Усилитель мощности звуковой частоты (стр. 1 из 5)

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана

Факультет ЭИУК

Кафедра ЭИУ –1 КФ

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по микросхемотехнике

на тему: “Усилитель мощности звуковой частоты“

Студент: Перцев А.М.

Группа: РПД - 71

Руководитель проекта: Лоскутов С.А.

Калуга 2007 г.

Задание

Промоделировать схему усилителя НЧ на МДП- транзисторах в программе Multisim 8. Также проверить характеристики получившийся схемы на соответствие техническим характеристикам данного усилителя используя следующие анализы, входящие в пакет Multisim 8:

- Анализ по переменному току (АЧХ, ФЧХ);

- Анализ Фурье;

- Переходный анализ;

- Температурный анализ;

- Параметрический анализ;

- Анализ сигнал/шум

-Анализ искажений

- THD анализ

Введение

В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности. Усилитель мощности предназначен для передачи больших мощностей сигнала без искажений во внешнюю нагрузку в качестве которой обычно выступает акустическая система. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности.

Усиление напряжения в усилителе мощности является второстепенным фактом. Для того чтобы усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнить условие RВЫХ=RН. Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность PН, коэффициент полезного действия, коэффициент нелинейных искажений KГ и полоса пропускания АЧХ. Значительный запас мощности, которым обладает усилитель, позволяет получить большой динамический диапазон громкостей, что повышает естественность звучания, улучшает стабильность работы при номинальной мощности и обеспечивает незначительные нелинейные искажения. Максимальная выходная мощность , которая может быть передана в нагрузку, полностью определяется параметрами выходных транзисторов. Поэтому для усилителей мощности типичным является применение в оконечном каскаде высоковольтных транзисторов повышенной мощности, потребляющих больщую энергию от источника питания. В свою очередь, максимальное использование выходных транзисторов по напряжению и току приводит к росту нелинейных искажений.

Снижение уровня нелинейных искажений достигается в основном введением глубокой ООС. Однако при этом возрастает запаздывание сигнала на выходе и в цепи ООС, что является причиной динамических искажений.

На слух динамические искажения проявляются в виде потери высших частот, неестественным оттенке звучания. Степень динамических искажений оценивается по скорости нарастания выходного напряжения усилителя мощности. Для уменьшения динамических искажений в высококачественных усилителях глубина ООС ограничивается в пределах 20..30 дБ.

В качестве оконечных применяют мощные высокочастотные биполярные и полевые транзисторы, которые позволяют повысить диапазон усиливаемых частот и тем самым повысить быстродействие усилителя.

Меры, применяемые для снижения динамических искажений, приводят к возрастанию нелинейных искажений, и условие обеспечения их на низком уровне является противоречивым.

Режим работы оконечного каскада определяется режимом покоя (классом усиления) входящих в него комплементарных пар биполярных транзисторов. Существует пять классов усиления: А, В, АВ, С и D.

Режим класса А характеризуется низким уровнем нелинейных искажений (KГ = 1%) низким КПД (<0,4). На выходной вольтамперной характеристике (ВАХ) в режиме класса А рабочая точка (IК0 и UКЭ0) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. При работе в режиме класса А транзистор всё время находится в открытом состоянии и потребление мощности происходит в любой момент. Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения.

Режим класса В характеризуется большим уровнем нелинейных искажений (KГ=10%) и относительно высоким КПД (<0,7). Для этого класса характерен IБ0 = 0 ,то есть в режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания. Режим В применяется в мощных выходных каскадах, когда не важен высокий уровень искажений.

Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами классов А и В. Он применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоя транзистор лишь немного приоткрыт, в нём протекает небольшой ток IБ0, выводящий основную часть рабочей полуволны Uвх на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Так как IБ0 мал, то здесь выше, чем в классе А, но ниже, чем в классе В, так как всё же IБ0 > 0. Нелинейные искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ, относительно невелики (KГ=3%) .

