Проектирование УМЗЧ с низким коэффициентом искажений

КП.docx

Обзор литературных источников4
Анализ структурной схемы10
Анализ схемы электрической принципиальной12
Выбор элементной базы14
Описание монтажной схемы19
2 Сборочный чертеж19
Расчет вибропрочности24
Расчет теплового режима25
Расчет электромагнитной совместимости26
В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим – усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике в каждом телевизоре в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства воистину являются грандиознейшим изобретением человечества.
В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока напряжения и мощности.
Усилители звуковой частоты (УЗЧ) предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Современные УЗЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении. Назначение УЗЧ в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.
В качестве источника входного сигнала УЗЧ могут использоваться такие устройства как микрофон звукосниматель фотоэлемент термопара детектор и т.д. Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть громкоговоритель измерительный прибор записывающая головка магнитофона последующий усилитель осциллограф реле и т.д. Большинство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Основными техническими показателями УЗЧ являются: коэффициенты усиления (по напряжению току и мощности) входное и выходное сопротивления выходная мощность коэффициент полезного действия номинальное входное напряжение (чувствительность) диапазон усиливаемых частот динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех а также показатели характеризующие нелинейные частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.
В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя мощности (УМ) звуковой частоты (ЗЧ). В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов входящих в состав устройства расчёт цепей усилителя и параметров его компонентов и анализ частотных характеристик полученного устройства.
Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том что при проектировании усилителя следует использовать такие элементы чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости входящих в него компонентов.
Обзор литературных источников
Важный результат последних достижений в области разработки звуковых усилителей состоит в том что процедура проектирования УМЗЧ с низким коэффициентом искажений теперь может быть описана в виде достаточно строгого алгоритма а не расплывчатых методик с множеством подводных камней как это было ранее.
На рис. 1. показана очень условная схема типового усилителя мощности звуковых частот; она настолько стандартна насколько возможно.
Об этой конфигурации было немало написано хотя многие тонкие вопросы обычно упускаются из вида поэтому ниже следующее объяснение затрагивает лишь некоторые аспекты которые для многих возможно окажутся незнакомыми. Кстати немаловажным достоинством схемы является то что принцип ее работы достаточно прост и понятен даже начинающим поэтому собрать работоспособное устройство по данной схеме может любой кто обладает хотя бы самыми элементарными знаниями в электронике.
Входной дифференциальный каскад (транзисторы T2 и T3) осуществляет одну из немногих форм нейтрализации искажений которую можно достичь без дополнительной подстройки параметров схемы или подбора ее элементов. Дело в том что коэффициент передачи дифференциального каскада определяется скорее самим принципом работы транзисторов а не степенью совпадения их параметров (таких как коэффициент передачи тока базы) которые как известно могут варьироваться в весьма широких пределах. Первый каскад работает в качестве преобразователя «входное дифференциальное напряжение – выходной ток».
Рис. 1. Типовой УМЗЧ:
а) с выходным каскадом класса В; б) модель выходного каскада
Напряжение на входе второго каскада (транзистор T4) обычно составляет несколько милливольт и имеет форму искаженного треугольника. Но на самом деле входной величиной второго каскада является не напряжение а ток. Второй каскад для краткости называемый здесь и далее усилителем напряжения (УН) на самом деле преобразует токовый сигнал на выходе дифференциального каскада в выходное напряжение подаваемое на эмиттерные повторители оконечного каскада. Экспоненциальный закон связывающий ток коллектора транзистора УН с напряжением на его базе сглаживается влиянием дифференциального каскада. Нелинейность нагрузки на низких частотах компенсируется общей отри цательной обратной связью а на высоких (где глубина ООС снижается) - действием местной ОС образованной база-коллекторным конденсатором Ск транзистора T4.
Коррекция основного полюса определенного действием эффекта Миллера в данной схеме выполнена весьма изящно. При повышении частоты усиливаемого сигнала увеличивается влияние конденсатора Ск и уменьшается действие общей ООС. Так как каскад содержит единственный транзистор обеспечивающий усиление то может быть использована ООС произвольной глубины и при этом не возникает проблем со стабильностью работы усилителя.
В области низких частот коэффициент усиления при разомкнутой ООС практически постоянен на высоких частотах (выше частоты основного полюса) его спад составляет 6 дБ на октаву. Если считать что коэффициент усиления оконечного каскада равен единице то коэффициент усиления по напряжению всей схемы изображенной на рис. 1.1 в области низких частот составляет
где gm - коэффициент передачи первого каскада; RC - сопротивление в цепи коллектора транзистора - коэффициент передачи тока базы этого транзистора.
