диплом Низковольтный усилитель звуковой частоты (id=idd_1909_0001340)

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ 5
1.1 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ 5
1.2 ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УНЧ 15
1.3 ОСОБЕНОСТИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ УНЧ 17
1.4 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ 18
2 ТРАНЗИСТОРНЫЙ ВАРИАНТ 21
2.1 АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ 21
2.2 РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА 23
2.3 РАСЧЕТ 4-ГО КАСКАДА.(КПУ 3) 32
2.4 РАСЧЕТ 3-ГО КАСКАДА(КПУ 2) 39
2.5 РАСЧЕТ 2-ГО КАСКАДА(КПУ 1) 46
2.6 РАСЧЕТ ВХОДНОГО КАСКАДА 52
2.7 РАСЧЕТ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ 58
2.8 РАСЧЕТ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ 60
2.9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 61
3 МИКРОСХЕМНЫЙ ВАРИАНТ 64
3.1 АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ 64
3.2 РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА 65
3.3 РАСЧЕТ ВХОДНОГО КАСКАДА 73
3.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 75
4 ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА 78
5 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 79
5.1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 79
5.2 КОМПОНОВКА ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА 81
5.3 ПОИСК И УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ 82
6 ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА 85
6.1 РЕЗЮМЕ 85
6.2 МАРКЕТИНГОВАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ 86
6.3 ИССЛЕДОВАНИЕ РЫНКА 87
6.4 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПЛАН 88
6.5 ПЛАН МАРКЕТИНГОВЫХ ДЕЙСТВИЙ ПО КОМПЛЕКСУ ИНЖЕНЕРНОГО МАРКЕТИНГА 9Р 90
6.6 ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ РИСКИ 91
6.7 ФИНАНСОВЫЙ ПЛАН 92
7 ОХРАНА ТРУДА И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 97
7.1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ТРУДА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И КОНТРОЛЕ СБОРОК УСТРОЙСТВА 100
7.2 РАСЧЁТ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ 108
7.3 РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ 111
7.4 РАСЧЕТ ЗАНУЛЕНИЯ 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
ЛИТЕРАТУРА 125
ПРИЛОЖЕНИЕ А - СЭП 5 КАСКАДНОГО УНЧ НА ТРАНЗИСТОРАХ 126
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - СЭП УНЧ НА ОУ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ В – АНАЛИЗ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПЛАТЫ 128
В.1 ПОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ 133
В.1.1 РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ 133
1.1.2 ВЫБОР СПОСОБА ОХЛАЖДЕНИЯ 133
1.1.3 ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРА 135
ПРИЛОЖЕНИЕ Г - КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ БЛОКА 138
Г.1 ВЫБОР МЕТОДА КОНСТРУИРОВАНИЯ 138
Г.2 КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА И ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 140
Г.3 ВЫБОР КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ БЛОКА 140
Г.4 ВЫБОР ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 141
Г.4.1 ВЫБОР МАТЕРИАЛА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 141
Г.4.2 ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА 143
ПРИЛОЖЕНИЕ Д - КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИИ 144
Д.1 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПЛАТЫ 144
Д.1.1 ВЫБОР МОДЕЛИ 144
Д.1.2 РАСЧЕТ СРЕДНЕПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ КОРПУСА 145
Д.1.3 РАСЧЕТ СРЕДНЕПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕТОЙ ЗОНЫ 147
Д.1.4 РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЦЕНТРЕ НАГРЕТОЙ ЗОНЫ 148
Д.2 РАСЧЕТ ВИБРОПРОЧНОСТИ ПЛАТЫ 148
Д.4 РАССЧЕТ ДОПУСТИМОЙ СТРЕЛЫ ПРОГИБА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 151
Д.5 РАСЧЕТ КОМПОНОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ БЛОКА 151
Д.6 РАСЧЕТ РАЗМЕРНОЙ ЦЕПИ 152
ПРИЛОЖЕНИЕ Е - ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 156
Е.1 ВЫБОР ТИПА И ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ФОРМЫ ПРОИЗВОДСТВА 156
Е.2 ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ 157
Е.2.1 КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ 157
Е.2.2 КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ 158
Е.2.2.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ 159
Е.2.3 КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ 160
Е.3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЛОКА 162
Е.3.1 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 162
Е.3.2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ МОНТАЖА ПРИБОРА 163
Е.4 ДЕТАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ ПРИБОРА 163
Е.5 ИНСТРУКЦИЯ ПО ИСПЫТАНИЯМ БЛОКА 164
Е.6.1 ПРОВЕРКА ВНЕШНЕГО ВИДА СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ 164




















