Усилитель сигналов звуковой частоты

Входной каскад выполнен на дифференциальном каскаде. Дифференциальный каскад характеризуется тем, что усиление по напряжению при симметричном съеме сигнала равен коэффициенту усиления в схеме с общим эмиттером. Как и предоконечный каскад, входной является усилителем по напряжению. Однако из-за ограниченного сопротивления в коллекторной цепи коэффициент усиления по напряжению дифференциального сигнала не будет достигать больших значений. При этом синфазный сигнал подавляется значительно, что является уменьшением синфазных помех.

За счет отсутствия местной обратной связи в дифференциальном каскаде достигается большое увеличение по напряжению.  Что непосредственно влияет на петлю ООС в усилителе мощности, увеличивая коэффициент усиления в петле ООС.

Транзисторы VT1 и VT2 работают в режиме А, который обеспечивает усиление по напряжению, но не дает больного КПД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Схема входного каскада

 

1. Ток покоя коллектора VT1 и VT2:

 

    I_{0 К1} = (5…10)I_{Б m3} = (5…10)I_{К m3} / h_{21 3} =0,0088·10/70=0,00126 (А)     (2.1.37)

 

2. Параметры выбора транзисторов:

                   I_{К ДОП} ≥  (1.1…1.3)I_{О К1} =1.1∙0,00126= 0,00378 (А)                (2.1.38)

                               f_h21 ≥ (5…10)f_В = 10∙18000=180 (кГц)                          (2.1.39)

                    

                    Таблица 2.6 – параметры тарнзистора

	IКm, mA	fгр, МГц	h21min	h21 max
КТ503Б	150	20	40	120

 

3. Выбор сопротивления R₂:

 

    R₂ = U_{БЭ 3} / (I_{О К1} – I_{О Б3}) = (0,6…0,7)/(0,00126-0,000113) =560 (Ом)   (2.1.40) 

 

4. Выбор сопротивления R₃:

 

R₃ = (E₀/2 – U_{БЭ 1}) / (2I_{O Э1}) = (E₀/2 – U_{БЭ 1}) / 2(I_{O К1} + I_{О К1}/h_{21 1}) = (16,5-      0,7)/2(0,00126+0,00126/70) = 5,6 (кОм)                                                       (2.1.41)

 

5. Цепь обратной связи:

 

По обратной связи сигнал с выхода усилителя (точка соединения R_H) подается на переход БЭ первого транзистора. При этом следует учитывать, что внутреннее сопротивление дифференциального каскада равно 2h₁₁. Передача сигнала по ООС будет производиться по цепи обратной связи R₅, R₄ и C₁.

 

     β = [R_ЭКВ/(R₅+R_ЭКВ)]∙[r_БЭ1/R] =144/(22000+144)∙(1389/3861) = 0.0023  (2.1.42)

    R = 2h₁₁ + R_ЭГ = 2h₁₁ + 1083=2·1389+1083) =3861(Ом)                      (2.1.43)                                          

Сопротивление R_ЭГ является сопротивлением между базой транзистора VT1-VT2 и землей по переменному току. При расчете R_ЭГ необходимо руководствоваться следующими соображениями:

     R_ЭГ = R₁R_Г/(R₁ + R_Г)=22000·1500/23500=1083 (Ом)                       (2.1.44)

При этом R_Г – выходное сопротивление мостового регулятора тембра.

 

Для того, чтобы  сопротивление R₁, включенное параллельно R_Г, существенно не влияло на сопротивление генератора, примем его равным порядка кила Ом:

                                       R₁ = 22 (кОм) и R_Г = 1500 (Ом)                            (2.1.45)

           h₁₁ = (1+h₂₁)φ_Т / I_{О Э1} =(1+70)∙0,0126/0,001278 =1389 (Ом)       (2.1.46)

                R_ЭКВ = R₄R/(R₄ + R) = 150^•3861/(150+3861)= 144 (Ом)          (2.1.47)

