Проектирование усилителя низкой частоты: методика расчета и структура курсовой работы

Введение

Усилитель низкой частоты (УНЧ) является одним из фундаментальных узлов в современной радиоэлектронике. Его основная задача — увеличение мощности и амплитуды сигналов в звуковом диапазоне частот, который простирается от десятков герц до десятков килогерц. Источником такого сигнала может служить микрофон, звукосниматель или выход другого электронного устройства, а в качестве нагрузки обычно выступают громкоговорители, наушники или измерительные приборы. Разработка УНЧ — это классическая инженерная задача, которая позволяет студенту применить теоретические знания на практике.

Курсовая работа по проектированию усилителя является ключевым этапом в формировании профессиональных компетенций будущего инженера-электронщика. Она требует не простого воспроизведения известных схем, а глубокого понимания процессов, происходящих в электронных цепях.

Целью данного проекта является разработка и расчет бестрансформаторного усилителя низкой частоты, который должен соответствовать заранее определенным техническим характеристикам.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий ряд задач:

• Провести анализ теоретических основ работы усилительных каскадов.
• Осуществить выбор и техническое обоснование принципиальной электрической схемы УНЧ.
• Выполнить детальный расчет параметров каждого каскада усилителя по постоянному и переменному току.
• Проанализировать сводные характеристики спроектированного устройства.
• Подготовить и оформить полный комплект проектной документации в виде пояснительной записки.

Пройдя через все эти этапы, мы получим не только готовую схему, но и ценный опыт в проектировании аналоговых электронных устройств.

Глава 1. Теоретический фундамент и анализ схемотехнических решений

Прежде чем приступить к расчетам, необходимо систематизировать теоретические знания. Усилители низкой частоты классифицируются по множеству признаков, но одним из важнейших является режим работы выходного каскада, который определяет его ключевые свойства — экономичность и уровень искажений.

1. Класс A: Транзистор открыт в течение всего периода сигнала. Это обеспечивает минимальные нелинейные искажения, но сопряжено с очень низким коэффициентом полезного действия (КПД), не превышающим 25% в теории. Ток покоя велик, что приводит к значительному нагреву.
2. Класс B: Каждый транзистор двухтактной схемы усиливает только свою полуволну сигнала. КПД теоретически может достигать 78.5%, что гораздо экономичнее класса А. Однако на стыке полуволн возникают специфические искажения типа «ступенька».
3. Класс AB: Является компромиссом между классами A и B. Через транзисторы протекает небольшой ток покоя, достаточный для устранения искажений типа «ступенька», но при этом сохраняется высокая экономичность, близкая к классу B.

В данной работе фокус сделан на бестрансформаторные усилители. Их преимущество заключается в отсутствии громоздкого, тяжелого и дорогого выходного трансформатора, что позволяет расширить частотный диапазон и улучшить габариты устройства.

Для получения высокого коэффициента усиления применяются многокаскадные УНЧ. Типовая структурная схема такого усилителя включает:

• Входной каскад (ВхК): Его главная задача — согласование усилителя с источником сигнала и, при необходимости, начальное усиление. Ключевое требование к нему — обеспечение нужного входного сопротивления.
• Каскад предварительного усиления (КПУ): Здесь происходит основное усиление сигнала по напряжению. Таких каскадов может быть несколько.
• Усилитель мощности (УМ): Это выходной каскад, который обеспечивает требуемую мощность в низкоомной нагрузке.

Для улучшения стабильности параметров и значительного снижения искажений в усилителях широко применяется отрицательная обратная связь (ООС). Часть выходного сигнала подается обратно на вход в противофазе, что позволяет стабилизировать коэффициент усиления и расширить полосу пропускания.

Глава 2. Формулировка технического задания на проектирование

Любое осмысленное проектирование начинается с четко сформулированных требований. Техническое задание (ТЗ) — это документ, который формализует исходные данные и является отправной точкой для всех последующих расчетов. Корректно составленное ТЗ исключает двусмысленность и позволяет объективно оценить результат работы.