ВВЕДЕНИЕ
Усилительным устройством (усилителем) называется устройство, в нагрузку которого поступает усиленный сигнал (входной).
Усилители низкой частоты (УНЧ) предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном и интегральном исполнении.
Их достоинства — это низкая стоимость (в тысячи и десятки тысяч раз), малые габариты и простота использования. Есть и еще ряд достоинств, возникающих благодаря технологии производства. Такой идентичности параметров транзисторов дифференциальных пар как у тех, которые выращены на одном кристалле, на дискретных элементах добиться невозможно. Автоматический контроль за тепловыми и электрическими режимами важнейших силовых структур, находящимися на одном кристалле со всей остальной схемой — легко и просто. Все преимущества и весь опыт, накопленный в процессе производства операционных усилителей, к вашим услугам. Недостаток интегральных УНЧ — это, прежде всего, затрудненный отвод тепла и сложность работы с большими и малыми токами одновременно на одной подложке. Кроме того, при их разработке не ставится задача добиться чего-то эксклюзивного. Это, прежде всего дешевый массовый продукт, позволяющий легко, дешево и удобно получать прекрасные результаты.
Усилительные устройства находят применение в самых различных областях науки: техники и производства, являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью сложных приборов и систем.
Усилительное устройство характеризуется радом технических показателей. В зависимости от того, какие из показателей считают основными, формулируются требования к проектированию усилителей и выбираются способы их технической реализации к основным показателям относятся коэффициент усиления, амплитудно и фазочастотные и переходные характеристики, коэффициент нелинейных искажений уровень помех чувствительность, устойчивость, входное и выходное сопротивление. Спроектированное устройство должно удовлетворять определенному сочетанию упомянутых показателей.
Усилителем электрических колебаний называется устройство, которое позволяет при наличии на его входе колебание с некоторым уровнем мощности получить на выходной нагрузки те же колебания, но с большим уровнем мощности. Эффект увеличения мощности возможен только в том случае если в самом устройстве имеется некоторый источник, из которого черпается энергия для создания увеличенной мощности на выходе, этот принципиально необходимый для усиления источник энергии называется источником питания.
В данной курсовой работе рассматривается усилитель низкой частоты (УНЧ), т.к. частоты меняются в пределах от: 25Гц?10 кГц.
УНЧ – устройства предназначенные для усиления переменных составляющих сигнала в диапазоне от заданной нижней граничной частоты fВ>0 до некоторой верхней граничной частоты fВ. Обычно для усилителей этого типа отношение
.



1 ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ
Усилители низкой частоты (УНЧ) являются относительно простыми устройствами по своей структуре и вместе с тем весьма сложными для оценки. До сих пор не существует объективных параметров для их сравнения и пока непонятно, возможно ли это в принципе. Так, до сих пор не утихают споры между сторонниками и противниками ламповых усилителей. Но, поскольку усилители все же надо как-то оценивать, то давайте поближе познакомимся с их классификацией и общепринятыми параметрами, применяемыми для их оценки. В этом проекте не будем затрагивать другие виды усилителей, кроме усилителей мощности низкой частоты переменного тока и именно их будем иметь в виду под аббревиатурой УНЧ, хотя многие параметры одинаковы для всех видов усилителей.
1.1 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
Усилителем электрических сигналов называется устройство, которое за счет энергии источника питания обеспечивает увеличение амплитуды тока и/или напряжения на выходе, по сравнению с входным сигналом, не изменяя его формы. Часто говорят об усилителях напряжения, усилителях тока и усилителях мощности. Когда мы говорим об УНЧ, то всегда имеем ввиду усиление мощности. В каких единицах измеряется усиление? На сегодняшний день общепринятым мировым стандартом являются децибелы (дБ). Впервые децибелы были введены в практику для обозначения отношения мощностей.


