Московский орденаЛенина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени ГосударственныйТехнический Университет имени Н.Э. Баумана
Факультет ЭИУК
Кафедра ЭИУ –1 КФ
РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКА
к курсовой работепо микросхемотехнике
на тему: “Усилительмощности звуковой частоты“
Студент: Перцев А.М.
Группа: РПД — 71
Руководитель проекта: Лоскутов С.А.
Калуга 2007 г.
Задание
Промоделировать схему усилителя НЧ на МДП- транзисторах впрограмме Multisim 8. Также проверить характеристики получившийся схемы насоответствие техническим характеристикам данного усилителя используя следующиеанализы, входящие в пакет Multisim 8:
— Анализ по переменному току (АЧХ, ФЧХ);
— Анализ Фурье;
— Переходный анализ;
— Температурный анализ;
— Параметрический анализ;
— Анализ сигнал/шум
-Анализ искажений
— THD анализ
Введение
В настоящее время в технике повсеместно используютсяразнообразные усилительные устройства. В каждом радиоприёмнике, в каждомтелевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением естьусилительные каскады. В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительныеустройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности. Усилитель мощностипредназначен для передачи больших мощностей сигнала без искажений во внешнюю нагрузкув качестве которой обычно выступает акустическая система. Обычно они являютсявыходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителямощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности.
Усиление напряжения в усилителе мощности являетсявторостепенным фактом. Для того чтобы усилитель отдавал в нагрузку максимальнуюмощность, необходимо выполнить условие RВЫХ=RН. Основными показателямиусилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность PН,коэффициент полезного действия, коэффициент нелинейных искажений KГ и полосапропускания АЧХ. Значительный запас мощности, которым обладает усилитель,позволяет получить большой динамический диапазон громкостей, что повышаетестественность звучания, улучшает стабильность работы при номинальной мощностии обеспечивает незначительные нелинейные искажения. Максимальная выходнаямощность, которая может быть передана в нагрузку, полностью определяетсяпараметрами выходных транзисторов. Поэтому для усилителей мощности типичнымявляется применение в оконечном каскаде высоковольтных транзисторов повышенноймощности, потребляющих больщую энергию от источника питания. В свою очередь,максимальное использование выходных транзисторов по напряжению и току приводитк росту нелинейных искажений.
Снижение уровня нелинейных искажений достигается восновном введением глубокой ООС. Однако при этом возрастает запаздываниесигнала на выходе и в цепи ООС, что является причиной динамических искажений.
На слух динамические искажения проявляются в виде потеривысших частот, неестественным оттенке звучания. Степень динамических искаженийоценивается по скорости нарастания выходного напряжения усилителя мощности. Дляуменьшения динамических искажений в высококачественных усилителях глубина ООСограничивается в пределах 20..30 дБ.
В качестве оконечных применяют мощные высокочастотныебиполярные и полевые транзисторы, которые позволяют повысить диапазонусиливаемых частот и тем самым повысить быстродействие усилителя.
Меры, применяемые для снижения динамических искажений,приводят к возрастанию нелинейных искажений, и условие обеспечения их на низкомуровне является противоречивым.
Режим работы оконечного каскада определяется режимомпокоя (классом усиления) входящих в него комплементарных пар биполярныхтранзисторов. Существует пять классов усиления: А, В, АВ, С и D.
Режим класса А характеризуется низким уровнем нелинейныхискажений (KГ = 1%) низким КПД (
Режим класса В характеризуется большим уровнем нелинейныхискажений (KГ=10%) и относительно высоким КПД (
Режим класса АВ занимает промежуточное положение междурежимами классов А и В. Он применяется в двухтактных устройствах. В режимепокоя транзистор лишь немного приоткрыт, в нём протекает небольшой ток IБ0, выводящийосновную часть рабочей полуволны Uвх на участок ВАХ с относительно малойнелинейностью. Так как IБ0 мал, то здесь выше, чем в классе А, но ниже, чем вклассе В, так как всё же IБ0 > 0. Нелинейные искажения усилителя,работающего в режиме класса АВ, относительно невелики (KГ=3%) .
Внедрение в современную инженерную практику различныхметодов автоматизированного проектирования позволило перейти от макетирования,традиционно проводившегося для разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию спомощью ЭВМ. Кроме того, при помощи ПК возможно осуществление сквозногопроектирования, включающего в себя:
синтез структуры и принципиальной схемы устройства;
анализ характеристик в различных режимах с учетомразброса параметров компонентов, наличия факторов дестабилизирующих работуустройства и параметрическую оптимизацию;
синтез топологии, включая размещение элементов на плате иликристалле и разводку меж соединений;
верификацию топологии;
выпуск конструкторской документации.