Величина G может варьироваться в широких пределах так как по крайней мере один из определяющих ее значение параметров - коэффициент в транзистора T4 - точно не определен. К счастью это не так уж страшно главное чтобы значение G было достаточно велико. Чем больше величина G тем глубже может быть отрицательная обратная связь и тем большая линейность усиления может быть достигнута. Коэффициент усиления G может быть увеличен или повышением номинала резистора RC установленного в цепи коллектора транзистора T4 или использованием вместо резистора активной нагрузки то есть источника тока который как известно в идеале обладает бесконечным дифференциальным сопротивлением.
Коэффициент усиления схемы на высоких частотах определяется соотношением
где = 2 f f - частота Гц; CК - емкость конденсатора включенного между базой и коллектором транзистора T4.
Частота основного полюса находится по формуле
В области высоких частот искажения усиливаемого сигнала растут так как хотя увеличивается линеаризующее действие конденсатора CК но глубина общей ООС доступная для линеаризации входного и оконечного каскада падает со скоростью 6 дБ на октаву. Предположим пока что GВЧ составляет N дБ на частоте 20 кГц и усилитель сохраняет стабильность работы при заданном сопротивлении нагрузки и обычном разбросе параметров элементов. Заметим что значение GВЧ величина искажений на высоких частотах и граница стабильности определяются в основном только коэффициентом передачи gm первого каскада и емкостью конденсатора CК большинство других элементов схемы не оказывают никакого влияния на перечисленные параметры.
Во многих источниках часто утверждается что выгодно увеличивать импеданс коллекторной нагрузки транзистора второго каскада но на самом деле это не совсем верно. Сопротивление коллекторной цепи на высоких частотах падает до нескольких килоом (из-за влияния база-коллекторного конденсатора). Кроме того вычисления показывают что при небольших сопротивлениях коллекторной нагрузки снижаются нелинейные искажения вызванные разбросом параметра транзисторов оконечного каскада. Помимо этого при уменьшении RК явно снижается действие искажений 4-го типа описанных ниже в данной главе.
Несмотря на то что в изменчивом мире аудиотехники обычно неразумно проявлять излишнюю догматичность описанная конфигурация стойко удерживает первое место среди других возможных схем УМЗЧ. Перечислим основные ее преимущества которым она обязана своей популярностью:
Входной дифференциальный каскад не только предоставляет самый простой способ обеспечить усиление постоянного тока с гарантированным малым выходным напряжением разбаланса но позволяет также не беспокоиться о 2-й гармонике усиливаемого сигнала которая генерировалась бы в однотранзисторном усилительном каскаде. Следует отметить что параметры транзисторов входного каскада должны быть идентичны а сам дифференциальный каскад должен быть строго сбалансирован правильным подбором номиналов элементов чтобы коллекторные токи обоих транзисторов были равны (типовые значения параметров элементов показанные на рис. 1 не гарантируют этого).
Входные транзисторы работают при постоянных и почти равных значениях напряжений коллектор-эмиттер что обеспечивает хороший тепловой баланс.
Входной дифференциальный каскад не обеспечивает усиление напряжения сигнала поэтому на низких частотах не появляется полюс обусловленный действиемемкости Миллера между коллектором и базой транзистора T2. Все усиление по напряжению обеспечивается вторым каскадом что упрощает возможностькор рекции усилителя. Местная ОС вызванная действием конденсатора СК снижает входной и выходной импеданс второго каскада минимизируя влияние входной и выходной емкостей УН. Данный способ коррекции иногда называют расщеплением полюсов (pole-splitting): полюс соответствующий второму каскаду смещается в области низких частот и становится основным в то время как частота полюса соответствующего входному каскаду наоборот увеличивается.
С помощью база-коллекторного конденсатора СК влияние общей ООС которая на высоких частотах может стать причиной нестабильности снижается и начинает проявляться местная ООС которая не может вызвать самовозбуждение каскада. Кроме того с помощью конденсатора СК уменьшается влияние нестабильности и разброса значений база-коллекторной емкости транзисто а T4.
Анализ структурной схемы
Рис. 2. Структурная схема разрабатываемого УМЗЧ
– блок ограничения (БО) 2 – предварительный каскад (ПК) 3 – блок стабилизации (БС) 4 – обратная связь (ОС) 5 – выходной каскад (ВК)
БО уменьшает коэффициент усиления ОУ чтобы стабилизировать его характеристики когда выходное напряжение усилителя мощности достигает максимального значения. В результате уменьшается глубина насыщения транзисторов VT1 VT2 и снижается вероятность возникновения сквозного тока в выходном каскаде [5].
