Предварительный расчет

Введение

Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены. Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям. Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей: Усилители низкой частоты, предназначенные 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.

Усилители постоянного тока – усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. На базе УПТ удобно строить высококачественные усилители любых назначений, в том числе и УНЧ.

Предварительный расчет

Выходная мощность 2.5 Вт.

Сопротивление нагрузки 3 Ом.

Коэффициент гармоник 0.6%.

Верхняя частота 10 кГц.

Нижняя частота 80 Гц.

Частотные искажения 3 дБ.

Входной сигнал 0.4 В.

Сопротивления источника входного сигнала 27 кОм.

Напряжение питания +-15 В.

Коэффициент передачи (также усиления по напряжению) — отношение напряжения на выходе той или иной системы, предназначенной для передачи электрических сигналов, к напряжению на входе. В частном случае, когда значения выходного и входного сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

K_U = U_ВЫХ / U_ВХ

Или в логарифмическом виде:

20 lg (U_ВЫХ / U_ВХ), дБ

Аналогично выглядят записи по току. В отличие от тока и напряжения, усиление по мощности в логарифмическом виде будет выглядеть:

10 lg (P_ВЫХ / P_ВХ), дБ

Для определения выходных напряжений воспользуемся законом Джоуля-Ленца. Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка. В расчете усилителей выходную мощность принимают средней синусоидальной по этому закону.

Для синуса можно воспользоваться подстановкой в формулу для постоянного тока среднеквадратичных значений.

Составляем математическую модель:

%%%%in_const

Ucc=30; %Напряжение питания, Вольт

R_load=3; %Сопротивление нагрузки, Ом

P_out=2.5; %Выходная мощность, Ватт

R_in=27000; %Входное сопротивление, Ом

F_max=10e3; %Верхняя частота среза, Герц

F_min=80; %Нижняя частота среза, Герц

U_in=0.4; %Входное напряжение

%%%%Ku/Ki/Kp

I_out_rms=sqrt(P_out/R_load);

I_out_ptp=I_out_rms*sqrt(2)*2;

I_out_p=I_out_rms*sqrt(2);

U_out_rms=P_out/I_out_rms;

U_out_ptp=U_out_rms*sqrt(2)*2;

U_out_p=U_out_rms*sqrt(2);

I_in_rms=U_in/R_in;

I_in_ptp=I_in_rms*sqrt(2)*2;

I_in_p=I_in_rms*sqrt(2);

U_in_rms=U_in;

U_in_ptp=U_in_rms*sqrt(2)*2;

U_in_p=U_in_rms*sqrt(2);

P_in=I_in_rms*U_in_rms;

Ku=U_out_p/U_in_p;

Ku_db=20*log10(Ku);

Ki=I_out_p/I_in_p;

Ki_db=20*log10(Ki);

Kp=P_out/P_in;

Kp_db=10*log10(Kp);

%out

Ku

Ku_db

Ki

Ki_db

Kp

Kp_db

В результате выполнения скрипта получим требуемые усиления, на основании которых можно оценить количество каскадов в усилителе. Остальные параметры могут быть использованы в дальнейшем расчете.

Ku =6.8465

Ku_db =16.7094

Ki =6.1619e+04

Ki_db =95.7943

Kp =4.2187e+05

Kp_db =56.2518

Коэффициент усиления по напряжения ниже 6, легко реализуется в 1 каскад по напряжению. Усиление по току в 61 тысяч раз потребует 3-4 каскада. Каскады с общим эмиттером включаются в расчет. Следует учесть, что внутри схемы усилителя возможны потери, и усиление потребуется увеличивать.

Стандартная схема не инвертирующего усилителя

Рисунок 1 – инвертирующий усилитель

Усилитель будет разрабатываться на дискретных элементах, однако дифференциальный каскад на входе позволяет использовать расчет аналогичный усилителям на ОУ. Помимо этого, для наглядности, структурная схема изображена в виде каскадов на ОУ приближенных по свойствам.

Рисунок 2 – инвертирующий усилитель с ФНЧ и ФВЧ

Вводим фильтр высоких и низких частот. ФВЧ нужен для лучшей совместимости с выходами различных источников сигнала, построен он на C1 R1. ФНЧ поддерживает устойчивость усилителя с обратной связью.

Рисунок 3 – АЧХ требуемого усилителя

На рис. 6 приведена ориентировочная схема усилителя. Можно привести аналогию с вышеприведенными схемами на ОУ. С1 R1 C2 R5 образуют полосовой фильтр, как показано на рис2.

Рисунок 4 – схема усилителя для расчета

Рисунок 5 – схема потерь на согласовании каскадов

Дата добавления: 2015-10-29