Моделирование схемы усилителя НЧ на МДП-транзисторах (стр. 2 из 5)
Радикальное снижение искажений в области этих частот возможно при использовании в выходном каскаде комплементарных пар МДП-транзисторов.
5. Моделирование схемы в пакете Multisim 8
5.1 Подбор элементной базы и проверка работоспособности
Для моделирования схемы необходимо подобрать аналоги отечественным компонентам схемы (транзисторы, диоды, стабилитроны), т.к. данный пакет не содержит отечественную элементную базу.
Результат подбора аналогов элементов и их параметры приведены в таблице 1 и 2
Таблица 1
| Номер по схеме | Отечественный элемент | Импортный аналог |
| Транзисторы | ||
| VT1, VT2, VT3 | КТ313Б | 2N3250A |
| VT4, VT6 | КТ630Б | 2N2102 |
| VT5, VT7 | КТ816Г | 2N5194 |
| VT8, VT9 | КП904А | 2N7000 |
| Диоды | ||
| VD1 | Д814Г | 1N962B |
| VD2, VD3, VD4,VD5 | КД223А | 1N5401 |
| VD6, VD9 | КД103А | BAW62 |
| Стабилитроны | ||
| VD10, VD11 | КС211Е | BZX84-C10 |
Таблица 2
| Транзисторы npn и pnp | КТ313Б (2N3250A) | КТ630Б (2N2102) | КТ816Г (2N5194) | Полевой транзистор | КП904А (2N700) |
| IK MAX, mA | 35 | 1 | 3 | PMAX, мВт | 75 |
| IK, И MAX, mA | 2 | 6 | UСИ MAX, Bт | 70 | |
| UКЭRMAX (UКЭО ГР), В | 5 | 80 | 80 | UЗС MAX, Вт | 90 |
| UКБО MAX, B | 6 | 120 | IC MAX, A | 16 | |
| UЭБО MAX, B | 5 | 7 | 5 | IK MAX, A | 100 |
| PK MAX(PMAX), мВт | 300 | 0,8 | 25 | SмА/В | 250..510 |
| ТП MAX, c | 125 | 125 | 125 | CЗИ, пФ | 300 |
| TMAX, c | 85 | 100 | КУР, дБ | 13 | |
| h21Э(h21Э)(S21 ТИП) | 80…300 | 80…240 | 25 | UЗИ MAX, В | 30 |
| UКЭ НАС, В | 0,5 | 0,3 | 0,6 | ||
| IКБО(IКЭR), мкА | 0,5 | 1 | 0,1 | ||
| fГР(fh21), МГц | 200 | 50 | 3 | ||
| CК, пФ | 12 | 15 | 60 | ||
| СЭ, пФ | 65 | 115 |
Прежде чем проводить анализы требуется проверить работоспособность схемы на импортных элементах, т.е. проверить соответствие параметров в ТЗ и в полученной схеме.
Проверим усиление на выходе, для этого установим на вход источник синусоидального сигнала AC Voltage со следующими параметрами:
Напряжение- 1 В
Частота- 1000 Гц.
Рис.1 Входной и выходной сигнал
Из графика видно, что усиление выходного сигнала относительно входного порядка 20 раз, а подключив ваттметр к выходу усилителя получаем мощность порядка 35 Вт, что соответствует ТЗ.
Рис. 2. Ваттметр
5.2 Линейные и фазовые искажения
Линейные искажения обусловлены влиянием реактивных элементов усилителя — конденсаторов и катушек, сопротивление которых зависит от частоты. Эти искажения имеются и в линейном усилителе, например, при усилении очень слабых сигналов, когда нелинейность активных элементов усилителя можно не учитывать.
К линейным искажениям относятся: частотные, фазовые и переходные искажения. Частотные искажения в усилителях являются следствием неодинаковости коэффициента усиления на различных частотах в пределах заданной полосы пропускания. Из-за них нарушаются реальные соотношения между амплитудами компонент сложного колебания, а это значит, что меняется энергетический спектр сигнала, искажается форма звукового сигнала, что приводит к значительному изменению тембра звука. При больших частотных искажениях звучание различных музыкальных инструментов теряет прозрачность, речь делается неразборчивой. Если коэффициент усиления на верхних частотах звукового диапазона больше чем на нижних, то передача становится ненатуральной: звук теряет свою сочность, тембр получается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембр передачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатурально подчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частоты необходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.
Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяются нормированным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентом частотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной частоте К к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:
M=K/K0.
В логарифмических единицах он равен G[дБ]=20lgM.
Область АЧХ, в которой G практически не зависит от частоты (обычно от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижней fн и верхней fв граничными частотами называют такие, на которых G уменьшается до заданного (допустимого) значения Gдоп относительно коэффициента усиления на средних частотах. Область частот от fн до fв -рабочий диапазон частот, или полоса пропускания усилителя.
Коэффициенты частотных искажений на низших GН и высших GВ частотах
Gн = 20 lg [К (/fн)/К0], Gв = 20 lg [К (fв)IK0].
В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искажений на любой частоте равен сумме коэффициентов частотных искажений в отдельных каскадах.
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ
Их взаимной коррекцией можно добиться, что усилитель в целом будет иметь плоскую АЧХ.
На практике усилители ЗЧ, выполненные по большинству схем, имеют некоторый спад усиления в области нижних и верхних частот из-за наличия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов. Степень линейных искажений усилителя ЗЧ для отечественной бытовой аппаратуры задается по ГОСТ 24388—80. У лучших образцов усилительных узлов неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот не должна превышать 0,5... 1,5 дБ. Для уменьшения линейных искажений диапазон рабочих частот усилителя выбирают шире диапазона частот, воспроизводимых акустическими системами.
Амплитудно-частотная характеристика усилителей на транзисторах в области верхних частот определяется емкостями эмиттерного и коллекторного переходов, в области нижних частот — емкостью разделительных и блокировочных конденсаторов. Чтобы расширить частотный диапазон в сторону верхних частот, либо уменьшают сопротивления на входе и выходе резистивного каскада, либо выбирают более высокочастотный транзистор. Диапазон усиливаемых частот может простираться до 100 кГц и более, что приводит к исчезающе малым линейным искажениям. Однако без специальных мер это обстоятельство приводит к таким нежелательным явлениям, как усиление низкочастотных помех (20... 100 кГц), создаваемых промышленными установками, генерация на высоких частотах, усиление остаточных напряжений ПЧ с детектора приемника и т. д. Появляются нелинейные искажения, вызываемые интерференцией звуковых и поднесущих частот при работе с тюнером или приемником.
Фазовые искажения являются результатом вносимых усилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала, вследствие чего искажается форма.
Рис. 4. Искажение формы сложного сигнала при сдвиге фазы одной из его составляющих.
Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазочастотной харакеристике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимость фазового сдвига Δφ выходного напряжения (тока) относительно входного от частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.
Типичная ФЧХ усилителя изображена на рис. 6 непрерывной линией. При Δφ ≥О выходное напряжение опережает входное, при Δφ ≤0 — отстает. Не создающая искажений форма сигнала ФЧХ представляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты:
Δφ(f)=-2π*tз(f-f0)
где tз— групповое время запаздывания.
Групповое время запаздывания представляет собой производную по частоте ФЧХ, т. е.
tз=dφ(t)/(2ndf).
При линейной ФЧХ все спектральные составляющие входного сигнала запаздывают на одинаковое время tз, что не вызывает искажения формы сигнала. Если ФЧХ нелинейная, то различные спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время, форма выходного сигнала исказится, верность воспроизведения музыкального произведения нарушится.