Это связано с тем, что громкость для человеческого уха воспринимается как прямое увеличение интенсивности акустического воздействия (т.е. выходной мощности усилителя), а как ее логарифм. Считалось, что децибел —это минимальная различимая человеком величина. Сегодня общепринятой нормой стало принимать за минимальную чувствительность уха величину 0,5 дБ. Из этого и следует исходить, оценивая различные характеристики усилителей. Из сказанного следует и такой вывод: усилитель, мощность которого в 10 раз больше, звучит громче всего в два раза. Это надо помнить при выборе выходной мощности усилителя.
Коэффициент усиления по напряжению для усилителей определяется при синусоидальном входном сигнале как отношение выходного напряжения к входному и, вообще говоря, является комплексной величиной, зависящей от частоты.


В технике под коэффициентом усиления понимается его модуль.


где Uo — выходное напряжение, a UiN — входное напряжение.
Измерения коэффициента усиления, как и всех остальных параметров усилителя или любого другого прибора, производятся при заранее оговоренных производителем условиях и не всегда эти условия одинаковы для разных производителей.
Коэффициент усиления по току определяется так же, как и по напряжению, но эта характеристика УНЧ применяется редко, так же как и коэффициент усиления по мощности, поэтому в дальнейшем, под коэффициентом усиления будем понимать именно коэффициент усиления по напряжению.
Коэффициент усиления (любой) не является величиной постоянной, а зависит от многих факторов. В частности он зависит от частоты входного сигнала. Зависимость коэффициента усиления от частоты является одной из важнейших характеристик усилителя и называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) или полосой пропускания (frequency response).
Идеальный усилитель имеет абсолютно плоскую АЧХ, однако реальные усилители далеки от этого. Все усилители имеют спад АЧХ в области высоких частот по ряду причин, главной из которых являются ограниченные частотные свойства активных элементов: транзисторов, ламп и т.п. Многие усилители имеют спад в области низких частот, обусловленный влиянием разделительных емкостей. Следует заметить, что для УНЧ идеальной характеристикой является вовсе не прямая линия. Для них представляет интерес лишь диапазон от 16 Гц до 20 кГц, т.е. диапазон звуковых колебаний, который слышит человеческое ухо. Однако в усилителях высокого класса некоторый запас по частоте необходим по ряду причин, как психоакустического, так и технического характера. Поэтому верхняя граница идеальной характеристики устанавливается в районе 25...50 кГц. Абсолютного стандарта здесь нет. Можно только сказать, что если характеристика конкретного прибора выходит за эти рамки, то ее искусственно ограничивают. В некоторых случаях эту область сужают гораздо больше, если выходное устройство принципиально не может воспроизводить весь частотный спектр, как, например, мегафон или телефон, или данная область содержит большое количество помех от внешних источников, как в автомобильной технике.
Выглядят АЧХ по-разному даже в пределах информации, предоставляемой одним разработчиком. Иногда это график зависимости коэффициента усиления от частоты, иногда — затухание выходного сигнала. Встречается и нормированные характеристики, когда по оси Y откладывается отношение выходного напряжения или коэффициента усиления к этой же величине, замеренной на средней частоте. Последнее время широкое распространение получил термин POWER BANDWIDTH (BW),to есть полоса пропускания по мощности. Самое главное при оценке этих характеристик помнить, что граница АЧХ определяется по уровню 0,5 от уровня на средних частотах, если это мощностная характеристика (т.е. по уровню —3 дБ) и по уровню 0,707 (или —6 дБ), если это напряжение. Поскольку у современных усилителей эти характеристики весьма равномерны, то чаще всего их графики даже не приводятся, а просто даются табличные данные о полосе пропускания или о граничных частотах, т.е. о тех частотах, на которых спад АЧХ достигает упомянутых выше величин. Так, различаются верхняя и нижняя граничные частоты (fн, fL).
Второй характеристикой комплексного коэффициента усиления является фазовый сдвиг (phase shift), вносимый усилителем. Зависимость фазового сдвига от частоты сигнала называется фазочастотной характеристикой усилителя или просто фазовой характеристикой. Поскольку такая зависимость всегда имеет место, это означает, что различные спектральные составляющие проходят через усилитель за разное время, что приводит к искажению формы выходного сигнала. Фазовые характеристики никогда не приводятся ни для интегральных усилителей, ни для готовых изделий, т.к. их измерение чрезвычайно сложно и нет общих стандартов для проведения таких измерений. Кроме того, нет единого мнения о том, как фазовые искажения влияют на восприятие акустических сигналов, и потому нет единых требований. Все искажения формы сигнала, описываемые частотными и фазовыми характеристиками, являются линейными, т.е. могут быть описаны функциями вида