ПК осуществляет необходимое усиление по напряжению и обеспечивает работу усилителя с глубокой отрицательной ОС. Источник входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла так как при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока.
БС стабилизируют напряжение питания ОУ которое одновременно используется для создания необходимого напряжения смещения выходного каскада.
ОС стабилизирует характеристики УМ и задает общий коэффициент усиления по напряжению.
ВК обеспечивает необходимое усиление по току и по напряжению.
Анализ схемы электрической принципиальной
Каскад предварительного усиления выполнен на быстродействующем ОУ DA1 (К544УД2Б) который наряду с необходимым усилением по напряжению обеспечивает работу усилителя с глубокой ООС (рис. 6). Резистор обратной связи R5 и R1 определяют коэффициент усиления усилителя. Выходной каскад выполнен на транзисторах VT1 VT8. Он обеспечивает усиление как по току так и по напряжению. В основном каскаде (VT3 VT4) предусматривается использование мощных составных транзисторов КТ825 КТ827. Вспомогательный каскад VT5 VT8 также должен быть собран на составных транзисторах. Резисторы R8 R22 диоды VD7 VD8 и транзисторы VT1 VT2 определяют режим работы выходных каскадов который не меняется при изменении напряжения питания в значительных пределах.
Рис. 3. Электрическая принципиальная схема усилителя мощности звуковой частоты
Конденсаторы С6 С9 корректируют фазовую и частотную характеристики каскада. Стабилитроны VD1 VD2 стабилизируют напряжение питания ОУ которое одновременно используется для создания необходимого напряжения смещения выходного каскада.
Делитель выходного напряжения ОУ R6 R7 диоды VD3 VD6 и резистор R4 образуют цепь нелинейной ООС которая уменьшает коэффициент усиления ОУ когда выходное напряжение усилителя мощности достигнет своего максимального значения. В результате уменьшается глубина насыщения транзисторов VT1 VT2 и снижается вероятность возникновения сквозного тока в выходном каскаде. Конденсаторы С4 С5 – корректирующие. С увеличением емкости конденсатора С4 растет устойчивость усилителя но одновременно увеличиваются нелинейные искажения особенно на высших частотах.
Усилитель сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до ±25 В. Возможно и дальнейшее снижение напряжения питания вплоть до ±15 В и даже до ±12 В при уменьшении сопротивления резисторов R2 R3 или непосредственном подключении выводов питания ОУ к общему источнику питания и исключении стабилитронов VD1 VD2 [5].
Выбор элементной базы
Применяемые в радиоаппаратуре конденсаторы можно разделить на конденсаторы постоянной переменой емкости и подстроечные.
У конденсаторов постоянной емкости в конструкции возможность изменения величины емкости не предусмотрена. Эти конденсаторы применяют в качестве элементов колебательных контуров настроенных на фиксированную частоту в качестве элементов связи для компенсации изменяющихся параметров элементов контура при воздействии повышенной или пониженной температуры для сопряжения контуров в супергетеродинных приемниках в качестве разделительных блокировочных и для многих других целей. Такое разнообразие функций привело к созданию большого количества типов конденсаторов постоянной емкости. В зависимости от материала диэлектрика конденсаторы можно разделить на следующие группы: керамические (рис. 4) слюдяные бумажные пленочные и электролитические (рис. 5) [1].
Рис. 4. Конденсатор МП31-5
Рис. 5. Конденсатор К50-12.
Наибольшее распространение получили ИС у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.
Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 025 — 04 мм. Элементы микросхемы — биполярные и полевые транзисторы диоды резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия эпитаксия и др.). Межсоединения выполняют напылением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния имеющую окна в пленке окисла в тех местах где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера базы коллектора транзистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные участки —контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы (рис. 6).
Рис. 6. Интегральная микросхема К544УД2Б
применяемые в радиоаппаратостроении резисторы подразделяют на постоянные (рис. 7) и переменные. Переменными называют резисторы сопротивление которых можно плавно изменять в процессе эксплуатации или регулировки аппарата. Их применяют в тех случаях. когда это необходимо для изменения параметров изделия или же для компенсации в процессе регулировки погрешностей параметров других элементов схемы. Во всех остальных случаях используют постоянные резисторы.
Рис. 7. Резистор МЛТ-0125
Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход представляющий собой переходной слой между полупроводниками различной проводимости. На границе перехода за счёт концентрации носителей образуется контактная разность потенциалов.
p-n переход обладает несимметричной электропроводностью изменяемой электронной емкостью сильной зависимостью тока от внешних параметров to изменение полей.