Для курсового проекта по УНЧ техническое задание должно включать следующие ключевые параметры:

• Номинальная выходная мощность (Pвых.ном): Мощность, которую усилитель должен отдавать в нагрузку при номинальном уровне сигнала.
• Сопротивление нагрузки (Rн): Стандартное значение, например, 4 или 8 Ом для акустических систем.
• Диапазон воспроизводимых частот (fн – fв): Полоса частот, в которой усиление сигнала происходит равномерно.
• Коэффициент нелинейных искажений (КНИ): Параметр, характеризующий уровень вносимых усилителем искажений. Чем он ниже, тем качественнее звук.
• Входное сопротивление (Rвх): Важно для согласования с источником сигнала.
• Напряжение питания (Uп): Определяет энергетические возможности схемы.

Глава 3. Выбор и обоснование принципиальной схемы усилителя

Имея на руках техническое задание, мы можем приступить к выбору топологии усилителя. Этот выбор должен быть инженерно обоснованным, а не случайным. Главная цель — найти схему, которая наилучшим образом соответствует требованиям ТЗ при разумной сложности.

Исходя из необходимости обеспечить значительное усиление и работать на низкоомную нагрузку, однокаскадная схема, как правило, не подходит. Она не сможет одновременно дать высокий коэффициент усиления по напряжению и по току. Поэтому логичным решением является использование как минимум двухкаскадной структуры, соответствующей классической модели «КПУ + УМ».

Рассмотрим несколько вариантов для анализа:

1. Вариант 1: Усилитель на двух каскадах с общим эмиттером (ОЭ). Такая схема может обеспечить очень высокий коэффициент усиления по напряжению, но имеет высокое выходное сопротивление, что делает ее непригодной для работы непосредственно на низкоомную нагрузку типа динамика.
2. Вариант 2: Каскад с ОЭ (КПУ) + эмиттерный повторитель (УМ). Это классическое и эффективное решение. Первый каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, обеспечивает все необходимое усиление по напряжению. Второй каскад, эмиттерный повторитель, имеет коэффициент усиления по напряжению близкий к единице, но обладает низким выходным сопротивлением, что идеально подходит для согласования с нагрузкой.

Проведя сравнительный анализ, можно утверждать, что схема «ОЭ + эмиттерный повторитель» является оптимальным выбором для нашего проекта. Она сочетает в себе простоту расчета, хорошие усилительные свойства и способность работать на низкоомную нагрузку, что полностью соответствует поставленным в ТЗ задачам.

Именно эта двухкаскадная схема и будет принята за основу для дальнейших детальных расчетов.

Глава 4. Расчет каскада предварительного усиления по постоянному току

Расчет любого усилительного каскада начинается с определения его режима покоя, или, как говорят, с расчета по постоянному току. Цель этого этапа — выбрать такую рабочую точку транзистора, чтобы при подаче переменного сигнала он не входил в режимы насыщения или отсечки. Это гарантирует линейность усиления и минимальные искажения.

Рабочая точка определяется двумя основными параметрами: током коллектора покоя (Iкп) и напряжением коллектор-эмиттер покоя (Uкэп). Правильный выбор этих величин — залог стабильной работы всего устройства.

Приведем пошаговый алгоритм расчета для каскада с общим эмиттером и делителем напряжения в цепи базы:

1. Выбор транзистора: На основе предварительных требований к усилению и напряжению питания выбирается конкретный тип маломощного биполярного транзистора.
2. Выбор тока коллектора покоя (Iкп): Этот ток выбирается в диапазоне от 0.5 до нескольких миллиампер. Оптимальное значение зависит от требуемого усиления и характеристик транзистора.
3. Расчет эмиттерного резистора (Re): Этот резистор вводит местную отрицательную обратную связь по постоянному току, что обеспечивает термостабилизацию режима работы. Напряжение на нем обычно выбирают в пределах 10-20% от напряжения питания.
4. Расчет коллекторного резистора (Rк): От номинала этого резистора зависит коэффициент усиления. Напряжение Uкэп обычно выбирают равным примерно половине оставшегося напряжения (Uп — Ue), чтобы обеспечить максимальный размах выходного сигнала.
5. Расчет резисторов базового делителя (R1 и R2): Эти резисторы задают необходимое напряжение смещения на базе транзистора. Их расчет ведется так, чтобы ток через делитель был примерно в 10 раз больше базового тока транзистора, что делает режим работы независимым от разброса параметров конкретного экземпляра транзистора.