В данной работе, с помощью современных средствпроектирования и разработки электронных схем, промоделирована работа схемыусилителя мощности звуковой частоты на зарубежных аналогах отечественныхэлементов, а также на созданных в процессе работы моделях отечественныхактивных элементах. Для данной схемы были получены ее основные характеристики(АЧХ, ФЧХ, коэффициент искажений, переходная характеристика и другие), а такжезависимость амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик от температурыи параметра регулировочного элемента (резистора, определяющего ток покоятранзисторов выходного каскада). Перечисленные анализы были проведены как длясхемы на импортных аналогах, так и на отечественных моделях. Для сравнительногоанализа характеристик импортных и отечественных транзисторов и диодов былипостроены их вольт-амперные характеристики с помощью программы PSpice. Вкачестве среды для моделирования работы схемы применялась программа ElectronicsWorkbench Multisim8.
Теоретические сведения об устройстве
К достоинствам описываемых усилителей можно отнестинизкий коэффициент гармонических искажений во всей полосе рабочих частот,плавное ограничение максимальных уровней сигнала. Высокое выходноесопротивление одного из усилителей способствует уменьшению интермодуляционныхискажений головок в средне- и высокочастотной полосе. Низкое выходноесопротивление другого демпфирует громкоговоритель в широкой полосе частот.
Исходя из перечисленных особенностей работы усилителя игромкоговорителя, было разработано два усилителя. В первом из них (его схема нарис. 1) имеются две петли общей ООС: по переменному току — через R5, С6 и попостоянному напряжению — через интегратор на DA1. Применение интегратораисключает постоянную составляющую на выходе усилителя даже при ее наличии навходе, например, из-за утечки переходного конденсатора на выходе темброблокаили линейного усилителя. Такое решение благоприятно сказывается и надемпфировании громкоговорителя. Усилитель имеет практически нулевое выходноесопротивление на инфранизких частотах и на постоянном токе, что эквивалентнодемпфированию громкоговорителя вторичной обмоткой трансформаторного УМЗЧ налампах. При этом исключаются возникающие с некоторыми транзисторными УМЗЧинфранизкоча-стотные колебания низкочастотной головки.
В выходном каскаде в двухступенчатом усилителе токаприменены БСИТ. Такие транзисторы отличаются высокой крутизной, малымостаточным напряжением насыщения, быстрым переключением и относительно высокимкоэффициентом передачи по току в линейном режиме.
Используемые в усилителе дифференциальные каскады сместной ООС, как известно, отличаются повышенной перегрузочной способностью, аискажения в них в значительной степени компенсируются.
/>
Диодами VD3—VD6 достигаются необходимые сдвиги уровня дляобеспечения режима транзисторов VT10, VT12. Суммирование сигналов сповторителей на VT7, VT9 и VT8, VT13 происходит соответственно на транзисторахVT10 и VT12. Резисторы R20. R21 являются, с одной стороны, местной ОС для VT10,VT12, с другой — нагрузкой эмиттерных повторителей на транзисторах VT9, VT13.
Ограничение сигнала на выходе второго каскада, асоответственно и усилителя в целом, происходит раньше, чем в обычныхусилителях, примерно на 3 В (за счет падения напряжения на транзисторах VT9,VT13). При этом с дальнейшим ростом входного напряжения не происходит жесткогоограничения сигнала, так как транзисторы VT10, VT12 переходят в режим плавногонасыщения. Таким образом, амплитудное значение сигнала на выходе усилителятакое же, как в обычном усилителе, но без жесткого ограничения. Этосхемотехническое решение позволяет получить характер искажений при перегрузке,подобный ламповым усилителям.
Термостабилизацию каскада обеспечивает транзистор VT14.Ток покоя каждого из выходных транзисторов VT17—VT20 на уровне около 80 мАустанавливают резистором R24.
При исправных деталях налаживание усилителя сводится кустановке тока покоя каждого из выходных транзисторов в пределах 60… 100 мА.
/>
Выходные каскады усилителя с низким выходнымсопротивлением, более подходящего для громкоговорителя НЧ, выполнены на болеедоступной элементной базе (рис. 2). Остальная часть схемы практическианалогична рассмотренной ранее (на рис. 1 она отделена штрихпунктирной линией).
Двухтактный выходной каскад на VT15—VT18 выполнен посхеме ОЭ-ОЭ с глубокой ООС. Цепь смещения на диодах VD9, VD10 дополненарезисторами R23, R24, которые обеспечивают малые изменения входногосопротивления каскада и тока через диоды VD9, VD10 даже при отсечке тока впротивоположном плече каскада.
Защита от короткого замыкания в нагрузке выполнена надиодах VD11, VD12.
