Курсовая работа: Усилитель мощности звуковой частоты

⚡ 👉🏻👉🏻👉🏻 ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻

Министерство образования Российской Федерации
Уральский государственный технический университет - УПИ
Кафедра «Радиоэлектроники информационных систем»
Усилитель мощности звуковой частоты
По предмету «Схемотехника аналоговых электронных устройств»
1. Теоретические основы о проектировании умзч
В данном курсовом проекте нам было предложено спроектировать усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ).
УМЗЧ имеют широкое применение. Качество данных устройств характеризуется следующими основными показателями: линейные искажения (неравномерность амплитудно - и фазо - частотной характеристик), нелинейные искажения и паразитная модуляция (появление новых составляющих в частотном спектре сигнала, вариации уровня и частоты передаваемого сигнала – детонация), относительный уровень помех (отношение сигнал/ шум). Тенденции развития УМЗЧ направлены на улучшение этих параметров. Нам же предлагается спроектировать относительно простой усилитель.
Целью проектирования является разработка усилителя в соответствии с техническим заданием, выбор его принципиальной схемы, расчет параметров элементов схем, разработка печатной платы, а так же тестирование и проведение различных анализов полученной схемы с помощью ЭВМ с цель её доработки и определением характеристик.
В результате мы должны представить всю необходимую техническую документацию, относящеюся к работе: схема проектируемого устройства, печатная плата, различные графики, характеризующие его параметры и т. д.
Усилители мощности предназначены для увеличения высокой выходной мощности звуковых сигналов. Принцип работы усилителей мощности состоит в том, что они преобразуют подводимую к ним от источника питания мощность постоянного тока в переменный ток, причем форма сигнала на выходе усилителя полностью повторяет сигнал на входе. Усилители мощности должны обладать небольшими искажениями и высоким КПД (отношение мощностей переменного тока на выходе и постоянного тока, подводимого от источника питания).
Усилители мощности, как правило, состоят из нескольких каскадов. Предварительного, промежуточного и оконечного усиления . Разница лишь в том, что входные и промежуточные усилительные каскады работают в режиме большого усиления по току или напряжению, а выходные каскады при коэффициентах усиления Ku 1.
Входные каскады обычно реализуются по дифференциальной схеме. Их свойства (в частности, динамический диапазон) определяются в основном сильносигнальными свойствами всего усилителя на высоких частотах (максимально допустимая скорость нарастания сигнала). В данном курсовом проектируется УМЗЧ по мостовой схеме, входной каскад которого осуществляет усиление входного напряжения, а последующие каскады – усиление по току.
Промежуточный каскад является вторым каскадом усиления напряжения. Он же служит источником напряжения смещения рабочей точки для оконечного каскада ΔU. Основную проблему в схемах, где промежуточный каскад является источником напряжения смещения ΔU для оконечных каскадов, представляет задача обеспечения термической стабильности биполярных транзисторов в выходных каскадах. При постоянном напряжении смещения ΔU температурная зависимость напряжения перехода база-эмиттер влечет за собой весьма нежелательную термическую положительную обратную связь. Необходимо отметить, что полевые транзисторы обладают свойством самостабилизации.
Выходной каскад служит усилителем тока и в общем виде может рассматриваться как преобразователь импедансов, согласующий низкоомный выход каскада с нагрузочным сопротивлением (повторитель напряжения с коэффициентом усиления Ku =
1). Мощность выходных каскадов лежит обычно в пределах от 50 мВт до 100 Вт и более, поэтому при расчете усилителей всегда следует учитывать рассеиваемую транзисторами мощность. Применять линейные эквивалентные схемы замещения для анализа таких схем можно лишь весьма условно, поскольку параметры транзисторов зависят от тока.
Произведем расчет всех каскадов принципиальной схемы, руководствуясь характеристиками УМЗЧ из технического задания [1]
:
Максимальное напряжение и максимальный ток на выходе рассчитываются по выходной мощности Pвыхмакс = 150 Вт и сопротивлению нагрузки Rн =
4 Ом? А так же вычислим номинальные значения этих величин:
Необходимое напряжение питания Uпит определяется по максимальному выходному напряжению Uвыхмакс, падению напряжения Uгст на источнике тока промежуточного каскада, напряжению база-эмиттер Uq3, Uq5 транзисторов Q3 и Q5, и падению напряжения на сопротивлениях R7 и R8. Максимальное напряжение питания Uпит_max получают с учетом запаса на колебания напряжения в сети питания:
Выбираем напряжение питания Uпит=33 В.