В p-n переходе происходит диффузия основных носителей электронов из p-области в n-области. При этом возникает диффузионный ток:
его направление совпадает с направлением диффузий дырок.
Электрический заряд в кристалле перераспределяется электронная нейтральность кристалла нарушается.
Диффузирующие основные носители рекомбинируют в результате чего изменяется концентрация подвижных носителей. В приконтактном слое образуются заряды: в p-области отрицательные в n-области положительные. В результате образуется двойной слой пространственного заряда который называется запирающим. Запирающий слой может быть неоднородным из-за смещения нейтрали в сторону области с меньшей концентрацией примеси. Пространственные заряды образуют электрическое поле перехода с максимальной направленностью на границе изменения заряда.
Выпрямительные диоды работают на частоте 50-100 кГц (рис. 8) служат для преобразования переменного напряжения в постоянное (выпрямленное).
Рис. 8. Выпрямительный диод КД510А
Стабилитроны работают в режиме лавинного пробоя с балансом рассеиваемой мощности (рис. 9). Рабочая точка стабилитрона устанавливается таким образом чтобы пересечение нагрузочной прямой на ВАХ с характеристикой стабилитрона приходилось на площадку стабилизации. В отличие от стабилитрона стабистор работает на прямой ветке ВАХ в результате чего напряжения стабилизации стабисторов незначительны (порядка 0.7 1.8 Вольт).
Рис. 9. Стабилитрон КС515А
Транзистор – сложный полупроводниковый прибор использующий свойство нелинейности характеристик в области p-n перехода (рис. 10 рис. 11). Основное назначение транзистора в электронных схемах – усиление сигналов по току или по напряжению в зависимости от его включения. Биполярный транзистор имеет в общем случае 3 вывода – управляющий (база) и выводы непосредственно управляемого p-n перехода (коллектор и эмиттер).
Биполярные транзисторы характеризуются двумя p-n переходами расположенными на одном кристалле.
Транзисторы бывают: корпусные и бескорпусные в зависимости от технологии изготовления.
Динамические характеристики транзисторов определяют режим работы транзистора в выходной цепи которого имеется нагрузка а на вход подается усиливаемый сигнал. Динамические режимы отличаются от статического сильным взаимным влиянием параметров транзистора и элементов схемы.
Рис. 10. Транзисторы КТ814В КТ815В КТ816Г КТ817Г
Рис. 11. Транзисторы КТ825Г КТ827А
Описание монтажной схемы
При конструировании печатных плат используется четыре главных критерия выбора:
- габаритный критерий;
- критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя;
- критерий числа слоев;
- критерий материала основания.
По ГОСТ выбираем первый класс плотности рисунка печатной платы. Для данного класса плотности имеем:
- ширина проводника не менее 0.5 мм;
- расстояние между проводниками не менее 0.5 мм;
- разрешающая способность 1.0 линиймм.
Все детали УМЗЧ размещены на одной плате из фольгированного стеклотекстолита (СФ-1Н-50). Исключение составляют транзисторы VT3 VT4 VT7 VT8 установленные на теплоотводах с общей площадью рассеиваемой поверхности 1200 мм2 [5].
Надежность аппаратуры определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия то проектируя аппаратуру ее следует оценить наряду с другими параметрами и на основе этих расчетов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделия [1].
Вероятность безотказной работы P(tр) и среднее время наработки на отказ Tср достаточно полно характеризуют надежность прибора.
где - интенсивность отказа.
где i – интенсивность отказа i-го элемента.
Влияние внешних факторов на радиоэлементы оценивается с помощью коэффициента нагрузки.
где P – фактическая мощность рассеиваемая на коллекторе Pmax – максимальная допустимая мощность рассеиваемая на коллекторе.
где P – фактическая мощность рассеиваемая на резисторе Pн – номинальная мощность.
где U – фактическое напряжение приложенное к конденсатору Uн – номинальное напряжение конденсатора
где I – фактический выпрямленный ток а Imax – максимально допустимый выпрямленный ток.
Расчет по постоянному току был произведен с помощью программы Electronics Workwench (Таб. 1).
Продолжение таблицы 1
Интенсивность отказов:
Средняя наработка на отказ:
Из приведенных расчетов можно сказать что разрабатываемый УМЗЧ будет безотказно работать 5000 часов с вероятностью 98%.