В качестве VT7, VT9, VT13 можно использовать транзисторытипа КТ3102 с любым буквенным индексом. При напряжении питания до ±30 В вкачестве VT11, VT16 подойдут транзисторы типа КТ626В. a VT12, VT15 — КТ646А.Транзисторы VT15, VT16 снабжены небольшими пластинками — теплоотводами. Длядополнительной термостабилизации диоды VD16, VD17 монтируют вместе с резисторамиR33, R34 непосредственно на выводах выходных транзисторов. При использовании впозициях VT11. VT12, VT15, VT16 транзисторов серий КТ850, КТ851 емкостьконденсаторов СЮ, С11 можно уменьшить до 150 пф, а С12, С13 — до 39 пФ. Дляповышения устойчивости усилителя желательно включить в базы транзисторов VT10,VT12 (см. рис. 1) и VT10—VT13 (рис. 2) резисторы сопротивлением 50—100 Ом, чтопозволит уменьшить емкости конденсатеров СЮ—С13 или даже отказаться от них.
При налаживании усилителя (сначала без мощных транзисторовVT17, VT18, см. рис. 2) его включают и, подав сигнал от генератора, убеждаютсяв работоспособности устройства без нагрузки. Затем, подключив выходныетранзисторы, проверяют его под резистивной нагрузкой как с помощьюсинусоидального сигнала, так и сигнала «меандр» до частоты 20 кГц.Выходной сигнал должен быть чистым, без какого-либо выброса или«звона». Особое внимание следует обратить на форму выходного сигналапри выходе усилителя из перегрузки по напряжению. На синусоидальном сигнале недолжно быть никаких признаков даже кратковременного возбуждения.
Параметры усилителя, показанного на рис. 2, можноулучшить, применив в качестве выходных транзисторов более высокочастотныесоставные транзисторы или отдельные транзисторы с частотой единичного усиленияне ниже 20 МГц.
Основные технические характеристики УМЗЧ
Цепи ООС (R5, С6) и С1 отключены;
R= 4 Ом
Коэффициент усиления,
не менее1000
Коэффициент гармоник, % ,
не более, на частоте
1000 Гц 0,5
10 кГц 0,6
20 кГц 0,9
Полоса пропускания, кГц 110
Цепи ООС и ФНЧ (С1) включены; R = 4 Ом
Коэффициент усиления 16
Глубина ООС. дБ36
Коэффициент гармоник, % ,
не более, на частоте
1000 Гц 0,02
10 кГц 0,02
20 кГц 0,03
Номинальнаявыходная мощность, Вт 60
Полоса усиливаемых частот,
малосигнальная, кГц 130
Входное сопротивление, кОм 5
Таблица 1. Импортные аналоги отечественных транзисторов иоперационных усилителей.Номер по схеме Отечественный элемент Импортный аналог Транзисторы VT1 КТ6117А 2N5551 VT2 КТ6116А 2N5401 VT7 КТ3117А 2N2222 VT8 КТ3108А 2N3250 VT11 КТ9115А BF423 VT12 КТ940А BF471 VT17 КТ825А MJE15029 VT18 КT827A EL2006G Диоды VD1 КС212А BZX84-C12 VD3 КД522Б IN4148 VD13 КД208А IN4007 ОУ DA1 КР544УД1А LF411CN
Моделирование УМЗЧ
Подобрав аналоги к отечественным элементам построим схему(рис.3), воспользовавшись программой Elektronics Workbench (EWB) (Multisim 8).
Анализ работы
Прежде чем проводить анализы требуется проверитьработоспособность схемы на импортных элементах, т.е. проверить соответствиепараметров в полученной схеме.
Проверим усиление на выходе, для этого установим на входисточник синусоидального сигнала AC Voltage со следующими параметрами:
Напряжение- 1.41В
Частота- 20КГц
Сигнал на нагрузке снимем с помощью осциллографа:
/>
Рис.4.Выходной сигнал схемы на зарубежных элементах.
/>
Рис.5 Выходной сигнал схемы на отечественных элементах.
Определим мощность, которая выделяется на выходной нагрузке:
/>
Создание моделей
Для создания моделей отечественных элементоввоспользуемся встроенной программой Multisim 8: Create Component />
Модель транзистора.
1. Вводим имя транзистора и ставим точку в пункте SimulationOnly (model)
/>
2. Вводим число выводов.
/>
3. Выбираем графическое обозначение для элемента. Дляэтого воспользуемся стандартной библиотекой Multisim 8. Нажимаем Copy fromDB.Выбираем любой PNP транзистор и нажимаем Ok затем Next.
/>
4. Нажимаем Next.
5.В поле Model Data вводим параметры Pspice моделитранзистора. Нажимаем Next.
/>
6. Выставляем номера выводов:
E (Emitter)-3
C (Collector)-1
B (Base)-2
Нажимаем Next.