Внедрение в современную инженерную практику различных методов автоматизированного проектирования позволило перейти от макетирования, традиционно проводившегося для разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью ЭВМ. Кроме того, при помощи ПК возможно осуществление сквозного проектирования, включающего в себя:

синтез структуры и принципиальной схемы устройства;

анализ характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов, наличия факторов дестабилизирующих работу устройства и параметрическую оптимизацию;

синтез топологии, включая размещение элементов на плате или кристалле и разводку меж соединений;

верификацию топологии;

выпуск конструкторской документации.

В данной работе, с помощью современных средств проектирования и разработки электронных схем, промоделирована работа схемы усилителя мощности звуковой частоты на зарубежных аналогах отечественных элементов, а также на созданных в процессе работы моделях отечественных активных элементах. Для данной схемы были получены ее основные характеристики (АЧХ, ФЧХ, коэффициент искажений, переходная характеристика и другие), а также зависимость амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик от температуры и параметра регулировочного элемента (резистора, определяющего ток покоя транзисторов выходного каскада). Перечисленные анализы были проведены как для схемы на импортных аналогах, так и на отечественных моделях. Для сравнительного анализа характеристик импортных и отечественных транзисторов и диодов были построены их вольт-амперные характеристики с помощью программы PSpice. В качестве среды для моделирования работы схемы применялась программа Electronics Workbench Multisim8.

Теоретические сведения об устройстве

К достоинствам описываемых усилителей можно отнести низкий коэффициент гармонических искажений во всей полосе рабочих частот, плавное ограничение максимальных уровней сигнала. Высокое выходное сопротивление одного из усилителей способствует уменьшению интермодуляционных искажений головок в средне- и высокочастотной полосе. Низкое выходное сопротивление другого демпфирует громкоговоритель в широкой полосе частот.

Исходя из перечисленных особенностей работы усилителя и громкоговорителя, было разработано два усилителя. В первом из них (его схема на рис. 1) имеются две петли общей ООС: по переменному току — через R5, С6 и по постоянному напряжению — через интегратор на DA1. Применение интегратора исключает постоянную составляющую на выходе усилителя даже при ее наличии на входе, например, из-за утечки переходного конденсатора на выходе темброблока или линейного усилителя. Такое решение благоприятно сказывается и на демпфировании громкоговорителя. Усилитель имеет практически нулевое выходное сопротивление на инфранизких частотах и на постоянном токе, что эквивалентно демпфированию громкоговорителя вторичной обмоткой трансформаторного УМЗЧ на лампах. При этом исключаются возникающие с некоторыми транзисторными УМЗЧ инфранизкоча-стотные колебания низкочастотной головки.

В выходном каскаде в двухступенчатом усилителе тока применены БСИТ. Такие транзисторы отличаются высокой крутизной, малым остаточным напряжением насыщения, быстрым переключением и относительно высоким коэффициентом передачи по току в линейном режиме.

Используемые в усилителе дифференциальные каскады с местной ООС, как известно, отличаются повышенной перегрузочной способностью, а искажения в них в значительной степени компенсируются.

Диодами VD3—VD6 достигаются необходимые сдвиги уровня для обеспечения режима транзисторов VT10, VT12. Суммирование сигналов с повторителей на VT7, VT9 и VT8, VT13 происходит соответственно на транзисторах VT10 и VT12. Резисторы R20. R21 являются, с одной стороны, местной ОС для VT10, VT12, с другой — нагрузкой эмиттерных повторителей на транзисторах VT9, VT13.

Ограничение сигнала на выходе второго каскада, а соответственно и усилителя в целом, происходит раньше, чем в обычных усилителях, примерно на 3 В (за счет падения напряжения на транзисторах VT9, VT13). При этом с дальнейшим ростом входного напряжения не происходит жесткого ограничения сигнала, так как транзисторы VT10, VT12 переходят в режим плавного насыщения. Таким образом, амплитудное значение сигнала на выходе усилителя такое же, как в обычном усилителе, но без жесткого ограничения. Это схемотехническое решение позволяет получить характер искажений при перегрузке, подобный ламповым усилителям.