где А и В — постоянные величины. Это связано с тем, что они вызваны линейными реактивными элементами и соответственно не приводят к появлению новых составляющих в спектре сигнала, а только изменяют соотношение фаз и амплитуд существующих.
Выходная мощность усилителя является самым известным и популярным у потребителя параметром усилителя. Выходная мощность (Output Power, PO) усилителя, часто имеющая при себе некорректную приставку RMS (Root Mean Square, т.е. среднеквадратическая) представляет собой произведение эффективных (тех самых RMS) значений выходного тока и напряжения. Некорректность заключается в том, что, говоря о мощности, ничего другого, кроме произведения эффективных значений, никогда в виду не имеют, а если говорят о каких-то специальных вещах, то называют конкретный термин, например «импульсная мощность» или «музыкальная мощность». Согласно стандарту IEC 283-3 от января 1983 года, под музыкальной мощностью следует понимать максимальную мощность, которую может развивать усилитель на конкретной нагрузке в течение 1 секунды при входном синусоидальном сигнале с частотой 1 кГц, независимо от величины нелинейных искажений.
Существует также стандарт измерения мощности EIAJ (Electronic Industries Association of Japan — Ассоциация электронной промышленности Японии). В нем, в частности, применяется иной ряд напряжений питания, чем у американцев, а выходной сигнал представляет собой насыщенный меандр. Очень похожий параметр, называемый максимальной выходной мощностью иногда встречается и у SGS.
Сопротивление нагрузки (Load Resistance, RL) также является важным параметром усилителя. Некоторые виды усилителей рассчитаны на определенное сопротивление нагрузки, другие допускают его изменение в довольно широких пределах. В усилителях выходное сопротивление стараются сделать крайне малым, прежде всего для того, чтобы иметь возможность работать на низкоомную нагрузку и при этом осуществлять ее демпфирование. Это необходимо для того, чтобы убрать паразитные колебания диффузора динамика, возникающие из-за наличия упругих элементов конструкции. Существует такой параметр, как коэффициент демпфирования (Damping Factor), который равен отношению сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению усилителя. Особенно важен этот параметр при оценке поведения на низких частотах, т.к. средне- и высокочастотные динамики в электрическом демпфировании не нуждаются ввиду большого сопротивления воздуха на этих частотах и малой амплитуды колебаний диффузора.
С выходной мощностью непосредственно связаны еще два параметра, а именно рассеиваемая мощность и КПД. Рассеиваемой мощностью (Total Power Dissipation, Ptot) называется разность между суммарной мощностью,
потребляемой усилителем от всех источников питания и выходной мощностью, замеряемой непосредственно на выходных клеммах усилителя.
Любая микросхема и любой транзистор имеют ограничения по рассеиваемой мощности и необходимо учитывать, что с повышением температуры, максимальная рассеиваемая мощность снижается. Часто в справочных данных приводится степень снижения рассеиваемой мощности (Derating Factor) при превышении определенной температуры, выраженная в ваттах на градус (Вт/°С). Чтобы получить значение реальной рассеиваемой мощности, необходимо умножить разницу температур на упомянутый коэффициент, а результат вычесть из паспортной мощности.
Коэффициентом полезного действия (КПД) называется отношение выходной мощности усилителя к общей мощности, потребляемой им от всех источников питания. Измеряют его обычно на частоте 1 кГц, Для большинства интегральных усилителей он составляет примерно 0,6...0,7 при максимальной мощности. Это связано с тем, что они практически все относятся к классу АВ. Исключение составляют так называемые усилители класса D и Т, у которых он может превышать величину 0,9, при теоретическом максимуме равном единице. КПД всех усилителей зависит от выходной мощности.
Перейдем теперь к наиболее интересному параметру усилителя, а именно к коэффициенту нелинейных искажений — THD (Total Harmonic Distortion), иногда просто d. Часто его еще называют коэффициентом гармоник.


