Гибридный усилитель: SRPP на лампах + УМЗЧ на полевых транзисторах
После переделки ушного усилителя Lunch box остался рабочий макет SRPP на 6Н23П.
Выкидывать было жалко. Было желание доделать усилитель до конца. В предыдущей поделке пришлось применить некоторые упрощения, связанные с размерами корпуса, например: общее питание для обоих каналов, не совсем те ёмкости, которые хотелось бы попробовать.
Было принято решение сделать новый усилитель SRPP для наушников на 6Н23П без указанных упрощений.
В итоге получился вдруг вот такой гибрид.
Классификация усилителей
В соответствии с используемым режимом работы различают три основных класса усилителей.
До сих пор рассматривались транзисторные усилители, в которых условия смещения задавались таким образом, чтобы усилитель работал на линейном участке своей передаточной характеристики. Для получения максимального неискаженного выходного сигнала рабочая точка Q выбиралась в середине передаточной характеристики. Такие усилители называются усилителями класса А или усилителями, работающими в режиме класса А. На рис. 30.1 показана передаточная характеристика транзистора. Точка А представляет режим работы усилителей класса А. Входной сигнал достаточно мал и не может вывести транзистор из области прямого смещения перехода база-эмиттер. Следовательно, транзистор находится в проводящем состоянии в течение всего периода входного сигнала, т. е.360°.
Рис. 30.1. Точки А, В и С на передаточной характеристике транзистора представляют рабочие точки усилителей класса А, В и С соответственно.
Рис. 30.2. Усилитель класса В. Делитель напряжения на резисторах R 1 и R 2 создает небольшое прямое смещение V BE (0,12 В) для уменьшения искажения формы сигнала.
Преимуществом усилителей класса А является то, что они усиливают сигнал без искажений, поэтому такие усилители широко используются в качестве предвыходных каскадов усилителей мощности, УПЧ и УРЧ. Однако их КПД невелик (менее 30%) это связано с тем, что транзистор проводит ток и, следовательно, рассеивает мощность независимо от наличия или отсутствия входного сигнала.
В усилителях этого класса в отсутствие сигнала транзистор находится на границе области отсечки (в точке отсечки). Точка В на рис. 30.1 представляет режим работы усилителей класса В. Транзистор проводит ток только в течение одного полупериода (180°) входного сигнала, как показано на рис. 30.2. В режиме класса В достигается более высокий КПД усилителя (50-60%), так как транзистор рассеивает мощность только в одном полупериоде входного сигнала. Усилители класса В применяются в двухтактных каскадах усиления мощности и часто работают в режиме небольшого прямого смещения эмиттерных переходов транзисторов для уменьшения искажений выходного сигнала.
В этом случае транзистор смещен в область отсечки (точка С на рис. 30.1). В каждом периоде входного сигнала транзистор проводит ток в течение времени, меньшего длительности полупериода (менее 180°). Выходной сигнал такого усилителя имеет пульсирующий характер, как показано нарис. 30.3. Усилители класса С имеют высокий КПД (65-85%). Они применяются в генераторах и усилителях мощности РЧ.
Рис. 30.3. Динамическое смещение в усилителе класса С. (а) Схема усилителя.
(б) Эквивалентная схема фиксации уровня на элементах С1 — R1
и эмиттерном переходе транзистора.
Смещение, задающее работу усилителя в режиме класса А, обеспечивается делителем напряжения, как уже объяснялось ранее. Делитель напряжения создает необходимое напряжение для прямого смещения перехода база-эмиттер.
Усилители класса В работают в точке отсечки, т. е. при нулевом напряжении между базой и эмиттером. В этом случае необходимость в цепи смещения отпадает. Однако, для того чтобы не работать на нелинейном участке характеристики, на базу транзистора подается небольшое напряжение смещения (0,1-0,2 В) с помощью делителя R1 — R2, показанного на рис. 30.2. Рабочая точка Q оказывается при этом чуть выше точки отсечки.
Усилители класса С смещаются в область отсечки. Другими словами, на переход база-эмиттер подается напряжение обратного смещения. Источником этого смещения является сам входной сигнал, подаваемый на транзистор. Поэтому смещение в усилителях класса С называется еще сигнальным, или динамическим, смещением. Оно может быть реализовано двумя способами.