/>
7. Выбираем в пользовательской библиотеке разделTransistors. Нажимаем Add Family и вводим название семейства для транзистора,например KT. Нажимаем Ok и Finish.
/>
Примечание: модель ОУ создается аналогично
Анализ схемы
Линейные искажения обусловлены влиянием реактивныхэлементов усилителя — конденсаторов и катушек, сопротивление которых зависит отчастоты. Эти искажения имеются и в линейном усилителе, например, при усиленииочень слабых сигналов, когда нелинейность активных элементов усилителя можно неучитывать.
К линейным искажениям относятся: частотные, фазовые ипереходные искажения. Частотные искажения в усилителях являются следствиемнеодинаковости коэффициента усиления на различных частотах в пределах заданнойполосы пропускания. Из-за них нарушаются реальные соотношения между амплитудамикомпонент сложного колебания, а это значит, что меняется энергетический спектрсигнала, искажается форма звукового сигнала, что приводит к значительномуизменению тембра звука. При больших частотных искажениях звучание различныхмузыкальных инструментов теряет прозрачность, речь делается неразборчивой. Есликоэффициент усиления на верхних частотах звукового диапазона больше чем нанижних, то передача становится ненатуральной: звук теряет свою сочность, тембрполучается звенящим, металлическим. При сильном подъеме нижних частот тембрпередачи становится глухим, все низкие ноты оказываются ненатуральноподчеркнутыми. Для неискаженного воспроизведения колебаний звуковой частотынеобходимо равномерно усиливать все частоты в пределах некоторой полосы.
Частотные искажения, вносимые усилителем, оценивают поамплитудно-частотной характеристике (АЧХ). Количественно они определяютсянормированным коэффициентом усиления М (его часто называют коэффициентомчастотных искажений), равным отношению коэффициента усиления на данной частотеК к коэффициенту усиления на средних частотах Ко:
M=K/K0.
В логарифмических единицах он равен G[дБ]=20lgM.
Область АЧХ, в которой G практически не зависит отчастоты (обычно от 200 Гц до 10 кГц), называют областью средних частот. Нижнейfн и верхней fв граничными частотами называют такие, на которых G уменьшаетсядо заданного (допустимого) значения Gдоп относительно коэффициента усиления насредних частотах. Область частот от fн до fв -рабочий диапазон частот, илиполоса пропускания усилителя.
Коэффициенты частотных искажений на низших GН и высших GВчастотах
Gн = 20 lg [К (/fн)/К0], Gв = 20 lg [К (fв)IK0].
В многокаскадном усилителе общий коэффициент частотных искаженийна любой частоте равен сумме коэффициентов частотных искажений в отдельныхкаскадах.
/>
/>
Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика усилителя ЗЧ
Их взаимной коррекцией можно добиться, что усилитель вцелом будет иметь плоскую АЧХ.
На практике усилители ЗЧ, выполненные по большинствусхем, имеют некоторый спад усиления в области нижних и верхних частот из-заналичия реактивных элементов и частотных свойств транзисторов. Степень линейныхискажений усилителя ЗЧ для отечественной бытовой аппаратуры задается по ГОСТ24388—80. У лучших образцов усилительных узлов неравномерность АЧХ в диапазонерабочих частот не должна превышать 0,5… 1,5 дБ. Для уменьшения линейныхискажений диапазон рабочих частот усилителя выбирают шире диапазона частот,воспроизводимых акустическими системами.
Амплитудно-частотная характеристика усилителей натранзисторах в области верхних частот определяется емкостями эмиттерного иколлекторного переходов, в области нижних частот — емкостью разделительных иблокировочных конденсаторов. Чтобы расширить частотный диапазон в сторонуверхних частот, либо уменьшают сопротивления на входе и выходе резистивногокаскада, либо выбирают более высокочастотный транзистор. Диапазон усиливаемыхчастот может простираться до 100 кГц и более, что приводит к исчезающе малымлинейным искажениям. Однако без специальных мер это обстоятельство приводит ктаким нежелательным явлениям, как усиление низкочастотных помех (20… 100кГц), создаваемых промышленными установками, генерация на высоких частотах,усиление остаточных напряжений ПЧ с детектора приемника и т. д. Появляютсянелинейные искажения, вызываемые интерференцией звуковых и поднесущих частотпри работе с тюнером или приемником.
Фазовые искажения являются результатом вносимыхусилителем фазовых сдвигов между различными частотными компонентами сложногозвукового сигнала, вследствие чего искажается форма.
/>
Рис. 7. Искажение формы сложного сигнала при сдвиге фазыодной из его составляющих.
Фазовые искажения в усилителе оценивают по фазочастотнойхарактеристике (ФЧХ). Эта характеристика представляет собой зависимостьфазового сдвига Δφ выходного напряжения (тока) относительно входногоот частоты при действии на входе усилителя синусоидального сигнала.