где Ui — амплитудное значение основного сигнала, a U2...Un — амплитуды соответствующих гармоник. Этот показатель является важным, но не определяющим в оценке усилителя. Еще лет десять назад впечатляющей могла показаться цифра 0,1%, а сегодня никого не удивит и 0,001%. Несомненно, что чем THD ниже — тем лучше в рамках той же концепции высокой верности воспроизведения.
Для интегральных усилителей этот показатель пока не достиг таких высот, но и в этой области прогресс несомненен. Например TDA7293 имеет показатель THD = 0,005% при мощности до 5 Вт. Существуют усилители, у которых THD еще ниже. Принято считать приемлемым THD = 1...3% при максимальной громкости воспроизведения. Показатель THD = 10%, который очень часто встречается в справочных данных, говорит только о том, что в данном режиме усилитель представляет собой низкокачественный скремблер, а вовсе не УНЧ.
Коэффициент интермодуляционных искажений (IMD) еще более важный показатель усилителя, т.к. в большей степени, чем THD характеризует нелинейность тракта усиления, и, наверное, по этой причине никогда не приводится в технических характеристиках интегральных усилителей. Для аппаратуры классов Hi-Fi и выше он приводится также достаточно редко.


где U1 и U2 — амплитудные значения синусоидальных сигналов с частотами f1 и f 2, а 12 • — амплитуда разностного ил и суммарною сигналов


Понятно, что выбор частот и амплитуд является очень важным параметром, иначе сравнить результаты будет невозможно. В стандарте DIN4550&, который является общепризнанным для Hi-Fi аппаратуры принято f, *= 250 Гц, f 2 = 8 кГц, U1 = 0,25U2, и конечно амплитуды выбираются таким образом, чтобы THD был минимальным. Надо отметить, что, как и в случае с коэффициентом гармоник, возникает, вообще говоря, бесконечное множество комбинационных частот вида nf1 ± mf2, а их амплитуды тем выше, чем выше нелинейность системы.
Очень простой и понятной характеристикой является скорость нарастания выходного сигнала SR (Slew Rate). Она измеряется в вольтах на микросекунду (В/мкс) и понимается буквально, т.е. усилитель не может воспроизвести слишком крутой перепад напряжения. На выходе вместо прямоугольного сигнала мы получим трапецеидальный, причем наклон трапеции численно равен максимальной скорости нарастания. Связь между частотой, выходным напряжением и скоростью нарастания проста:


