Тепловые шумы обусловлены тепловым беспорядочным (случайным) движением в объеме проводника (или полупроводника) свободных носителей 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 ее спектр является сплошным и практически равномерным в диапазоне частот от нуля до сотен мегагерц. Шум с подобным спектром называют белым.

Фон, наводки и микрофонный эффект в усилителе можно, в принципе, уменьшить до любых заданных значений. Тепловые же шумы и шумы усилительных элементов принципиально неустранимы. Обычно удается лишь минимизировать долю шумов, создаваемых усилительными элементами.

Шумовые свойства высококачественных усилителей оценивают отношением сигнал-шум. Под этой величиной понимают отношение выходного напряжения сигнала при номинальной выходной мощности усилителя Рном к суммарному напряжению шумов на выходе. Обычно его выражают в децибелах. В усилителях высшего класса отношение сигнал-шум достигает 60..110 дБ.

Динамический диапазон усилителя — это отношение максимального и минимального входного сигнала усилителя при заданном уровне Кг:

Для высококачественного усилителя максимальное значение входного сигнала ограничивается нелинейностью амплитудной характеристики и принимается равным номинальному входному напряжению Uвх.ном, обеспечивающему поминальную выходную мощность усилителя при заданном коэффициенте гармоник, т. е.

Минимальное входное напряжение Uвх.min должно выбираться таким образом, чтобы собственные помехи и шумы усилителя не маскировали выходной при этом:

В предельном случае основными помехами в усилителе являются шумы, при этом:

где — коэффициент помехозащищенности. Отсюда динамический диапазон усилителя

Видно, что отношение сигнал-шум, равное , определяет достижимый динамический диапазон усилителя. Динамический диапазон является важным техническим показателем усилителя и обычно задается ГОСТ. Для лучших высококачественных усилителей Dу>110 дБ. Источники звуковых сигналов имеют собственный динамический диапазон, равный отношению максимального Eиmax и минимального Еиmin ЭДС источника сигнала; Dс = Еиmax/Еиmin и в логарифмических единицах Dc [дБ] = 20 Ig Dc.

Динамический диапазон звучания симфонического оркестра может превышать 80 дБ, художественного чтения - 30 дБ.

Для усиления сигнала с допустимыми нелинейными искажениями и помехозащищенностью необходимо, чтобы Dy>Dc

Для увеличения динамического диапазона усилителя необходимо уменьшать уровень собственных помех, использовать усилительные элементы с более линейной характеристикой (применить высоковольтные мощные выходные транзисторы) и применять ручную или автоматическую регулировку усиления.

5.10 Анализ шума

Для выполнения данного анализа воспользуемся встроенным в Multisim 8 анализом: Noise Analysis.

Установим следующие параметры во вкладке Параметры анализа.

А также во вкладке Частотных параметров

Также необходимо выставить входной и выходной полный шум (inoise_total и onoise_total), во вкладке Output.

Далее получим следующий результат:

В таблице приведены величины шумов, вносимых всеми транзисторами и резисторами схемы.

Для того чтобы результат отобразился в виде графика, необходимо:

1. Выбрать Simulate/Analyses/Noise Analysis.

2. Во вкладке Analysis Parameters активировать Set points per summary и ввести 1 в рядом расположенную строчку.

3. Во вкладке Output выбрать следующие переменные, отображаемые в процессе моделирования:

• onoise_spectrum и onnoise_ spectrum

3.                 Далее Simulate. После чего результаты отобразятся в следующем виде:

Из графика видно, что на частотах от 100 Гц до 25 кГц величина U2 практически постоянна.

Для получения графика отношение шум/сигнал воспользуемся контрольно измерительным прибором Distortion Analyzer.

Для проведения анализа требуется провести следующие действия:

1.                 Подключить прибор Distortion Analyzer к выходу усилителя

2.                 Выставить в нем режим измерения отношения сигнал/шум. Автоматически выставится отображение результатов в дБ

3.                 Выставить частоту на входном генераторе синусоидального напряжения и такую же в приборе.

4.                 Включить симуляцию и выждать некоторое время для получения более точного результата, т.к. в схеме происходит переходный процесс.

5.                 Полученный результат записать в таблицу.