Расчет вибропрочности
Радиоэлектронная аппаратура устанавливаемая на подвижных объектах в процессе эксплуатации подвергается вибрациям и ударам. В зависимости от характера объекта частота вибраций может лежать в диапазоне от единиц до тысяч герц а перегрузки могут достигать десятков g [1].
Печатная плата схемы представляет собой пластину. Формула для расчета собственной резонансной частоты пластины закрепленной в четырех точках:
где m n=1 2 3 - целые положительные числа a – длина платы b – ширина платы d – толщина платы D – жесткость материала платы E – модуль Юнга - коэффициент Пуассона.
Будем рассчитывать первую моду колебаний:
m=1 n=1 b=0155 м a=02 м d=0002 м =1800 кгм3.
Примем частоту вынуждающей силы f=50 Гц. Коэффициент виброизоляции равен:
Полученные расчеты показывают что собственная частота конструкции выше чем частота возбуждающих вибраций. Это означает что изделие обладает необходимой вибропрочностью.
Расчет теплового режима
Большинство радиотехнических устройств потребляя от источников питания мощность измеряемую десятками а иногда и сотнями ватт отдают полезной нагрузке от десятых долей до единиц ватта. Остальная электрическая энергия превращаясь в тепловую выделяется внутри аппарата. Температура нагрева аппарата оказывается выше температуры окружающей среды в результате чего происходит процесс отдачи тепла в окружающее пространство. Этот процесс идет тем интенсивнее чем больше разность температур аппарата и окружающей среды [1].
В выходном каскаде усилителя используются транзисторы КТ825Г КТ827А КТ817Г для которых необходимо использование теплоотвода.
Для подтверждения рассчитаем эти транзисторы по постоянному току без теплоотвода.
Расчеты для КТ825Г и КТ827А идентичны.
Так как значительно превышает допустимые значения мощности рассеивания на коллекторе то применение теплоотвода необходимо.
Расчет электромагнитной совместимости
При компоновке аппаратуры приходится решать вопросы обеспечения электромагнитной совместимости с внешними устройствами. Причинами помех выступают протекающие по проводникам токи и наведенные ими на соседние проводники паразитные сигналы электромагнитные поля от внешних и внутренних источников излучения и возникающие в связи с этими полями блуждающие токи в несущих конструкциях. Разрабатываемый мною усилитель мощности ЗЧ как и всякое электрическое устройство излучает в пространство электромагнитные волны. Мощность излучения зависит от протекающих в проводниках токов. Внешние электромагнитные помехи оказывают большое влияние на работу любого прибора но избавиться от таких помех сложно и для данного прибора не требуется.
Таким образом специальных устройств для устранения электромагнитных волн усилителя мощности звуковой частоты не требуется.
В ходе выполнения курсового проекта были освоены теоретические основы конструирования надежности и анализа радиоэлектронных систем; изучены основные этапы и методы проектирования; изучены общие требования к аппаратуре по надежности требования по виброустойчивости; изучены стадии разработки конструкторской документации ее виды и комплектность. Освоены принципы и методы системного подхода процесса проектирования радиоэлектронных устройств работы; произведен обоснованный выбор структурной и функциональной схем радиоэлектронной аппаратуры; выполнен расчет элементов электрической принципиальной схемы; выполнена конструкторская документация по ЕСКД.
В результате был разработан УМ ЗЧ с необходимой надежностью и виброустойчивостью.
Конструирование и расчет БГИС микросборок и аппаратуры на их основе Под ред. Высоцкого Б.Ф. – М.: Радио и связь 1981.
Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры Под ред. Б.Ф. Высоцкого. – М.: Радио и связь 1982.
Конструирование аппаратуры на БИС и СБИС Под ред. Б.Ф. Высоцкого и В.Н. Сретенского. – М.: Радио и связь 1989.
Гелль П.П. Иванов-Есипович Н.К Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. – Л.: Энергоатомиздат 1984.
Преснухин Л.Н. Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. – М.: Высшая школа 1986.
Куземин А.Я. Конструирование и микроминиатюризация электронно-вычислительной аппаратуры. – М.: Радио и связь 1985.
Парфенов Е.М. Камышная Э.Н. Усачов В.П. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Радио и связь 1989.
Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры Под ред. П.И. Овсищера – М: Радио и связь 1988.
Роткоп Л.Л. Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА. – М.: Сов.радио 1976.
Лярский В.Ф. Мурадян О.Б. Электрические соединители. - М.: Радио и связь 1988.
Интегральные микросхемы; Справочник Под ред. Б.В.Тарабрина.– М.: Радио и связь 1984.
Разработка и оформление конструкторской документации РЭАПод ред. Э.Т. Романычевой. – М.: Радио и связь 1989.