где f — частота (МГц), U — амплитуда неискаженного напряжения (В). Скорость нарастания должна приводиться для наихудшего случая, каковым для операционного усилителя является повторитель, а для обычного — наи- меньший возможный коэффициент усиления, т.к. в этом режиме усилитель нуждается в наиболее сильной частотной коррекции.
Сквозная передаточная характеристика усилителя представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. В технических характеристиках иногда попадается простейшая разновидность ее — амплитудная характеристика. Она снимается при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала. Идеальная характеристика должна представлять собой прямую линию, выходящую из начала координат. Угол ее наклона — это коэффициент усиления. Нетрудно догадаться, что динамический диапазон усилителя (Dynamic Range), под которым понимается отношение максимального выходного (входного) неискаженного напряжения к минимальному, определяется именно этим участком, а вовсе не максимальным выходным напряжением. Измерения как обычно идут на частоте 1 кГц.


Более информативной характеристикой является импульсная переходная характеристика. На вход испытуемого усилителя подается прямоугольный импульс. В таком случае, о зависимости от входного напряжения можно говорить, как о параметрической, а в качестве аргумента использовать время. Если по оси абсцисс откладывать не абсолютное значение выходного напряжения, а отношение текущего значения к установившемуся, то такая нормированная характеристика уже пригодна для сравнения различных усилителей.
УНЧ, особенно в интегральном исполнении, мало чем отличается от обычного операционного усилителя. Некоторые типы усилителей даже имеют выводы инвертирующего и неинвертирующего входов. Поэтому все, что справедливо для операционных усилителей, годится и для УНЧ. Различие заключается только в одном: все операционные усилители, но далеко не все интегральные УНЧ, являются усилителями постоянного тока.
Определим сейчас ряд параметров, которые понадобятся для обсуждения вопросов ОС. Все параметры зависят от условий измерения.
Коэффициентом усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи GV или А называется отношение выходного напряжения к входному, неважно амплитудное или действующее, при отсутствии ОС. Если данный усилитель не допускает, по техническим условиям, изменения коэффициента усиления, то приводится коэффициент усиления с имеющейся внутренней обратной связью. Обозначается он также, но при этом про обратную связь ничего не говорится. Иногда приводятся оба коэффициента.
Коэффициент усиления с увеличением частоты всегда падает, поэтому в справочниках часто приводится частота единичного усиления fT (Unity Gain Bandwidth). Как следует из названия, это частота, на которой усиление равно единице. Практически у всех современных усилителей (о ламповых говорить не будем) на входе используется дифференциальный каскад. Это объясняется его свойствами, которые при применении в интегральных схемах делают дифференциальный каскад еще более привлекательным. Наиболее важными являются стабильность режима, возможность последовательного соединения без переходных конденсаторов, малые искажения и, наконец, способность выделять малый дифференциальный сигнал Ud на фоне большого синфазного (Common Mode, CM) сигнала UCM. Основой схемы дифференциального усилителя является пара эмиттерно связанных транзисторов, обычных или полевых. Реальные схемы значительно сложнее, но их рассмотрение не входит в нашу задачу. Понятно, что для работы схемы необходимо протекание базовых токов транзисторов, что обусловливает наличие конечного входного сопротивления. В связи с этим возникает параметр, называемый входным токам смещения (Input Bias Current, Iib). Он определяется, как постоянный ток, необходимый для управления входными каскадами усилителя к замеряется при нулевом выходном напряжении.