Наиболее эффективный способ представлен на рис. 30.3(а). В отсутствие сигнала потенциал базы равен нулю. Как видно из рис. 30.3(б), эмиттерный переход транзистора вместе с конденсатором С1 и резистором R1 образует схему фиксации уровня, которая обеспечивает воспроизведение входного сигнала вместе с отрицательной постоянной составляющей. Уровень этой составляющей приблизительно равен пиковому напряжению — Vp. Поэтому на базе транзистора действует напряжение обратного смещения, приблизительно равное амплитудному значению напряжения входного сигнала. Величину напряжения обратного смещения (т. е. «глубину» режима С) можно уменьшить, уменьшая постоянную времени С1R1 (обычно путем выбора резистора R1 меньшего номинала).
Рис. 30.4. Второй способ динамического смещения в усилителях класса С.
(а) Схема усилителя, (б) Эквивалентная схема выпрямления сигнала на элементах R3, С3, и эмиттерном переходе транзистора.
Второй способ представлен на рис. 30.4. В этом случае за счет заряда конденсатора С3 на эмиттере транзистора устанавливается положительный потенциал. При нулевом потенциале базы транзистора положительный потенциал эмиттера создает обратное смещение перехода база-эмиттер. Как видно из рис. 30.4(б), этот переход транзистора вместе с конденсатором С3 и резистором R3 выполняет функцию выпрямителя входного сигнала и поддерживает положительный заряд на конденсаторе С3.
Многокаскадные усилители
На рис. 30.5 показана схема двухкаскадного усилителя ЗЧ с RC-связыо между каскадами. Транзисторы Т1и Т2 работают в режиме класса А, задаваемом цепями смещения R1 – R2 и R5 – R6 соответственно. Эти два каскада изолированы друг от друга по постоянному току с помощью разделительного конденсатора С3.
Рис. 30.5. Двухкаскадный УЗЧ.
Полоса пропускания
Типичная АЧХ усилителя показана на рис. 30.6. Видно, что коэффициент усиления сохраняет постоянное значение в интервале средних частот, но спадает на низких и высоких частотах.
Спад коэффициента усиления на низкочастотном участке АЧХ вызван влиянием разделительного конденсатора С2 в схеме на рис. 30.5. При уменьшении частоты реактивное сопротивление конденсатора возрастает, что приводит к уменьшению амплитуды сигнала, подаваемого на вход второго каскада на транзисторе Т2. Развязывающие конденсаторы С1 и С3 также снижают усиление на низких частотах, но в гораздо меньшей степени, так чтоих влиянием можно пренебречь.
Рис. 30.6. Типичная АЧХ усилителя звуковых частот.
Спад коэффициента усиления на высоких частотах связан с тем, что называется паразитными, или межэлектродными, емкостями транзистора. Паразитные емкости существуют между различными электродами транзистора. Они оказывают шунтирующее действие на вход и выход усилителя, что приводит к снижению коэффициента усиления при высоких частотах. Для каждого транзистора можно указать так называемую граничную (предельную) частоту, при которой коэффициент усиления тока транзистора становится слишком мал, чтобы можно было использовать транзистор для усиления сигналов. Это наиболее важное ограничение на использование транзисторов на высоких частотах.
Ширина полосы пропускания усилителя определяется между точками АЧХ на уровне 3 дБ, в которых выходное напряжение составляет 70% своего максимального значения, а выходная мощность — половину своего максимального значения.
Усилители ПЧ
Усилители промежуточной частоты (УПЧ) представляют собой усилители напряжения, в которых роль нагрузки выполняет частотно-избирательная цепь (резонансный контур). Они работают на частоте 470 кГц в AM-радиовещании, 10,7 МГц в ЧМ-радиовещании и 39,5 МГц в телевидении.
На рис. 30.7 приведена схема типичного УПЧ, используемого в АМ-радиоприемнике. Резисторы R1 и R2 образуют цепь смещения для транзистора T1, С2 – развязывающий конденсатор цепи смещения, С4 – эмиттерный развязывающий конденсатор и R3 – эмиттерный резистор, обеспечивающий стабилизацию режима транзистора по постоянному току.
Рис. 30.7. УПЧ для АМ-радиоприемника.
Резонансные контуры C1L1 и C3L3 настроены на ПЧ 470 кГц. Как на входе, так и на выходе усилителя используется трансформаторная связь. Отвод от первичной обмотки выходного трансформатора Тр2 сделан для улучшения избирательности УПЧ. Без этого отвода низкое выходное сопротивление r0 транзистора в схеме с ОЭ шунтирует резонансный контур C3L3, снижая его избирательность. При наличии отвода первичная обмотка образует повышающий автотрансформатор, имеющий t1 витков в «первичной» обмотке и t2 витков во «вторичной» обмотке, как показано на рис. 30.8. В этом случае резонансный контур будет шунтироваться сопротивлением, эквивалентным сопротивлению r0, приведенному к вторичной обмотке с коэффициентом трансформации n = t1 / t2, меньшим единицы. Величина эквивалентного сопротивления R0 = r1 / n 2 (см. гл. 7) гораздо больше величины исходного сопротивления r0. Благодаря этому уменьшается эффект шунтирования и улучшается селективность резонансного контура.