Для сохранения идентичности режимов VT1 и VT2 сопротивление R₁ выбирается равным R₅. А R₅ выбираем из ряда:

                                R₅ ≥ (20…100)∙R_н = 100^•4= 400 (Ом)                         (2.1.48)

Для согласования сопротивлений каскадов возьмем R₅ = 22000 (Ом)

R₄ = [(F-1)RR₅ ] / [ h₂₁R_КН1K_ПОК – (F-1)∙(R + R₅) ] = 24^•3861^•22000/(70^•158^•1440-24^•25861) = 150 (Ом)                                                                                      (2.1.49)

        R_КН1 = R_2∙R_{ВХ 3} / (R₂ + R_{ВХ 3}) = 560^•220/(560+220)= 158 (Ом)        (2.1.50)

Значение F выбирается из предварительного расчета: F = 50

Коэффициент петлевого усиления:

                 К_П = β К_ВК K_ПОК K_ОК = 0,0023^•11^•340^•1= 48                    (2.1.51)

                      К_ВК = S₁R_{КН 1} = R_{КН 1}/r_э1 = 158^•/3,125= 8                     (2.1.52)

K_ОК = 1

 

Входное сопротивление  усилителя:

R_ВХВК = R₁(2h₁₁ +R₄)F / [R₁ + (2h₁₁ + R₄)F] = 22000^•(2^•1389+150)^•25/ /(22000+(2^•1389+150)^•25) =16800 (Ом)                                                              (2.1.53)

Конденсатор C₂ служит для устранения возможности самовозбуждения на высоких частотах:

С₂ = (R₂ + R_ВХ3) / (2πf_вК_ПОКR₂R_ВХ3) =(560+220)/(2^•18000^•3,14^•1440^•560^•220) = 39 (пФ)                                                                                                             (2.1.54)

6. Выбор емкости C₁:

 

Эта емкость  устраняет 100% обратную связь по переменному току.

          С₁ = 1/[2πf_нR₄ ] = 1/(2^•3,14^•20^•150·0,35) = 47 (мкФ)     (2.1.55)

 

7. Коэффициент требуемого усиления по напряжению рассчитанного усилителя мощности:

                                       K_УМ = 1 / β = 1/0,0023 =434                               (2.1.56)                

8. Требуемое входное напряжение при номинальной выходной мощности:

                        U_ВХВК = U_Н / K_УМ =

/434 = 0,028 (В)                  (2.1.57)

Дифференциальный  каскад характеризуется большим  входным сопротивлением, определяемым током эмиттера и усилением по току.

9. Итоговые данные предоконечного каскада:

 

                     Таблица 7 – параметры выбора транзистора

	тип	IК ДОП, mА	h21	fh21, МГц
VT1/2	n-p-n	10	70	20

 

2.2 Расчет узлов предварительного усиления

2.2.1 Расчет мостового регулятора тембра

Регулятор тембра служит для  коррекций частотной характеристики всей схемы, а также приданию звуку  желаемой окраски.

Рисунок 8 – Схема мостового регулятора тембра.

 

Цепочка R₁, R₂, R₃ и C₁, C₂ – регулятор низких частот.

Цепочка R₅, С₃, С₄ – регулятор высоких частот.

Входной каскад усилителя мощности имеет малое  входное сопротивление, ограниченное R₁. Особенностью пассивного регулятора тембра является то, что эти регуляторы требуют низкого выходного сопротивления предшествующего им каскада и высокого входного сопротивления последующего. По этой причине входной каскад УМ и регулятор тембра РТ отделяют каскадом предварительного усиления, выполненного по схеме с общим коллектором, входное сопротивление которого имеет большую величину, а выходное – малую. Это обеспечивает их совместимость и не потерю сигнала. Нагрузкой для регулятора тембра является входное сопротивление каскада предварительного усиления.

 

1. Коэффициент коррекции:

                                             m = 10^∆bТmax/20 = 10^14/20=5                             (2.2.1)

2. Частота раздела определяется:

                              f₀ = = = 600 (Гц)                         (2.2.2)

3. Условие неперекрытия зон регулирования.