Напряжение пробоя выходных транзисторов Q4,Q5 должно быть:
Максимальная мощность рассеяния этих транзисторов при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе:
Суммарное тепловое сопротивление R транзисторов Q4 и Q5 (включая радиаторы) определяют, приняв максимальную температуру кристалла Тj = 175°С, а максимальную температуру окружающей среды Тu = 55°С:
Пусть на радиаторы приходится Rth_l = 1,5 К/Вт. Тогда на сами транзисторы остается Rth_g=2.908 К/Вт. Этому требованию может удовлетворить транзистор, у которого при Тu=25°С мощность рассеяния:
По справочным данным определяем, что такой мощностью рассеяния, а так же удовлетворяют соответствующим параметрам характеристик, вычисленных выше, обладают транзисторы КТ818Г И КТ819Г в корпусе типа КТ-25.
По максимальному выходному току и минимальному усилению по току β = 30 выбранного типа транзисторов для выходного каскада Q4 и Q5 рассчитывается ток коллектора транзисторов Q1 и Q3:
Поскольку с увеличением частоты усиление по току выходных транзисторов уменьшается (т. е. при быстрых изменениях сигнала транзистор промежуточного каскада отдает больше тока), полученная величина тока предусмотрительно увеличивается в 10 раз:
Ток покоя транзисторов Q1 и Q3 выбирается по минимуму переходных нелинейных искажений величиной Iпок = 30 мА, при этом падение напряжения на R7 будет около 0.7 В:
Для вычисления ΔU нам необходимо знать напряжение база - эмиттер (Ube_q1q3) транзисторов Q1 и Q3, которое вычисляется по справочнику при соответствующем Ibo:
Далее находим напряжение смещения ΔU:
Мощность рассеяния транзисторов промежуточного каскада:
Зная максимальный ток коллектора транзисторов этого каскада можно рассчитать их максимальный базовый ток:
Исходя из проведенных выше расчетов, по справочнику, выбираем транзисторы КТ817Б и КТ816Б.
Для обеспечения требуемого напряжения смещения ΔU=3.08 В используем 4 диода 2Д104А. Задаваясь нужным падением напряжения на диодах, по справочнику находим ток, соответствующий данному падению напряжения:
Вычисляем параметры ГСТ для обеспечения нужного тока через диоды Id=7 мА. Выбираем по справочнику стабилитрон с напряжением стабилизации Uzener = 4,7 В при соответствующем токе Izener = 10 мА (2С147А). Задаваясь напряжением база - эмиттер Uq2 = 0,7 В транзистора Q2, находим сопротивление R6:
Во входном каскаде используется операционный усилитель LM344 (Uпитмакс = ±40, частота ед. усиления Ft=2,5 МГц). Сигнал с генератора подается на разделительную цепочку С1, R1 далее на цепочку С2, R3, затем на инвертирующий вход ОУ. С выхода на вход ОУ идет обратная связь в виде параллельно - соединенных резистора R4 и конденсатора С3. Рассчитаем нужный коэффициент усиления ОУ по напряжению, исходя из уже рассчитанных параметров схемы (Uоуном – напряжение на выходе ОУ при номинальном входном напряжении Uвхном = 1 В):
Далее произведем расчет величин ёмкостей С2 и С3 дабы обеспечить заданную полосу пропускания УМЗЧ (Ku – коэффициент усиления по уровню 0.7):
Частоту fв устанавливаем конденсатором С3:
Частоту fв устанавливаем конденсатором С2:
Для второго ОУ нашей мостовой схемы входным является сигнал с первого ОУ, а входное сопротивление равно сопротивлению обратной связи, тем самым обеспечивая повторение входного сигнала. В схеме симметричные элементы соответствующие элементам рассчитанным выше имеют сходные с ними параметры. В результате использования мостовой схемы мы получаем амплитуду напряжения на нагрузке в 2 раза больше, чем в обычной схеме, тем самым добиваясь характеристик заданных в техническом задании. Питание операционных усилителей, с учетом запаса на колебания напряжения в сети выбираем равным 33 В, как и у самой схемы.
Исследование рассчитанного усилителя проведем с помощью пакетом автоматизированного проектирования MicroCap 6.0 и OrCAD 9.1. Собираем схему используя SPICE - модели транзисторов и операционных усилителей. На вход подключаем генератора синусоидальных сигналов с частотой 1КГц. Остальные элементы схемы задаются исходя из расчетов. Загрузочный файл пакета OrCAD 9.1 нашей схемы приведен в приложении D, а графическое представление в пакете MicroCap 6.0 в приложении G.