Для усилителей часто приводится максимальное синфазное входное напряжение Vicm, которое определяется как максимально допустимое синфазное напряжение, приложенное ко входу, при котором работа выходного каскада не нарушается (PHILIPS). Как правило, можно считать, что допустимое синфазное напряжение на 3...4 В ниже напряжения питания, если в спецификации не оговорено иное.
Помимо синфазного входного сопротивления, различают дифференциальное входное сопротивление rid (Differential Input Resistance), которое измеряется по закону Ома между двумя незаземленными входами усилителя в режиме малого сигнала. Синфазное сопротивление всегда значительно больше дифференциального.
Дифференциальное входное напряжение определено кaк напряжение, прикладываемое между входами усилителя, а максимальное дифференциальное входное напряжение это то, которое может выдержать данный усилитель без повреждения внутренних цепей.
Дифференциальный коэффициент усиления Кd — это отношение приращения сигнала на выходе к вызвавшему его приращению дифференциального входного напряжения. Вводится для дифференциального усилителя. Одновременно с ним определяется коэффициент усиления синфазного сигнала Ks, как отношение приращения выходного напряжения к приращению входного синфазного сигнала. В идеальном усилителе этот коэффициент строго равен нулю. Реальные усилители, даже после специальной операции по симметрированию, имеют различные коэффициенты усиления для инвертирующего и неинвертирующего входов. Численно Ks равен разности этих коэффициентов. В справочниках ни Кd, ни Кs для УНЧ никогда не приводятся. Дело в том, что для них Кd и GV это одно и то же, a Ks неинтересен как таковой. Разработчиков усилителей интересует совсем другой параметр — коэффициент ослабления синфазного сигнала CMRR (Common Mode Rejection Ratio, рус. КОСС), который представляет не что иное, как отношение KD/KS.
CMRR, как правило, имеет достаточно большую величину порядка 60...100 дБ. Но как все параметры усилителя, носит комплексный характер, благодаря наличию паразитных емкостей и уменьшается с ростом частоты. Частота среза для CMRR значительно ниже, чем для Кd, из-за того, что в первом случае в качестве сопротивления RC-цепочки выступает коллекторная нагрузка дифференциального каскада, а во втором — большое внутреннее сопротивление источника тока. Наиболее полно реализовать преимуществa которые дает разработчику большой CMRR, можно при использовании дифференциального входа усилителя, но далеко не все УНЧ имеют такую возможность. У многих интегральных усилителей, неинвертирующий вход не имеет своего вывода.
1.2 ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УНЧ
Говорят, что некоторая система или часть системы охвачены обратной связью по данному параметру (ОС рус. или feedback F), если отклик системы на внешнее воздействие, является, частично или полностью, внешним воздействием для этой системы, по этому же параметру. Для усилителей такими параметрами являются чаще всего ток или напряжение. Различают соответственно общие и местные обратные связи. Могут одновременно существовать несколько обратных связей разного рода. Если воздействие обратной связи направлено на усиление внешнего воздействия, то такая связь называется положительной (ПОС, Positive Feedback, PF), если наоборот, то отрицательной (ООС рус, Negative Feedback, NF). Если воздействие обратной связи равно отклику системы, то такая связь называется 100% (стопроцентной). Существует еще много разновидностей и классификаций обратных связей. Отметим, что, строго говоря, положительной или отрицательной обратная связь может быть названа только в условиях определенного частотного диапазона. При повышении частоты коэффициент обратной связи, являющийся комплексной величиной, может изменить свой характер, положительная связь может стать отрицательной и наоборот.
Если на частоте fT (частота единичного усиления) фазовый сдвиг превышает 180*, то обратная связь на этой частоте становится положительной. Понятно, что система нуждается в коррекции. Видов и способов коррекции очень много. Одним из способов заключается в том, чтобы использовать усилитель при относительно большом коэффициенте усиления. Для интегральных УНЧ очень характерным является требование минимально допустимого коэффициента усиления, приводимое в технических условиях. Оно вызвано тем, что запас устойчивости при уменьшении коэффициента усиления падает. Для каждого усилителя приводятся оптимальные способы его коррекции, если она необходима, и желательно придерживаться этих рекомендаций. Общепринятым является мнение, что правильно скорректированный усилитель должен иметь запас по фазе порядка 65°. В этом случае его переходная характеристика будет иметь небольшой выброс и оптимальную крутизну фронтов. Значения порядка 90° означают недостаточный запас по частоте и соответствующее затягивание фронтов и спадов. Такие усилители применяются в системах управления, где перерегулирование по каким-то причинам недопустимо, а не в УНЧ. Значения меньшие 45° применять не рекомендуется, т.к. устойчивость легко нарушается при изменении параметров нагрузки, а поскольку она в нашем случае имеет резко выраженный реактивный характер, запас надо иметь как можно больше.