Типичная ФЧХ усилителя изображена на рис. 6 непрерывнойлинией. При Δφ ≥О выходное напряжение опережает входное, приΔφ ≤0 — отстает. Не создающая искажений форма сигнала ФЧХпредставляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты:
Δφ(f)=-2π*tз(f-f0)
где tз— групповое время запаздывания.
Групповое время запаздывания представляет собойпроизводную по частоте ФЧХ, т. е.
tз=dφ(t)/(2ndf).
При линейной ФЧХ все спектральные составляющие входногосигнала запаздывают на одинаковое время tз, что не вызывает искажения формысигнала. Если ФЧХ нелинейная, то различные спектральные составляющие входногосигнала будут запаздывать на различное время, форма выходного сигналаисказится, верность воспроизведения музыкального произведения нарушится.
Количественной оценкой фазовых искажений служитнелинейность ФЧХ реального усилителя, равная разности между реальной ФЧХусилителя и аппроксимирующей ее линейной функцией в рабочем диапазоне частот.Аппроксимировать ФЧХ удобнее ломаной линией, образованной прямолинейными отрезками(на рис. 5 отмечены цифрами 1, 2, 3).
/>
Рис. 8. Фазо-частотная характеристика усилителя ЗЧ
По абсолютному значению фазовых сдвигов на низшейΔφн и высшей Δφв частотах судят об устойчивости усилителейс глубокой обратной связью. В высококачественных усилителяхзвуковоспроизведения фазовые искажения Δφ в рабочем диапазоне частотне должны превышать 4,,,5°. Расчеты показывают, чтобы нелинейность фазовойхарактеристики в пределах рабочего диапазона была меньше 2°, полосу пропусканияусилителя нужно расширить в обе стороны в 2,5 раза, т. е. для усилителейвысококачественного звуковоспроизведения, имеющих малые фазовые искажения,полоса пропускания должна быть 8… 50 000 Гц.
Амплитудные и фазочастотные характеристики схемы.
Для этого в меню Simulate/Analyses выберем AC Analysis.Зададим следующие параметры анализа: начальная частота 10Гц; конечная частота100КГц; вертикальная шкала в децибелах; Анализ проведем для обеих схем.Результаты анализа приведены на рис.8
/>
Рис.8.АЧХ и ФЧХ
Вывод: область частот от 10Гц до 20кГц является рабочим,как для схемы собранной для на аналогах, так и для схемы собранной на моделях,диапазоном частот или полосой пропускания. В данной области коэффициентусиления мало зависит от частоты. В рабочем диапазоне частот не происходитзначительного искажения амплитуды выходного сигнала. Неравномерность АЧХ вдиапазоне рабочих частот не превышает 2 дБ. Уменьшение амплитуды на высокихчастотах обусловлено возрастающим влиянием паразитных емкостей и индуктивностейсоставляющих элементов схемы.
Переходный анализ
Реальный звуковой сигнал имеет сложную импульсную форму.В высококачественных усилителях требуется высокая верность сохранения формывходного сигнала. Изменение формы сигнала на выходе усилителя зависит как отамплитудно-частотных, так и фазо-частотных искажений. Ожидаемое изменение формысигнала может быть легко определено анализом переходных процессов в цепяхусилителя, обусловленных наличием реактивных элементов. Поэтому дляколичественной оценки искажений из-за переходных процессов, приводящих кизменению формы сигнала, удобно проанализировать переходную характеристику (ПХ)усилителя.
Переходная характеристика есть реакция h(t) усилителя навоздействие единичной функции 1 (t) (рис. 10) и представляет собой зависимостьмгновенного значения выходного напряжения усилителя Uвых(t) от времени прискачкообразном изменении напряжения на входе усилителя.
Переходные искажения оцениваются искажениями фронта иплоской вершины импульса. Обычно в усилителях ЗЧ искажения плоской вершиныимпульса можно не исследовать, так как они связаны с искажениями инизкочастотном участке сигнала, которые легко проанализировать по АЧХусилителя. Искажения фронта импульса оценивают по его длительности tф и выбросуδφ (см. рис.10).
Они приводят к динамическим искажениям, которыепроявляются в виде завала фронта резких перепадов уровня реального звуковогосигнала и кратковременного возрастания нелинейных искажений в этот момент из-зазапаздывания сигнала отрицательной обратной связи (ООС). Для уменьшениядинамических искажений обычно повышают быстродействие усилителя и уменьшаютглубину ООС.
/>
Рис. 9 Переходная характеристика усилителя ЗЧ
Быстродействие усилителя можно оценить как подлительности фронта, так и по полосе пропускания или максимальной скоростинарастания выходного сигнала Umax. Максимальная скорость нарастания длялинейных систем связана с полосой пропускания (ее верхней границей)соотношением:
Umax=2πfmaxU0max
где fmax— максимальная частота, передаваемая усилителембез искажений;
U0max — максимальная неискаженная амплитуда выходногосинусоидального сигнала.