После расчета всех номиналов обязательно выполняется проверка: не выходит ли рабочая точка за пределы области безопасной работы транзистора и обеспечивает ли она достаточный размах выходного напряжения без искажений. Только точный расчет режима покоя позволяет каскаду работать предсказуемо и стабильно.

Глава 5. Расчет параметров предварительного усилителя по переменному току

После того как мы определили режим работы каскада по постоянному току, необходимо рассчитать его ключевые параметры для переменного (полезного) сигнала. Эти параметры определяют, как каскад будет выполнять свою основную функцию — усиливать сигнал.

Основными AC-параметрами каскада являются:

• Входное сопротивление (Rвх): Показывает, какую нагрузку каскад представляет для источника сигнала. Для каскада с ОЭ оно зависит от параметров транзистора и номиналов резисторов базового делителя.
• Выходное сопротивление (Rвых): Определяет способность каскада отдавать сигнал в последующую нагрузку. Для схемы с ОЭ оно примерно равно сопротивлению коллекторного резистора Rк.
• Коэффициент усиления по напряжению (Ku): Главный параметр, показывающий, во сколько раз амплитуда выходного напряжения больше входного. Он напрямую зависит от сопротивления в цепи коллектора и параметров транзистора.

Важную роль в работе усилителя играют разделительные и блокировочные конденсаторы. Их задача — пропускать переменный сигнал между каскадами (или от источника/к нагрузке) и блокировать прохождение постоянного тока, чтобы режимы покоя каскадов не влияли друг на друга.

Емкость этих конденсаторов рассчитывается исходя из требования к нижней граничной частоте (fн) полосы пропускания. Расчет ведется таким образом, чтобы на этой частоте реактивное сопротивление конденсатора было значительно меньше сопротивления цепи, в которую он включен. Это гарантирует, что на низких частотах не будет значительного ослабления сигнала.

Таким образом, расчет по переменному току позволяет нам количественно оценить усилительные и частотные свойства каскада, убедившись, что они соответствуют общей задаче проектирования.

Глава 6. Проектирование и расчет выходного каскада усилителя мощности

Предварительный усилитель обеспечил нам необходимое усиление по напряжению, но он не способен отдать требуемую мощность в низкоомную нагрузку. Эту задачу решает выходной каскад, или усилитель мощности.

Для нашего проекта оптимальным выбором является схема эмиттерного повторителя. Хотя его коэффициент усиления по напряжению близок к единице, он обладает высоким усилением по току и, что самое главное, низким выходным сопротивлением. Это позволяет эффективно согласовать усилитель с нагрузкой (например, с динамиком сопротивлением 8 Ом).

В зависимости от требований к экономичности, выходной каскад может работать в разных режимах:

• Класс А: Простая схема на одном транзисторе. Обеспечивает высокое качество сигнала, но имеет низкий КПД и требует мощного транзистора и радиатора для отвода тепла.
• Класс AB: Двухтактная (push-pull) схема на двух комплементарных транзисторах. Значительно экономичнее класса А, что позволяет получить большую выходную мощность при меньшем нагреве. Это предпочтительный вариант для большинства современных УНЧ.

Расчет выходного каскада включает следующие шаги:

1. Определение максимальных амплитуд: Исходя из заданной выходной мощности и сопротивления нагрузки, рассчитываются максимальные амплитуды выходного напряжения и тока.
2. Выбор транзисторов: Подбираются транзисторы, способные выдержать расчетные максимальные ток и напряжение, а также рассеять соответствующую мощность. Выбор делается с запасом.
3. Расчет режима покоя: Для каскада класса А задается ток покоя, превышающий максимальный ток в нагрузке. Для класса AB задается небольшой начальный ток покоя для устранения искажений «ступенька».
4. Проверка мощности рассеяния: Рассчитывается мощность, которая будет выделяться на коллекторах транзисторов в виде тепла. Это ключевой расчет для выбора системы охлаждения (радиаторов).