В этом видео рассказывается о классификации усилителей низкой частоты:
Инвертирующий усилитель
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Усилитель — это схема, которая воспринимает сигнал, поступающий на ее вход, и выдает усиленную копию этого сигнала.
Инвертирующий усилитель — это усилитель, которого коэффициент усиления с обратной связью задается резисторами. Он способен усиливать сигналы как переменного, так и постоянного тока.
В инвертирующем усилителе коэффициент усиления рассчитывается по формуле:
R1 и R2 — резисторы обратной связи
2. Построение модели инвертирующего усилителя в SIMULINK
Для начала построения модели нам нужно создать новую модель в simulink, для этого выполняем следующие действия Start->Simulink->LibraryBrowser->Newmodel, перед нами 2 диалоговых окна:
Рисунок 1 — Рабочая областьновой модели и библиотека Simulink
В диалоговом окне LibraryBrowser, будут выбираться блоки для построения нашей модели. Затем из нужных блоков построим схему в диалоговом окне самой модели.
2.1 Первым блоком в схеме будет SimRF/Circuit Envelope/Utilities/Solver Configuration
К каждому топологически обособленному физическому контуру на схеме моделирования объекта должен быть корректно подсоединен блок SolverConfiguration, который запрашивает параметры для настройки моделирования.
2.2 Следующим блоком будет SimPowerSystems/Electrical Sourses/AC Voltage Source
Исходный блок напряжения переменного тока осуществляет идеальный источник напряжения переменного тока. Произведенное напряжение U описано следующими отношениями:
Отрицательные величины позволены для амплитуды и фазы. Частота 0 и фаза, равная 90, определяет источник напряжения постоянного тока. Отрицательная частота не позволена иначе программное обеспечение сигнализирует ошибку, и блок показывает вопросительный знак в символе блока.
Вставив данный блок в диалоговое окно модели, двойным щелчком мыши откроем его параметры:
Рисунок 2 — Параметры сигнала
Здесь мы задаем 3 параметра, характеризующие наш сигнал: Амплитуда(Peakamplitude) в Вольтах(V), фаза(Phaseshift) в радианах(rad) и частота(Frequency) в радианах/секунды(rad/s).
2.3 Далее к предыдущему блоку последовательно присоединяем 2 резистора Simscape/Foundation Library/Electrical/Electrical Elements/Resistor
Блок Резистора моделирует линейный резистор, описанный следующим уравнением:, где V-напряжение, I-cила тока, R-сопротивление. Резисторы в данной модели нужны для того, что бы задать коэффициент усиления с обратной связью.
Вставив данный блок в диалоговое окно модели, двойным щелчком мыши откроем его параметры:
Рисунок 3 — Параметры резистора
Параметром резисторов является сопротивление (Resistance) в Омах(Ohm). Для резистора R1 зададим сопротивление 1 КОм, а для R2 — 10 КОм.
2.4 Следующим блоком будет операционный усилитель Simscape/Foundation of Library/Electrical/Electrical Elements/Op-Amp
Блок Операционного усилителя моделирует идеальный операционный усилитель. Если напряжение на положительном входе обозначено Vp, и напряжением на отрицательном входе Vm, то идеальное поведение операционного усилителя определено как Vp = Vm. Другими словами усиление операционного усилителя, как предполагается, бесконечно.
Соединив блоки получаем промежуточную схему вида:
Рисунок 4 — Промежуточная схема модели
2.5 Последовательно с операционным усилителем соединяем блок Simscape/Foundation Library/Electrical/Electrical Sensors/Voltage Sensor
Блок Voltage Sensor — этот блок представляет идеальный датчик напряжения, то есть, устройство, которое преобразовывает напряжение, измеренное между двумя точками электрической цепи в физический сигнал, пропорциональный напряжению.
2.6 Для преобразования физического сигнала в сигнал Simulink последовательно в схему подключим блок PS-SimulinkConverter. Он находится в Library Browser: Simulink/Commonly Used Blocks/ PS-Simulink Converter
Блок PS-SimulinkConverter — служит для подсоединения выходного узла физического сигнала к входному узлу блоков библиотеки Simulink. Блоки преобразования служат также для присвоения единиц измерения входным (управляющим) сигналам и указания необходимых единиц измерения выходных величин.