   Одним уз существенных условий нормального функционирования регулятора тембра является расположение частоты нижнего и верхнего среза на расстоянии, обеспечивающим их неперекрытие. Т.е. чтобы избежать взаимного влияние низкочастотного и высокочастотного регуляторов.

                                                   2mf_Н ≤ f₀ ≤ f_В/(2m)                                   (2.2.3)

                                                  

                                (2.2.4)

                                                     200 ≤ 600≤1800                                     (2.2.5)

     Т.о.  видно, что не происходит взаимного влияния низкочастотного и высокочастотного регулятора.

 

  4. Сопротивления  подстроечных резисторов R = R₂ = R₅:

                      R ≤ 0.5 R_{ВХ СЛ} = 0,5 R_{ВХ ВК} = 0,5^•16,8^•10³ = 8,4 (кОм)         (2.2.6)

5. Номиналы регистров регулирования НЧ:

                                         R₁ = R/m = 8400/5 = 1800 (Ом)                           (2.2.7)

                                         R₃ = R₁/m =1800/5 = 330 (Ом)                            (2.2.8)

6. Сопротивление буферного  резистора R₄.

     Буферный резистор обеспечивает развязку  низкочастотного и высокочастотного регуляторов.

              R₄ = (0,05…0,1) ^•  R = (0,05…0,1)^• 8400 = 0,1∙8400 = 820 (Ом)   (2.2.9)

7. Задание номинальных значений емкостей.

Емкости в схеме  регулятора тембра обеспечивают его работу как фильтра.

                    С₁ = 1 / (2πf_НmR) = 1 / (2π^• 20^• 5^• 8400) = 0,15 (мкФ)          (2.2.10)

                                   C₂ = m^•C₁ = 5^• 0,189∙10³ =  0,39 (мкФ)                    (2.2.11)

     Емкости  С₃ и С₄ формируют ВЧ-регулятор.

                        С₃ = m² / (4πf_ВR) = 5² / (4π^•18000^•8400) = 15 (нФ)  (2.2.12)

                                C₄ = m^•C₃ = 5^•0,015^•10^-6 = 82 (нФ)                    (2.2.13)

8. Задание входного и выходного сопротивления регулятора тембра.

                                   R_{ВХ Т} = R₁ + R₃ =1500 + 500 =2 (кОм)                    (2.2.14)

R_{ВЫХ Т} = R₄ + R₁R₃ / (R₁ + R₃) = 470 + 1500^•500/ (1500 + 500) = 820(Ом)   (2.2.15)

9. Определение  требования к выходному сопротивления предыдущего каскада (КПУ1)

                              R_{ВЫХ ПРЕД} ≤ 0,2 R_{ВХ Т} = 0,2^• 2000 = 400 (Ом)               (2.2.16)

     Выходное  сопротивление предшествующего  каскада для регулятора тембра  представляет собой эквивалентное  сопротивление генератора сигнала. Для согласования каскада и передачи сигнала с минимальными потерями оно выбирается в 5…10 раз меньше входного сопротивления регулятора тембра.

10. Определение положения движков R₂ и R₅, соответствующие линейной частотной характеристике:

                        R^’’ = R^•m / (m² - 1) = 8400^• 5/(25-1) = 1,75 (кОм)              (2.2.17)

                               R^’ = R – R^’’ = 8400-1750 = 6,65 (кОм)                      (2.2.18)

11. Номинальный коэффициент передачи тембра на средних частотах имеет вид:

                       K = R₃ / (R₁ + R₃) = 500/ (1500 + 500) = 0,25                     (2.2.19)

     Регулировка  тембра на НЧ осуществляется  за счет резисторов R₃ и R₁. Они определяют основное изменение напряжения генератора до уровня непосредственно усилителя мощности. Предел регулировки тембра и характеризует изменение АЧХ тембра, т.е. усиление по напряжению.