Тщательный расчет выходного каскада гарантирует, что усилитель сможет отдать в нагрузку заданную мощность без перегрева и искажений.

Глава 7. Расчет сводных характеристик всего усилителя

После того как все каскады рассчитаны по отдельности, необходимо определить интегральные параметры всего усилителя и сравнить их с исходным техническим заданием. Это позволяет оценить, насколько успешно была решена проектная задача.

Ключевые сводные характеристики многокаскадного УНЧ рассчитываются следующим образом:

• Общий коэффициент усиления по напряжению (Kобщ): Определяется как произведение коэффициентов усиления всех каскадов. Kобщ = Ku1 * Ku2 * ... * Kun.
• Общее входное сопротивление (Rвх.общ): Для последовательно соединенных каскадов оно равно входному сопротивлению первого каскада.
• Общее выходное сопротивление (Rвых.общ): Равно выходному сопротивлению последнего, выходного каскада.
• Коэффициент полезного действия (КПД): Рассчитывается как отношение полезной мощности в нагрузке к полной мощности, потребляемой от источника питания. Этот параметр особенно важен для оценки экономичности усилителя.
• Коэффициент нелинейных искажений (КНИ): комплексно оценивается для всей схемы. Его точный ручной расчет сложен, поэтому на этапе проектирования часто используют оценочные методы или полагаются на результаты последующего моделирования.

Для наглядности и анализа все исходные требования из ТЗ и полученные расчетные значения сводятся в итоговую таблицу.

Сравнение плановых и расчетных характеристик УНЧ

Параметр	Требования ТЗ	Расчетное значение
Выходная мощность, Вт	10	10.5
КНИ, %	< 0.5	~ 0.4 (оценка)
КПД, %	> 50	~ 65

Сравнение показывает, что расчетные параметры соответствуют или превосходят требования ТЗ, что говорит о корректности выполненных инженерных выкладок.

Глава 8. Моделирование схемы и анализ результатов

Ручной расчет дает фундаментальное понимание работы схемы, но он всегда содержит допущения и идеализации. Современный подход к проектированию электроники немыслим без этапа компьютерного моделирования. Это мощный инструмент для проверки, отладки и оптимизации схемотехнических решений еще до сборки реального прототипа.

Использование программ-симуляторов, таких как LTspice, Multisim или Proteus, дает ряд неоспоримых преимуществ:

• Проверка расчетов: Моделирование позволяет быстро проверить правильность ручных выкладок, измерив режимы по постоянному току и ключевые AC-параметры.
• Детальный анализ: Симуляторы позволяют провести виды анализа, которые сложно или невозможно выполнить вручную.
• Оптимизация: Можно легко изменять номиналы компонентов, наблюдая за изменением характеристик, и таким образом находить оптимальные значения.

В рамках курсовой работы в симуляторе строится разработанная схема с рассчитанными номиналами. Затем проводятся основные анализы: анализ переходных процессов для визуальной оценки формы выходного сигнала на предмет искажений, АЧХ-анализ для определения реальной полосы пропускания и анализ Фурье (FFT) для точного численного определения КНИ.

Результаты моделирования затем сравниваются с ручными расчетами. Небольшие расхождения (5-15%) являются нормой, так как модели транзисторов в симуляторе более точно отражают их реальные физические свойства. Главное, чтобы общая картина сходилась, подтверждая работоспособность выбранного решения.

Глава 9. Рекомендации по оформлению пояснительной записки

Инженерная работа завершается оформлением документации. Пояснительная записка к курсовому проекту — это не просто отчет, а документ, демонстрирующий вашу квалификацию и ход мыслей. Качественное оформление так же важно, как и правильные расчеты.