Однако оконечный усилитель очень редко можно считатьдостаточно близким к линейной системе, особенно на высоких частотах, поэтомуUmax для усилителей мощности ЗЧ оценивают по ПХ.
Значение Umax определяют по ПХ (см. рис. 10) какмаксимальную производную h{t), т.е.
/>
Чем больше скорость нарастания выходного напряжения, темкачественнее воспроизводится звуковая панорама. Характерное значение Umax длявысококачественных усилителей мощности составляет 2… 80 В/мкс. Именно такиеусилители получают высокую оценку со стороны экспертов при определении качествазвуковоспроизведения.
Выброс фронта δφ(см. рис 10) есть относительнаяразность между максимальным значением выходного напряжения Umax и егоустановившимся значением Uу:
/>
Наличие выброса в ПХ приводит к «звонам», к«металлическому» звуку. В высококачественных усилителях выброс δφ недолжен превышать 4...6%.
Скорость нарастания (аналоги) = 15,8/2,29=6,9 В/мкс
Скорость нарастания (модели) = 19,6/2,29=8,55 В/мкс
Вывод: как видно из графика переходной процесс для схемы,собранной на аналогах носит колебательного характера.
Анализ Фурье
Анализ Фурье является методом анализа сложныхпериодических сигналов во времени. Данный анализ позволяет разложить любуюнесинусоидальную периодическую функцию в ряд Фурье, то есть на составляющие sinи cos (возможно, в бесконечный ряд), а так же на постоянные составляющие. Такоеразложение позволяет проводить дальнейший анализ, а так же получатьобъединенные сигналы различных форм.
Учитывая математическую теорему Фурье, о разложении в рядФурье, периодическая функция f(t) может быть представлена следующей формулой:
f(t) = A0 + A1 cosωt+A2 cos2ωt+…+B1 sinωt+B2 sin2ωt +…
где:
А0 — постоянная составляющая входного сигнала
A1 cosωt+B1 sinωt — собственная составляющая(имеет частоту и период равный частоте и периоду входного сигнала)
An cosnωt+Bn sinnωt — n-ная гармоника функции
А, В — коэффициенты
2π/Т -собственная круговая частота, или периодчастоты входного периодического сигнала
Каждая частотная составляющая отклика представляется гармоникойпериодического сигнала. В процессе моделирования каждая составляющаярассчитывается отдельно. Согласно принципу суперпозиции, общий отклик являетсясуммой откликов каждой составляющей. Обратим внимание, что амплитуда гармоникпостепенно уменьшается в порядке возрастания гармоник. При выполнениидискретных преобразований Фурье, используется только второй период собственнойсоставляющей переходной характеристики (извлечённой из выходной цепи). Первыйпериод не учитывается, в связи с временем задержки сигнала, то есть временемпереходного процесса. Коэффициент каждой из гармоник вычисляется из временногоинтервала — от начала периода до точки времени «t». Внутри выбранного интерваладанные для вычисления коэффициента гармоник устанавливаются автоматически, иявляются функциями собственной частоты. Для данного типа анализа, собственнаячастота должна соответствовать частоте источника переменного тока или женаименьшей общей частоте совокупности источников переменного тока.
Вывод: В схеме собранной на моделях величина помех будетбольше, чем в схеме собранной на аналогах. Отсюда можно сделать вывод, чтосхема собранная на аналогах будет работать лучше в рабочем диапазоне частот,чем схема собранная на моделях.
Анализ искажений
Для получения полных гармонических искаженийвоспользуемся Distortion Analyzer, прибором позволяющем получить как значенияполного искажения, так и померить отношение сигнал/шум.
Для проведения такого анализа и получения графикатребуется выполнить следующие действия:
Подключить прибор Distortion Analyzer к выходу усилителя
Выставить частоту на входном генераторе синусоидальногонапряжения и такую же в приборе.
Включить симуляцию и выждать некоторое время дляполучения более точного результата, т.к. в схеме происходит переходный процесс.
Полученный результат записать в таблицу.
Повторить п.2-4 для следующей частоты
Построить график по точкам (данный график построен вMicrosoft Office Excel.
Вывод: схема собранная на моделях имеет меньшиеискажения, чем схема собранная на аналогах.
/>
Рис.13. Зависимость нелинейных искажений от частоты(красным – усилитель, собранный на моделях, синим – на аналогах)
/>
Рис.14.Зависимость нелинейных искажений от выходноймощности
Анализ сигнал/шум
При отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходедействует некоторое (обычно небольшое) напряжение. Это напряжение обусловлено восновном его собственными помехами, среди которых различают фон, наводки,микрофонный эффект, тепловые шумы резисторов и пассивных элементов с активнымипотерями, шумы усилительных элементов.