Рассматривая усилитель, не следует забывать о том, что он находится не в абстрактном пространстве, а на печатной плате и окружен навесными элементами и связан с другими устройствами. Проводники печатной платы обладают заметными индуктивностями и емкостями и вполне могут создавать паразитные обратные связи. Источник питания вещь вообще особая и заслуживает специального рассмотрения. Для некоторых усилителей приводятся рекомендуемые разводки печатных плат, для которых все это более менее учтено, в том числе и развязка по питанию. Вполне может оказаться, что при каком-то конкретном рисунке печатной платы придется применять специальные меры для обеспечения устойчивой работы устройства, в то время как для другого рисунка ничего этого не понадобится.
Не следует упускать из виду и навесные элементы, которые часто являются не совсем такими, какими нам бы хотелось их видеть. Так конденсаторы часто обладают заметной индуктивностью, емкость у них часто зависит от частоты. Например, у обычного электролитического конденсатора очень ограничен частотный диапазон, за пределами которого он представляет собой , в основном сопротивление утечки, а бумажные конденсаторы заметно индуктивно. Индуктивностью обладают и резисторы.
Очень важно также применение деталей с высокой температурной стабильностью. В этом смысле надо обращать особое внимание на конденсаторы, так как может оказаться, что при некотором повышении температуры усилитель начнет самовозбуждаться или самовыражаться какими-нибудь другим способом и все это из-за высокого температурного коэффициента какой-нибудь емкости. Не случайно во многих описаниях cодержатся рекомендации по подбору комплектующих для усилителя. Делать же окончательные выводы можно лишь после того, как полностью собранное устройство пройдет хотя бы температурные испытания.
1.3 ОСОБЕНОСТИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ УНЧ
Схемотехника нового поколения активно используется в различных научных и технических направлениях и широко внедряется в различные промышленные отрасли и сферы экономики. Переход современного электронного оборудования на цифровые «рельсы» является актуальной и важной проблемой.
Процесс проектирования можно разбить на три этапа:
-системное проектирование;
-схемотехническое проектирование;
-техническое проектирование.
При выполнении системного проектирования выбираются и формулируются цели проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы построения системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей, которыми обычно являются функционально завершенные блоки, определяются энергетические и информационные связи между составными частями.
Схемотехническое проектирование имеет аппаратную реализацию составных частей системы. При этом выбирают элементную базу, принципиальные схемы и оптимизируют параметры с точки зрения обеспечения наилучшего функционирования и эффективного производства.
Техническое проектирование подразделяется на два вида: конструкторское проектирование и технологическое проектирование.
Конструкторское проектирование решает задачи компоновки и размещения элементов и узлов, осуществление печатных и проводных соединений, а так же теплоотвода, электрической прочности, защиты от внешних воздействий.
Технологическое проектирование обеспечивает разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом. На этом этапе проектирования создаётся технологическая документация на основе предшествующих результатов.
В экономической части рассчитывается себестоимость показывающая во что обходится предприятию выпускаемая им продукция. В себестоимость включаются как перенесенные на продукцию затраты прошлого труда (амортизация основных фондов, стоимость сырья, материалов, топлива и других материальных ресурсов), так и расходы на оплату труда (заработная плата) всех категорий работников предприятия. Таким образом, себестоимость является тем обобщающим показателем, который характеризует используемые в производстве ресурсы. Следовательно, от величины себестоимости, целесообразности и обоснованности включаемых в нее затрат во многом зависит эффективность производства.
1.4 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-техническими особенностями.
В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты могут входить микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое нап

Заказать эту работу прямо сейчас

Посмотреть другие готовые работы по предмету РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

© 2002-2024 Москва 'Мастерская дипломов'. Все права защищены.