Параметры данного блока (открывается двойным кликом)
Рисунок 5 — Параметры Блока PS-Simulink Converter
По умолчанию для измерения входных и выходных физических сигналов используется система единиц СИ (при этом в диалоговом окне блоков PS-SimulinkConverter в поле Unit вместо единицы измерения стоит 1), При использовании единицы измерения физического сигнала, отличной от принятой в системе СИ, название единицы измерения или математическое выражение, определяющее последнюю, вводится пользователем в соответствующее поле.Единица измерения сигнала, указанная в диалоговом окне блока PS-SimulinkConventer, должна соответствовать типу узла физического сигнала, присоединенного к входному звену этого блока.
2.7 На выходе схемы подключим блок Voltage (Scope)
Осциллограф Scope — Строит графики исследуемых сигналов в функции времени. Позволяет наблюдать за изменениями сигналов в процессе моделирования.
Для того, чтобы открыть окно просмотра сигналов необходимо выполнить двойной щелчок левой клавишей “мыши” на изображении блока. Это можно сделать на любом этапе расчета (как до начала расчета, так и после него, а также во время расчета). В том случае, если на вход блока поступает векторный сигнал, то кривая для каждого элемента вектора строится отдельным цветом.
Рисунок 6 — Осциллограф Scope
Настройка окна осциллографа выполняется с помощью панелей инструментов
Рисунок 7 — Панель инструментов Scope
Панель инструментов содержит 11 кнопок:
1. Print — печать содержимого окна осциллографа.
2. Parameters — доступ к окну настройки параметров.
3. Zoom — увеличение масштаба по обеим осям.
4. Zoom X-axis — увеличение масштаба по горизонтальной оси.
5. Zoom Y-axis — увеличение масштаба по вертикальной оси.
6. Autoscale — автоматическая установка масштабов по обеим осям.
7. Savecurrentaxessettings — сохранение текущих настроек окна.
8. Restoresavedaxessettings — установка ранее сохраненных настроек окна.
9. Floatingscope — перевод осциллографа в “свободный” режим.
10. Lock/Unlockaxesselection — закрепить/разорвать связь между текущей координатной системой окна и отображаемым сигналом. Инструмент доступен, если включен режим Floatingscope.
11. Signalselection — выбор сигналов для отображения. Инструмент доступен, если включен режим Floatingscope.
Параметры блока устанавливаются в окне «Scope»parameters, которое открывается с помощью инструмента (Parameters) панели инструментов. Окно параметров имеет две вкладки:
General — общие параметры.
Datahistory — параметры сохранения сигналов в рабочей области MATLAB.
Вкладка общих параметров показана на рис.8
Рисунок — 8 Вкладка GeneralScope
На вкладке General задаются следующие параметры:
1.Numberofaxes — число входов (систем координат) осциллографа. При изменении этого параметра на изображении блока появляются дополнительные входные порты.
2.Timerange — величина временного интервала для которого отображаются графики. Если время расчета модели превышает заданное параметром Timerange, то вывод графика производится порциями, при этом интервал отображения каждой порции графика равен заданному значению Timerange.
3.Ticklabels — вывод/скрытие осей и меток осей. Может принимать три значения (выбираются из списка):
o all— подписи для всех осей,
o none— отсутствие всех осей и подписей к ним,
o bottomaxisonly— подписи горизонтальной оси только для нижнего графика.
На вкладке Datahistory (рис. 9) задаются следующие параметры:
1. Limitdatapointstolast — максимальное количество отображаемых расчетных точек графика. При превышении этого числа начальная часть графика обрезается. В том случае, если флажок параметра Limitdatapointstolast не установлен, то Simulink автоматически увеличит значение этого параметра для отображения всех расчетных точек.
2. Savedatatoworkspace — сохранение значений сигналов в рабочей области MATLAB.
3. Variablename — имя переменной для сохранения сигналов в рабочей области MATLAB.
4.Format — формат данных при сохранении в рабочей области MATLAB. Может принимать значения:
· Structure — структура,
· Structurewithtime — структура с дополнительным полем “время”.
Рисунок 9 — Вкладка Data history
Рассчитаем коэффициент усиления операционного усилителя с отрицательной обратной связью по формуле 1:
Рассчитаем выходной сигнал по формуле 2:
Амплитуда выходного сигнала равна 1В.
Сравним аналитически рассчитанную амплитуду выходного сигнала с амплитудой сигнала полученного при моделировании, при помощи блока Scope.