Готовую схему исследуем используя разные виды анализов. Результаты переходного анализа приведены в приложении А. Здесь приведены графики сигналов на выходе усилителя при трех разных температурах (10, 27 и 60°С) и при номинальной амплитуде входного сигнала.
В приложении В приведена характеристика выходной мощности при максимальном входном сигнале.
В приложении C приведена АЧХ УМЗЧ при трех температурах (10, 27 и 60°С), показана полоса пропускания по уровню 0.7 (а в дБ уровень 0.7 соответствует –3дБ от максимального коэффициента передачи). Более точная настройка полосы усилителя осуществляется конденсаторами С2 и С3.
Вычисление чувствительности на постоянном токе выходного напряжения к изменениям параметров схемы производилось в пакете OrCAD 9.1. Результат этих вычислений в виде выдержки из выходного файла приведен в приложении H.
Результаты из выходного файла для Фурье - гармоник приведены в приложении E. Анализ MonteCarlo для наихудшего случая, приведенный в приложении F, позволяет проследить, как зависит форма сигнала на выходе от влияния разброса параметров (в данном примере разброс задается величинам резисторов 10%).
Мы выполнили курсовой проект, который заключался в проектировании аналогового электронного устройства, в нашем случае усилителя мощности звуковой частоты. В процессе работы была подобрана техническая литература по разрабатываемому устройству, проанализировано техническое задание, в результате чего мы произвели выбор структурной схемы устройства, выполнили расчет её элементов. Проверка работы и дальнейшая настройка схемы производилась с использованием современных методов автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств, а именно MicroCap 6.0 и OrCAD 9.2. С помощь этих пакетов были проведены (и некоторые представлены графически) следующие анализы разработанной схемы:
Вычисление чувствительности на постоянном токе выходного напряжения к изменениям параметров схемы
Анализ Фурье - гармоник для определения коэффициента гармоник
Температурный анализ (для трех значений температуры (10, 27, 60)
Анализ характеристик для наихудшего случая
Оформление технической документации было произведено в точности по результатам проектирования. Цели, которые были поставлены перед нами в техническом задании, были успешно достигнуты.
1. Проектирование усилительных устройств: Учебное пособие / Под ред. М.В. Терпугова. М.: Высшая школа, 1982. 190 с.
2. Титце Ч., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство/ Пер. с нем. под ред. А.Г. Алексенко. М.: Мир, 1980. 512 с.
3. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем. М.: Мир, 1991. 446 с.
4. Расчет электронных устройств на транзисторах/ Бочаров Л. Н., Жебряков С. К., Колесников И. Ф. – М.: Энергия, 1978. 208с.
5. Интегральные схемы: Операционные усилители: Справочник. Том 1. – М.: Физматлит, 1993. 240 с.
6. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. 656 с.
7. Важенин В.Г. Исследование усилительных каскадов при различных схемах включения транзистора. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. 39 с.
8. Стандарт предприятия. СТП УГТУ – УПИ 1 – 96: Общие требования и правила оформления дипломных и курсовых проектов (работ). Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1996. 130 с.
9. Кийко В.В. Моделирование и анализ электронных схем на ЭВМ: Методические указания к курсовой работе по дисциплине “Автоматизированное проектирование радиоэлектронных схем”. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994. 40 с.
10. Проектирование аналоговых электронных устройств: Методические указания / В.Г. Важенин, С.В. Гриньков, Н.А. Дядьков, Л.Л. Лесная. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 36 с.
