладающего хорошей термостабильностью.
Рис.4 УМЗЧ с балансным дифференциальным входным каскадом .
Усилитель состоит из входного каскада (транзисторы VT1, VT2}, каскада усиления напряжения (VT3), выходного (VT4-VT7), элементов защиты выходных транзисторов (VD3-VD6). Входной каскад выполнен по схеме дифференциального каскада с несимметричным выходом. Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор С1. Сигнал ООС подается с выхода через резистор R6 на базу транзистора VT2. Дифференциальный каскад сравнивает выходное напряжение с нулевым напряжением общего провода, и если по каким-либо причинам постоянное напряжение на выходе усилителя станет отличным от нуля, сигнал рассогласования с выхода дифференциального каскада поступает на выходной каскад, обеспечивая тем самым нулевое напряжение на выходе усилителя. С выхода дифференциального каскада сигнал поступает на усилитель напряжения и через резистор Д7 на выходной каскад. Выходной каскад выполнен на составных комплементарных транзисторах VT4, VT6 и VT5, VT7, обладающих большим входным и весьма малым выходным сопротивлениями. Диоды VD1 и VD2 создают начальное смещение выходного каскада и обеспечивают температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов. Через конденсатор вольтдобавки С5 подключается ПОС в цель коллекторной нагрузки транзистора VT3, обеспечивая тем самым получение максимального размаха выходного напряжения. Диоды VD3, VD4 и VD5, VD6 защищают выходные транзисторы, шунтируя в случае перегрузки, переходы транзисторов. Элементы СЗ, С6, R.14, C7, L1 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах. Для температурной стабилизации тока покоя выходных транзисторов диоды VD1 и VD2 устанавливают на общий с транзисторами VT6 VT7 теплоотвод. Катушка L1 намотана на резисторе R15 (МЛТ-2) и содержит 25 витков провода ПЭВ-2 0,8. Резисторы R12 и R13 изготовлены из высокоомного провода (манганин, константан).
На базе данной схемы в проекте будет рассчитан усилитель мощности для данных заданием параметров.
2.Расчёт бестрансформаторного усилителя мощности
2.1 Расчёт общих величин усилителя
Принимаем для усилителя мощности класса АВ коэффициент использования напряжения равный 0,8 т.е.
Uвых / Uвхус (1)
Транзисторы в плечах усилителя включены по схеме эмиттерного повторителя, значит коэффициент усиления напряжения КU<1.
Принимаем предварительно КU=1, тогда выходное напряжение будет:
Uвых = Uвх =1В (2)
Из формулы для расчёта выходной мощности :
Р = U2вых / RH= 12/4 = 0,25 Вт << PH(3)
Следовательно, входной сигнал должен быть усилен до напряжения с амплитудой:
Uвхус=
(4)Исходя из этого принимаем двухполярное напряжение питания всего усилителя мощности Е = 13В.
Требуемая амплитуда выходного сигнала:
Uвых = Uвхус = 11,2*0,8=9 В, тогда
Рвых = Uвых2 / (2 RH) = 92 / 8 = 10 Вт
Коэффициент усиления предварительного входного усилителя должен быть:
Квх = Uвхус / Uвх = 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-nтипа BD 139 , которые имеют следующие параметры:
UКэmax = 220B; IKmax = 1A; Pном = 15Вт, h21э =124, fmax=1.5MГц , .
Принимаем сопротивления коллекторов ДУ R2 и R3 исходя из условия:
R2 =R3 >>2E / IKmax
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 = UR2,3 + UQ1,4 + UQ3 (6)
Для баланса напряжения на выходе усилителя и отсутствия нелинейных искажений необходимо чтобы падения напряжений относительно, открывающих транзисторы +13В были:
UR2,3 =E=13 Bтакже UБQ1,4> Uвхус=11.2 B.
Иначе в сумме напряжение между +13 и базой Q1 ,будет:
Uc = 13+11.2 = 24.2 B(7)
Теперь определим ток покоя коллекторов ДУ:
IR2,3 = UR2,3 / R2= 13/ 1500 = 8,7мА (8)
Ток покоя баз транзисторов ДУ:
IБQ1,4 = IR2,3 / h21э = 8,7 / 124 = 0,07мА (9)
Тогда ток токового зеркала будет:
I3 = 2 IR2,3+ 2IБQ1,4= 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 UQ3<1.8B и равно:
UQ3 = 1,8- UБЭQ1,4 = 1.8-0.7 = 1.1B(12)
Где UБЭQ1,4 = 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:
UКэmax = 37B; IKmax = 100мA; Pном = 3Вт, h21э =150, fmax=1MГц
Для стабилизации коэффициента усиления ДУ с помощью делителей на резисторах R7=R8 , R9=R10 и сопротивления транзистора, в цепи эмиттеров ДУ, равного RЭ= UQ3 / 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 U9,10 = 2E - Uc=1,8В
По условия независимости тока делителя от тока базы покоя ДУ (9) надо соблюсти:
IД>> IБQ1,4 (14)
В работе принимаем IД =0,242мА, тогда сопротивления будут равны:
R7=R8 = Uc / IД = 24.2 /0.000242 = 100 кОм (15)
Ток через резисторы R9 и R10 по первому закону Кирхгофа равен:
I9,10 = IД -IБQ1,4 = 0.242 – 0.07 =0.172мА(16)
R9 = R10= U9,10/ I9,10 = 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=2fн = 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:
RвыхДУ = R3 + Rэ*h21Э= 1500 + 63*124 = 9312 Ом (19)
Для нормальной работы усилителя и повышения его КПД необходимо, чтобы параметр его транзисторов h21Э удовлетворял неравенству:
h21Э >> RвыхДУ / RH или h21Э >> 9312/4 = 2328 (20)
Максимальный ток коллектора должен быть:
Iк > Uвых / RH т.е. Iк > 9 / 4 = 2,25А (21)
Максимальное напряжение транзисторов:
UКЭ > Uвых = 9B(22)
Т.к. требуемый параметр h21Э очень велик, то выбираем транзисторы соединённые по схеме Дарлингтона с одинаковым значением h21Э = 500 большой мощности средней частотыfмах = 0,5МГц фирмы Zetex