Типовая структура курсовой работы должна быть логичной и соответствовать академическим стандартам. Рекомендуется придерживаться следующего плана:

1. Титульный лист: Оформляется по стандарту вашего учебного заведения.
2. Задание на курсовой проект: Копия официального бланка ТЗ.
3. Реферат/Аннотация: Краткое изложение сути работы, ключевых результатов.
4. Содержание: Автоматически сгенерированный список разделов с указанием страниц.
5. Введение: Актуальность, цель и задачи проекта.
6. Основная часть: Обычно делится на теоретическую главу (анализ схем, методов расчета) и расчетную главу (пошаговые выкладки для вашей схемы, выбор компонентов).
7. Заключение: Краткие выводы по проделанной работе, итоговые характеристики, подтверждение выполнения ТЗ.
8. Список использованных источников: Перечень учебников, статей, ГОСТов.
9. Приложения: Сюда выносятся большие схемы (в формате А3/А4), графики, результаты моделирования.

Особое внимание уделите аккуратности: все схемы должны быть выполнены в соответствии с ЕСКД, формулы пронумерованы, а графики и таблицы иметь подписи. Четкая структура и аккуратное оформление — залог высокой оценки вашей работы.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта была успешно решена задача разработки бестрансформаторного усилителя низкой частоты. Цель, поставленная во введении, была полностью достигнута.

В процессе работы были выполнены все необходимые этапы инженерного проектирования. Был проведен анализ существующих схемотехнических решений, на основе которого была выбрана и обоснована двухкаскадная структура усилителя. Последовательно были выполнены детальные расчеты каскада предварительного усиления и выходного каскада мощности, включая выбор активных и пассивных компонентов.

Итоговые характеристики разработанного УНЧ полностью соответствуют требованиям технического задания. Расчеты были верифицированы с помощью компьютерного моделирования, которое подтвердило работоспособность и корректность спроектированной схемы.

Таким образом, курсовой проект можно считать успешно выполненным. Полученный опыт позволил закрепить теоретические знания и освоить практические навыки в области проектирования аналоговой усилительной техники.

Список использованных источников

Правильное оформление списка литературы и ссылок на источники является обязательным требованием академической работы. Это не только демонстрирует вашу эрудицию, но и позволяет проверить достоверность приведенных данных. Используйте только авторитетные источники: учебники, монографии, научные статьи и государственные стандарты (ГОСТ).

Пример оформления списка литературы по стандарту:

1. Бочаров Л. Н., Жебряков И. П. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. — СПб.: БХВ-Петербург, 2018. — 480 с.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах. Том 1. — М.: Мир, 2015. — 482 с.
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. — 12-е изд. — М.: ДМК Пресс, 2016. — 942 с.
4. Володин В.Я. Современные усилители низкой частоты. — М.: Наука и техника, 2011. — 256 с.
5. ГОСТ 2.105-95. Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам. — Введ. 1996-07-01. — М.: Стандартинформ, 2005. — 25 с.

Список использованной литературы

1. Расчет бестрансформаторного усилителя низкой частоты: метод.указ. для студентов всех форм обучения специальности: 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств в нефтяной и газовой промышленности» / состав. В.Ф. Сватов; Тюменский государственный нефтегазовый университет.– Тюмень: Издательский центр БИК ТюмГНГУ 2012.– 32 с.
2. Павлов, В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – 2-е изд., испр. [Текст]/ В.Н. Павлов, В.Н. Ногин. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001.- 320 с.: ил.
3. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств [Текст]/ В.С. Валенко; Под ред. А.А. Ровдо.– М., 2001.–368 с.
4. Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника ( Полный курс): Учебник для вузов [Текст]/ Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И Гуров; Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая Линия — Телеком, 1999.- 768 с.: ил.
5. Королев Г.В. Электронные устройства автоматики. Учебное пособие.- 2-е изд. перераб. и доп. [Текст]/ Г.В. Королев. — М.: Высш. шк.- 1991.- 256 с. ил.
6. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов [Текст]/ Г.С. Остапенко.- М.: Радио и связь, 1989.- 400 с.: ил.
7. Варакин Л.Е. Бестрансформаторные усилители мощности [Текст]/ Л.Е. Варакин.- М.: Радио и связь, 1984 – 128 с.