Фон обычно появляется в результате недостаточнойфильтрации пульсирующего напряжения источника питания, работающего от сетипеременного тока. Гармонические составляющие фона кратны частоте питающей сети.
Наводки образуются из-за паразитных электрических,магнитных, гальванических или электромагнитных связей цепей усилителя систочниками помех.
Микрофонный эффект представляет собой результатпреобразования механических колебаний элементов усилителя в электрические,проходящие на выход усилителя. Спектр этих колебаний занимает диапазон 0,1…10000 Гц. Он заметно проявляется у интегральных усилителей с большимкоэффициентом усилений, выполненных на одной подложке. Чтобы устранить его,используют рациональную конструкцию элементов усилителя, более надежное ихкрепление, демпфирование, применяют амортизирующие устройства.
Тепловые шумы обусловлены тепловым беспорядочным(случайным) движением в объеме проводника (или полупроводника) свободныхносителей зарядов (например, электронов). В результате на концах проводника,обладающего некоторым сопротивлением, действует случайная, флуктуационная ЭДС,называемая ЭДС шума Еш. Поскольку она периодическая функция времени, то ееспектр является сплошным и практически равномерным в диапазоне частот от нулядо сотен мегагерц. Шум с подобным спектром называют белым.
Фон, наводки и микрофонный эффект в усилителе можно, впринципе, уменьшить до любых заданных значений. Тепловые же шумы и шумыусилительных элементов принципиально неустранимы. Обычно удается лишьминимизировать долю шумов, создаваемых усилительными элементами.
Шумовые свойства высококачественных усилителей оцениваютотношением сигнал-шум. Под этой величиной понимают отношение выходногонапряжения сигнала при номинальной выходной мощности усилителя Рном ксуммарному напряжению шумов на выходе. Обычно его выражают в децибелах. Вусилителях высшего класса отношение сигнал-шум достигает 60..110 дБ.
Динамический диапазон усилителя — это отношениемаксимального и минимального входного сигнала усилителя при заданном уровне Кг:
/>
Для высококачественного усилителя максимальное значениевходного сигнала ограничивается нелинейностью амплитудной характеристики ипринимается равным номинальному входному напряжению Uвх.ном, обеспечивающемупоминальную выходную мощность усилителя при заданном коэффициенте гармоник, т.е.
Минимальное входное напряжение Uвх.min должно выбиратьсятаким образом, чтобы собственные помехи и шумы усилителя не маскироваливыходной при этом:
/>
В предельном случае основными помехами в усилителе являютсяшумы, при этом:
/>
где
/>
— коэффициент помехозащищенности. Отсюда динамическийдиапазон усилителя
/>
Видно, что отношение сигнал-шум, равное />, определяет достижимый динамическийдиапазон усилителя. Динамический диапазон является важным техническимпоказателем усилителя и обычно задается ГОСТ. Для лучших высококачественныхусилителей Dу>110 дБ. Источники звуковых сигналов имеют собственныйдинамический диапазон, равный отношению максимального Eиmax и минимальногоЕиmin ЭДС источника сигнала;
Dс = Еиmax/Еиmin
и в логарифмических единицах
Dc [дБ] = 20 Ig Dc.
Динамический диапазон звучания симфонического оркестраможет превышать 80 дБ, художественного чтения — 30 дБ.
Для усиления сигнала с допустимыми нелинейнымиискажениями и помехозащищенностью необходимо, чтобы Dy>Dc
Для увеличения динамического диапазона усилителянеобходимо уменьшать уровень собственных помех, использовать усилительныеэлементы с более линейной характеристикой (применить высоковольтные мощныевыходные транзисторы) и применять ручную или автоматическую регулировкуусиления.
/>
Рис.15.Зависимость сигнал/шум от частоты (красным –усилитель, собранный на моделях, синим – на аналогах)
Вывод: Для усилителя на аналогах отношение сигнал/шумнебольшое на всём звуковом диапазоне, что характеризует усилитель с лучшейстороны.
/>
Рис.16.Зависимость сигнал/шум от выходной мощности
Температурный анализ
Температурный анализ позволяет определить границы рабочихтемператур, т.е. те температуры при которых параметры прибора не изменяются иприбор работает корректно.
Вывод: неравномерность АЧХ линейная вплоть до частоты40КГц. Схема является температурно-устойчивой.
Вывод: для температуры коэффициент усилиения значительноснижается по сравн. С температурой 0 градусов. Схема являетсятемпературно-устойчивой.
/>
Рис.21.Зависимость выходного напряжения от температуры
Параметрический анализ
Параметрический анализ позволяет промоделировать схему сразличными параметрами элементов, что позволяет выбрать оптимальное ихзначение.