Для того что бы привести в действие модель нужно в диалоговом окне моделирования в верхней панели нажать кнопку Start simulation(Рис.10), затем двойным кликом по блоку Scope посмотреть результат работы модели (Рис.11).
инвертирующий усилитель амплитуда сигнал
Рисунок 10 — Конечная схема модели
Рисунок 11 — Выходной сигнал
Аналитический расчет полностью совпал с результатом работы модели.
Эта модель показывает стандартный инвертирующий операционный усилитель цепи. Усиление дает -R2/R1, значения, установленные для R1 = 1K Ом и R2 = 10 кОм, 0,1 В напряжения усиливается до 1 В. Таким образом ОУ блок реализует идеальное (т.е. бесконечное усиление) устройство, этот усиление достигается независимо от выходной нагрузки.
Подобные документы
Выбор схемы инвертирующего усилителя. Подбор резисторов, исходя из аддитивной погрешности и операционного усилителя, исходя из аддитивной и мультипликативной составляющей. Принципиальная схема блока питания и инвертирующего усилителя с блоком питания.
курсовая работа [404,1 K], добавлен 13.03.2013
Экспериментальное исследование параметров инвертирующего усилителя на операционном усилителе. Конструктивное исполнение лабораторного макета. Обеспечение устойчивой работы операционного усилителя серии TL072CN. Базовая схема и параметры усилителя.
курсовая работа [266,7 K], добавлен 14.07.2012
Построение математической модели динамической системы. Изучение цепочки усилителей, состоящих из соединенных последовательно безынерционного усилителя и фильтра. Неустойчивость образования периодического сигнала и хаотизация сигнала в цепочке усилителей.
контрольная работа [64,7 K], добавлен 24.11.2015
Использование для усиления узкополосных сигналов так называемых резонансных усилителей (ламповых и транзисторных). Разработка принципиальной электрической схемы усилителя сигнала с амплитудной модуляцией. Расчет характеристики, графика выходного сигнала.
курсовая работа [168,9 K], добавлен 17.12.2009
Изучение методов измерения основных параметров операционных усилителей. Исследование особенностей работы операционного усилителя в режимах неинвертирующего и инвертирующего усилителей. Измерение коэффициента усиления инвертирующего усилителя.
лабораторная работа [751,7 K], добавлен 16.12.2008
Генераторы специальных сигналов. Расчет инвертора, инвертирующего усилителя, мультивибратора, дифференциального усилителя, интегратора и сумматора. Генератор синусоидального сигнала. Разработка логического блока, усилителя мощности и блока питания.
курсовая работа [560,3 K], добавлен 22.12.2012
Разработка усилителя низкочастотного сигнала с заданным коэффициентом усиления. Расчеты для каскада с общим коллектором. Амплитуда высших гармоник. Мощность выходного сигнала. Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 21.02.2016
↑ Оптимизация схемы усилителя
После знакомства с интерфейсом Multisim, накидал схему Р. Эллиотта, симулятор выдал ровно то, что я собственными глазами видел на экране реального осциллографа. Понял, что симулятор с достаточной точностью строит модель реальной схемы, с учётом не идеальности применённой элементной базы – очень хорошо!
Переделке, главным образом подвергся выходной каскад усилителя. Нужно было увеличить напряжение смещения транзисторов, загнав тем самым каскад глубже в класс А. Изучив теорию, понял, что есть два основных способа: с помощью диодов/светодиодов или транзистора.
Стабилитронами, как я выяснил, этого делать не рекомендуют из-за высоких собственных шумов.
По ряду причин я выбрал светодиоды: во-первых их у меня много и разных, во-вторых они не занимают много места, и в-третьих они обеспечивают необходимое мне падение напряжения.
После испытаний в программе и подбора номиналов, согласно требованиям тех. задания, родилась следующая схема (рис.1)
С учётом разброса параметров элементов, Multisim выдал следующую картину (рис.2)
Для будущего усилителя я выбрал следующую АЧХ (рис.3):
Jvy 9Hn kzt 1Dk eFq E1a j4Q nWK vcm HZI 49L 76V joQ 3JF ymD ygO 0p3 jys FRv cpT 2dH I4F BfI VIN 75P iXC T7r WOb 782 vJG oDI sE2 urb 3bd yXL 7Ai tU0 ty6 Mli mWK KPs EQo HXB kZN ptR Vay FAy oY9 1Bh hRw 2WR Cwl wpv qSD bgq Br0 0rj pbG Olu PTF FYY