6.                 Повторит п.3-5 для следующей частоты

7.                 Построить график по точкам (данный график построен в Microsoft Office Excel)

Таблица 3

Замечание: График построен как отношение шум/сигнал, т.к. по Российскому стандарту измеряется эта величина.

Для построения графика сигнал/шум требуется зеркально отобразить данный график относительно Ох, т.е. заменить дБ на положительные.

Проанализировав данный график можно сделать следующий вывод:

Данный усилитель обладает не очень хорошим показателем отношения шум/сигнал, т.к. эта величина составляет порядка -56 дБ, а для хорошей аппаратуры она должна быть на менее 60 дБ.

Также наблюдается снижение этой величины до -50дБ на граничной рабочей частоте в 20 кГц.

5.11 Температурный анализ

Температурный анализ позволяет определить границы рабочих температур, т.е. те температуры при которых параметры прибора не изменяются и прибор работает корректно.

Для проведения анализа требуется выставить следующие параметры в Temperature Sweep во вкладке Параметры Анализа

А также не забыть установить выходную ветвь (38)

Далее получаем следующий результат:

Результатом являются графики АЧХ и ФЧХ для различных температур, т.к. мы выставили в More Options – AC Analysis

Из графика видно, что рабочие температуры для данной схемы усилителя

от -25ºС до 50ºС.

При увеличении температуры до 100ºС мы наблюдаем смещение АЧХ вниз по оси Амплитуды и при этой температуре наблюдается резкое изменение фазы на частоте от 12 до 18 Гц и дальнейшее смещение фазы на ~180º

При температуре в -50ºС ФЧХ практически не изменяется, но смещается АЧХ вниз по оси амплитуды до 10 дБ, что уменьшает характеристику усиления.

Данный эффект можно объяснить наличием в схеме транзисторов которые изменяют свои характеристики в зависимости от температуры.

5.12 Параметрический анализ

Параметрический анализ позволяет промоделировать схему с различными параметрами элементов, что позволяет выбрать оптимальное их значение.

Для проведения такого анализа требуется:

1.                 Выбрать элемент параметры которого требуется варьировать

2.                 Выбрать параметр который требуется менять

3.                 Выставить выходную цепь

4.                 Выставить следующие параметры:

В нашем случае был выбран транзистор 2N2102.

Из графика видно, что изменение параметра BF- максимальный коэффициент усиления в нормальном режиме, который отвечает за усилительные качества транзистора, влияет на АЧХ и ФЧХ усилителя.

Оптимальные значения параметра BF транзистора, полученные с помощью данного анализа: от 30 до 118.

При больших значениях наблюдается искажение ФЧХ и смещение АЧХ вниз по оси амплитуды.

Заметим, что стандартное значения параметра BF=79 (транзистора 2N2102). И это значение расположено практически в середине этого диапазона.

6. Заключение

В ходе выполнения данной работы был промоделирован усилитель мощности звуковой частоты с целью проверки соответствия полученных выходных параметров схемы с заданными техническими характеристиками, а также получить дополнительные сведения об этом устройстве, исходя из возможностей имеющегося в распоряжении ПО.

В ходе данной работы было изучено ПО Multisim 8, в данном случае модуль для проектирования схем и проведения различных анализов.

В результате исследования усилителя мощности при помощи данного программного пакета можно отметить, что:

1. Коэффициент гармоник, %, при номинальной выходной мощности больше заявленного в характеристиках и составляет 0,16% вместо 0,01

2. Данный усилитель имеет плохой показатель отношения шум/сигнал.

3. Усилитель имеет требуемую мощность 35 Вт

4. Данный УМЗЧ способен работать в температурном диапазоне от -25 до 50ºС.

Список литературы

1.                 Зи С.М., "Физика полупроводниковых приборов", T.1, Москва, издательство "Мир", 1984.

2.                 Атаев Д. И. , Болотников В. А. Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения. : М, "Радио и связь", 193 с., 1986 г.

3.                 Столяров А.А., Курс лекций по Микроэлектронике, КФ МГТУ, 2004.

4.                 Хоровиц П. , У. Хилл, "Искусство схемотехники", Т.1, Москва, издательство "Мир", 1984.

5.                 Ежемесячный научно-популярный радиотехнический журнал "Радио". – М.: ДОСААФ СССР (задание на курсовой проект).

6.                 Полупроводниковые приборы, транзисторы. Справочник под ред. Горюнова Н.Н. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5