Для проведения такого анализа требуется:
Выбрать элемент, параметры которого требуется варьировать
Выбрать параметр, который требуется менять
Выставить выходную цепь
/>Заключение
В ходе выполнения курсовой работы была промоделированасхема УМЗЧ в программе MultiSim 8 и произведен ее анализ, были оценены ееосновные характеристики.
Были проведены следующие исследования:
Анализ АЧХ
Анализ ФЧХ
Анализ переходного процесса
Анализ Фурье
Анализ нелинейных искажений
Температурный анализ
Параметрический анализ
В ходе моделирования были подобраны зарубежные аналогитранзисторов, диодов, стабилитронов и операционных усилителей. Была рассчитанавыходная мощность.
Список литературы
1.Атаев Д.И., Болотников В.А. Практические схемы высококачественногозвуковоспроизведения М.: «Радио и связь» 1986г.
2.БуркоИ., Лямин П. Бытовые акустические системы. — Минск: «Беларусь», 1996.
3. КаяцкасА.А. Основы радиоэлектроники М.: «Высшая школа», 1988г
4.Коссов О.А., «Усилители мощности на транзисторах», Москва, издательство«Энергия», 1964.
6.ЖурналРадио 10,2000 г.
5. РазевигВ.Д., «Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0», М.:«Солон-Р», 2000г.
6. П.Хоровиц, У. Хилл, «Искусство схемотехники», Т.1, Москва, издательство «Мир»,1984.
Приложения
Некоторые параметры моделей:
IS — ток насыщения;
ISE — обратный ток эмиттерного перехода;
ISC — обратный ток коллекторного перехода;
NF — коэффициент неидеальности в нормальном режиме;
NR — коэффициент неидеальности в инверсном режиме;
NE — коэффициент неидеальности эмиттерного перехода;
NC — коэффициент неидеальности коллекторного перехода;
BF — максимальный коэффициент усиления в нормальномрежиме;
BR — максимальный коэффициент усиления в инверсномрежиме;
IKF -точка начала спада зависимости BF от тока коллекторав нормальном режиме;
IKR — точка начала спада зависимости BR от тока эмиттерав инверсном режиме;
NK — коэффициент, определяющий множитель Qt;
ISS — обратный ток р-n перехода подложки;
NS — коэффициент неидеальности перехода подложки;
VAF — напряжение Эрли в нормальном режиме;
VAR — напряжение Эрли в инверсном режиме.
ВАХ транзисторов
/>
Входные ВАХ транзисторов VT1, VT4, VT5 (Q1 – 2N5551(синим), Q2 – КТ6117A (красным))
/>
Выходные ВАХ транзисторов VT1, VT4, VT5 (Q1 – 2N5551(синим), Q2 – КТ6117A (красным))
/>
Входные ВАХ транзисторов VT2, VT3, VT6 (Q1 – 2N5401(синим), Q2 – КТ6116A (красным))
/>
Выходные ВАХ транзисторов VT2, VT3, VT6 (Q1 – 2N5401(синим), Q2 – КТ6116A (красным))
/>
Входные ВАХ транзисторов VT7, VT9,VT13 (Q1 – 2N2222 (синим),Q2 – КТ3117A (красным))
/>
Выходные ВАХ транзисторов VT7, VT9, VT13 (Q1 – 2N2222(синим), Q2 – КТ3117A (красным))
/>
Входные ВАХ транзисторов VT8, VT10, VT14 (Q1 – 2N3250(синим), Q2 – КТ3108A (красным))
/>
Выходные ВАХ транзисторов VT8, VT10, VT14 (Q1 – 2N3250(синим), Q2 – КТ3108A (красным))
/>
Входные ВАХ транзисторов VT11, VT16 (Q1 – BF423 (синим),Q2 – КТ9115A (красным))
/>
Выходные ВАХ транзисторов VT11, VT16 (Q1 – BF423 (синим),Q2 – КТ9115A (красным))
/>
Входные ВАХ транзисторов VT12, VT15 (Q1 – BF471 (синим),Q2 – КТ940A (красным))
/>
Выходные ВАХ транзисторов VT12, VT15 (Q1 – BF471 (синим),Q2 – КТ940A (красным))
/>
Входные ВАХ транзистора VT17 (Q1 – MJE15029 (синим), Q2 –КТ825A (красным))
/>
Выходные ВАХ транзистора VT17 (Q1 – MJE15029 (синим), Q2– КТ825A (красным))
/>
Рис.15. Входные ВАХ транзистора VT18 (Q1 – MJE15028(синим), Q2 – КТ827A (красным))
/>
Рис.16. Выходные ВАХ транзистора VT18 (Q1 MJE15028 (синим),Q2 – КТ827A (красным))