.opt acct list node opts nopage reltol=0.0001 ITL5=0 ITL4=200
.WCase tran V(100,101) YMAX devices r
.MODEL KS162A D (IS={89.00E-15} N=1.16 BV=4.7 IBV=5U RS=25 TT=57N CJO=72.00P
.MODEL KT819G NPN (IS=974.4F BF=60 BR=2.949 NR=0.7 ISE=902.0P
+ IKF=4.029 NE=1.941 VAF=30 RC=0.1 RB=2 TF=39.11N TR=971.7N XTF=2 VTF=10 ITF=20
+ CJE=569.1P MJE=0.33 CJC=276.0P XTB=10)
.MODEL KT818G PNP (IS=974.4F BF=60 BR=2.949 NR=0.7 ISE=902.0P
+ IKF=4.029 NE=1.941 VAF=30 RC=0.1 RB=2 TF=39.11N TR=971.7N XTF=2 VTF=10 ITF=20
+ CJE=569.1P MJE=0.33 CJC=276.0P XTB=10)
.MODEL 2D104A D (IS=10F N=1 RS=.1 IKF=0 XTI=3 EG=1.11 CJO=1P M=.3333 VJ=.75
+ FC=.5 ISR=100P NR=2 BV=100 IBV=100U TT=5N)
.MODEL 2S147A D (IS={1.236E-12} N=1.87 BV=4.7 IBV=5U RS=20.2 TT=104.0N
+ CJO=87.60P VJ=0.73 M=0.3751 FC=0.5)
.MODEL KT816V PNP (IS=61.09F XTI=3 EG=1.11 VAF=85 BF=100.3 ISE=862.2F
+ NE=1.481 IKF=1.642 NK=.5695 XTB=1.5 BR=1.453 ISC=1.831P NC=1.514
+ IKR=.7536 RC=.1198 CJC=130.06P MJC=.3333 VJC=.75 FC=.5 CJE=100.8P
+ MJE=.3333 VJE=.75 TR=465.1N TF=31.79N ITF=1 XTF=2 VTF=10)
.MODEL KT817V NPN (IS=66.19F XTI=3 EG=1.11 VAF=105 BF=94.53 ISE=728.1F
+ NE=1.432 IKF=.4772 NK=.4907 XTB=1.5 BR=1.663 ISC=1.043P NC=1.476
+ IKR=.9431 RC=.1435 CJC=98.3P MJC=.3155 VJC=.75 FC=.5 CJE=108.6P
+ MJE=.3333 VJE=.75 TR=137.2N TF=26.48N ITF=1 XTF=2 VTF=10)
* PINS: 1=NC+ 2=NC - 3=VEE 4=VO 5=VCC
F1 13 14 POLY(5) VS1 VC VE VLP VLN 0 1.14592e+008 - 1.14592e+008 1.14592e+008
.MODEL QINP NPN (BF=1666.67 IS=1e-016)
**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE = 10.000 DEG C
FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(100,101)
HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED
NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG)
1 1.000E+03 2.768E+01 1.000E+00 1.791E+02 0.000E+00
2 2.000E+03 1.189E-02 4.295E-04 4.797E+01 - 3.102E+02
3 3.000E+03 1.364E-01 4.927E-03 1.793E+02 - 3.580E+02
4 4.000E+03 1.124E-02 4.062E-04 2.049E+01 - 6.959E+02
5 5.000E+03 1.006E-02 3.634E-04 1.800E+02 - 7.155E+02
6 6.000E+03 4.387E-03 1.585E-04 4.501E-01 - 1.074E+03
7 7.000E+03 1.553E-02 5.611E-04 1.640E+02 - 1.090E+03
8 8.000E+03 4.618E-03 1.668E-04 2.145E+01 - 1.411E+03
9 9.000E+03 7.305E-03 2.639E-04 1.660E+02 - 1.446E+03
**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG C
FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(100,101)
HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED
NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG)
1 1.000E+03 2.806E+01 1.000E+00 1.791E+02 0.000E+00
2 2.000E+03 9.639E-03 3.436E-04 3.629E+01 - 3.219E+02
3 3.000E+03 9.076E-02 3.235E-03 1.796E+02 - 3.576E+02
4 4.000E+03 1.098E-02 3.912E-04 1.709E+01 - 6.993E+02
5 5.000E+03 1.090E-02 3.885E-04 1.696E+02 - 7.258E+02
6 6.000E+03 4.767E-03 1.699E-04 1.454E+01 - 1.060E+03
7 7.000E+03 1.623E-02 5.786E-04 1.709E+02 - 1.083E+03
8 8.000E+03 4.721E-03 1.683E-04 1.689E+01 - 1.416E+03
9 9.000E+03 7.313E-03 2.606E-04 1.629E+02 - 1.449E+03
TOTAL HARMONIC DISTORTION = 4.404183E-01 PERCENT
**** FOURIER ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG C
FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(111)
HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED
NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG)
1 1.000E+03 9.950E-01 1.000E+00 9.271E-03 0.000E+00
2 2.000E+03 2.372E-04 2.384E-04 - 4.506E+00 - 4.525E+00
3 3.000E+03 9.620E-04 9.668E-04 5.353E+00 5.325E+00
4 4.000E+03 2.632E-04 2.645E-04 - 1.758E+02 - 1.758E+02
5 5.000E+03 1.130E-04 1.136E-04 9.113E+01 9.108E+01
6 6.000E+03 1.275E-04 1.282E-04 9.859E+00 9.804E+00
7 7.000E+03 4.590E-04 4.613E-04 - 6.867E+01 - 6.873E+01
