Материал: Расчет электронного усилителя мощности низких частот. методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Электроника и схемотехника». Москалева Е.А

Материал, дополняющий текст пояснительной записки, допускается помещать в приложениях.

Расчет элементов устройства ведется на основе знаний соответствующих курсов лекций, технической и справочной литературы. Выбор элементов обосновывается этим расчетом, при этом выбор транзисторов и резисторов должен учитывать рассеиваемую на них мощность. Если расчет показывает, что схема не позволяет получить заданные параметры, производится коррекция схемы или выбирается новая. Для моделирования аналоговых и импульсных устройств используется ре-

дактор Electronics Workbench [3].

В заключении пояснительной записки приводится оценка полученных результатов, их сравнение с техническим заданием. Возможно сравнение с устройством, выпускаемым промышленностью.

4

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Уcилительным устройством (усилителем) называется устройство, в нагрузку которого поступает усиленный по мощности входной сигнал [5].

Электронные усилители представляют собой разновидность электрических, управление электрической энергией источника питания в которых происходит с помощью усилительных элементов, например, биполярных и полевых транзисторов, электронных ламп, транзисторных оптопар и т. п. В результате мощность P0, потребляемая усилителем от источника питания, преобразуется усилительным элементом в мощность P2, выделяемую в нагрузке (рис. 1). Преобразование мощности P0 (в большинстве случаев постоянного тока) в мощность нагрузки P2 переменного тока происходит с помощью входной мощности P1, получаемой усилителем от источника сигнала.

Рис. 1. Структурная схема электронного усилителя

Усилители [4-6] различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т.д. Также они различаются по назначению, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям.

Усилители низкой частоты (УНЧ) [5-9] предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков.

5

2.1. Характеристики УНЧ

Свойства усилителей низкой (звуковой) частоты характеризуются следующими показателями:

1)коэффициентом усиления;

2)выходной мощностью;

3)диапазоном частот или полосой пропускания;

4)динамическим диапазоном усиления;

5)искажениями (линейными и нелинейными);

6)коэффициентом полезного действия.

Коэффициент усиления – одна из важнейших характеристик усилителя. Различают коэффициент усиления напряжения KU и коэффициент усиления мощности KP.

Коэффициент усиления напряжения численно равен отношению амплитуды напряжения на выходе усилителя Um вых к амплитуде напряжения на его входе Um вх:

KU = Um вых / Um вх.

Коэффициентом усиления мощности электронного усилителя называется отношение мощности Pвых, развиваемой на сопротивлении нагрузки усилителя, к мощности Pвх, получаемой усилителем от источника входного сигнала:

KP = Pвых / Pвх.

Зависимость коэффициента усиления напряжения от частоты входного сигнала называется амплитудно–частотной характеристикой (АЧХ) усилителя. (рис. 2)

fн и fв – нижняя и верхняя граничные частоты, т.е. минимальная и максимальная частоты полосы пропускания электронного усилителя соответственно. K0 – коэффициент усиления в области средних частот диапазона, а Kн и Kв – коэффициенты усиления на нижней и верхней граничных частотах рабочего диапазона частот усилителя.

6

K 3дБ

K0 0,707K0

3дБ

Рис. 2. Амплитудно–частотная характеристика усилителя низкой частоты

Для удобства сравнения АЧХ разных усилителей их обычно нормируют, т.е. строят график у = K / K0 = f (F).

Наиболее удобно и широко распространено изображение амплитудно-частотных характеристик в полулогарифмической и логарифмической системах координат. При полулогарифмической системе координат по оси ординат откладывают коэффициент усиления K, а по оси абсцисс – логарифмы значений частот f.

Логарифмическая система отличается от полулогарифмической тем, что в ней по оси ординат откладываются значения коэффициента усиления в децибелах.

Коэффициент усиления многокаскадного усилителя численно равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов:

Kобщ = K1 K2…Kп ,

где K1, K2,…, Kп – коэффициенты усиления 1-го, 2-го, …, п-го каскадов.

Часто коэффициент усиления выражают в логарифмических единицах, т.е. в децибелах (дБ):

KдБ = 20lg K; KP дБ = 10lg KP

7

Тогда для последовательно включенных усилительных каскадов общий коэффициент усиления в логарифмическом масштабе будет равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Kобщ дБ = 20lg K1 K2…Kп = 20lg K1 +

+ 20lg K2 + … +20lg Kп = K1 дБ + …+ Kп дБ.

Аналогично для коэффициента усиления мощности. Существует два понятия коэффициента усиления УНЧ.

Первое понятие – коэффициент усиления KU ОС усилителя, охваченного общей ООС. Его можно определить по исходным данным ТЗ как отношение амплитуды напряжения на выходных клеммах оконечного каскада УНЧ (на выходе усилителя) к амплитуде напряжения на входных клеммах усилителя (на выходе источника сигнала). В ТЗ обязательно подразумевается наличие в разработанном усилителе цепи общей ООС. И второе понятие – коэффициент усиления по напряжению KU того же усилителя, но еще не охваченного в процессе расчета общей ООС. KU должен появиться на этапе расчета принципиальной схемы, пока в схему не введена ООС. KU равен произведению коэффициентов усиления всех (предварительных и оконечного) каскадов УНЧ до введения ООС. Введение общей ООС в схему усилителя понижает значение коэффициента усиления KU (до введения ООС) до значения KU ОС (после введения ООС в схему усилителя) (рис. 3).

Полученную величину требуемого KU необходимо распределить между каскадами [5-10] (рис. 4) предварительного усиления (дифференциальным и усилителем напряжения), то есть получить цифру минимально необходимого коэффициента усиления уже отдельного каскада и при выборе и расчете принципиальной схемы каскада стремиться получить коэффициент усиления отдельного каскада не меньше требуемого.

8