8 8.000E+03 9.741E-05 9.790E-05 - 1.786E+02 - 1.787E+02
9 9.000E+03 3.863E-04 3.882E-04 - 7.175E+01 - 7.183E+01
TOTAL HARMONIC DISTORTION = 1.209958E-01 PERCENT
**** DC SENSITIVITY ANALYSIS TEMPERATURE = 10.000 DEG C
DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(100,101)
R2 1.200E+03 - 1.258E-08 - 1.509E-07
R7 5.600E+01 - 1.964E-05 - 1.100E-05
R8 5.000E-01 - 6.019E-02 - 3.010E-04
R11 5.000E-01 - 5.985E-02 - 2.993E-04
R13 5.700E+02 - 7.717E-05 - 4.399E-04
R15 1.800E+05 - 7.132E-09 - 1.284E-05
R16 1.800E+05 - 3.779E-14 - 6.801E-11
R17 2.830E+03 - 7.846E-07 - 2.220E-05
**** DC SENSITIVITY ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG C
DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(100,101)
R2 1.200E+03 - 1.265E-08 - 1.518E-07
R7 5.600E+01 - 1.813E-05 - 1.015E-05
R8 5.000E-01 - 6.609E-02 - 3.305E-04
R11 5.000E-01 - 6.587E-02 - 3.294E-04
R13 5.700E+02 - 8.173E-05 - 4.659E-04
R15 1.800E+05 - 7.173E-09 - 1.291E-05
R16 1.800E+05 - 4.043E-14 - 7.278E-11
R17 2.830E+03 - 8.283E-07 - 2.344E-05
**** DC SENSITIVITY ANALYSIS TEMPERATURE = 60.000 DEG C
DC SENSITIVITIES OF OUTPUT V(100,101)
R2 1.200E+03 - 1.271E-08 - 1.526E-07
R7 5.600E+01 - 1.515E-05 - 8.486E-06
R8 5.000E-01 - 7.587E-02 - 3.793E-04
R11 5.000E-01 - 7.577E-02 - 3.788E-04
R13 5.700E+02 - 9.027E-05 - 5.145E-04
R15 1.800E+05 - 7.209E-09 - 1.298E-05
R16 1.800E+05 - 4.112E-14 - 7.402E-11
R17 2.830E+03 - 9.092E-07 - 2.573E-05
[1]
Расчетные величины имеют размерности системы СИ

Название: Усилитель мощности звуковой частоты
Раздел: Рефераты по коммуникации и связи
Тип: курсовая работа
Добавлен 11:48:28 12 ноября 2008 Похожие работы
Просмотров: 218
Комментариев: 14
Оценило: 2 человек
Средний балл: 5
Оценка: неизвестно   Скачать

Срочная помощь учащимся в написании различных работ. Бесплатные корректировки! Круглосуточная поддержка! Узнай стоимость твоей работы на сайте 64362.ru
Привет студентам) если возникают трудности с любой работой (от реферата и контрольных до диплома), можете обратиться на FAST-REFERAT.RU , я там обычно заказываю, все качественно и в срок) в любом случае попробуйте, за спрос денег не берут)
Да, но только в случае крайней необходимости.

Курсовая работа: Усилитель мощности звуковой частоты
Курсовая работа: Виробництво яєчного порошку методом сушіння
Демократический Стиль Руководства Курсовая
Эссе На Тему Безопасность В Современном Мире
Реферат по теме Иностранные инвестиции в России как залог экономического роста
Курсовая Работа Заключение И Прекращение Брака
Сочинение По Картине Девятый Вал 7 Класс
Реферат На Тему Класс Пресмыкающиеся Или Рептилии (Reptilia)
Список Литературы Реферат Технология Заливки Металла
Элементы Мировой Валютной Системы Реферат
Курсовая работа: Изучение мнения старшеклассников о роли религии и религиозных организаций в жизни современного общества. Скачать бесплатно и без регистрации
Учебное пособие: Общетеоретические аспекты гендерологии и феминологии
Таблица Аргументов Для Итогового Сочинения
Курсовая работа по теме Маркетинговое исследование рынка бесцветной стеклянной тары
Лабораторная работа: Разъемы материнской платы Intel D815EEA
Реферат На Тему Роль Родителей В Развитии Ребенка И Ошибки Семейного Воспитания
Историческое Сочинение 945
Реферат На Тему Аспекты Утилизации Отходов
Реферат по теме Исследование температуры в зоне резания при точении
Икт В Доу Реферат
Реферат по теме Фенилкетонурия: диагностика и лечение
Дипломная работа: Право собственности супругов в части законного и договорного режима их имущества
Доклад: Миссия организации
Доклад: Джигарханян Армен Борисович