Расчет схемы усилителя переменного сигнала на основе операционного усилителя с оконечным каскадом на биполярных транзисторах

Рис. 3.5

3.4. Полный расчет бустера

В данном подразделе проводим полный расчет схемы выходного каскада бустера напряжения, управляемого по цепям ОУ.

Сопротивление резистора выбирается из условия максимального тока, потребляемого операционным усилителем . Определим токи через транзисторы VТ₃, VТ₄

где ток обычно принимается равным 1 мА в классе усиления АВ.

Напряжения на базах транзисторов Т1, Т2 задаются параметрическими стабилизаторами R1 Д1, R2 Д2 (рис. 3.3) и определяются стабилитронами или светодиодами. Обычно значение напряжения на диоде равно 0.7 В.

Сопротивления резисторов выбираем из условия обеспечения режима АВ в транзисторах выходной цепи

Принимаем номинальные значения сопротивлений .

Мощность, рассеиваемая каждым из транзисторов Т1, Т2, равна

На основании проведённых расчётов выбираем пару комплементарных транзисторов Т1, Т2. удовлетворяющих следующим требованиям:

1) = 3,96 (мА)

2)

3)

4)

Принимаем транзисторы малой мощности, параметры которых приведены в таблице 3.3 [1]:

Таблица 3.3

Рис. 3.6. График зависимости коэффициента передачи от тока коллектора для p-n-p транзистора KT502Д

Рис. 3.7. График зависимости коэффициента передачи от тока коллектора для n-p-n транзистора KT503Д

Сопротивление резистора R1 бустера напряжения зависит от входного тока ОУ и находится из выражения следующим образом. Так как обычно коэффициент усиления выходного каскада УМ лежит в пределах 3 - 5 то принимаем = 4. Тогда и с учетом входного тока ОУ находим сопротивление резистора .

С учетом условия, что для ОУ, выпускаемых отечественной промышленностью, это сопротивление лежит в пределах (5-10) (кОм), принимаем номинальное значение сопротивления резистора R₁=7,5(кОм).

Тогда с учетом местной обратной связи в схеме выходного каскада УМ находим сопротивление

Принимаем номинальное значение сопротивления.

Рассчитываем сопротивление резистора

Принимаем номинальное значение сопротивления

Диоды VD1 и VD2 выбираем в соответствии с условиями:

,

где - токи базы транзисторов VT₃, VT₄.

(А).

I_СТ.max, I_СТ.min - допустимые диапазоны изменения тока стабилитрона.

Выбираем стабилитроны КС170А [1], имеющие:

1. ток потребления до 20 (мА)

2. рабочее напряжение (3 - 20) (В)

Сопротивления резисторов R₁ и R₂ находятся как и принимаются в соответствии с номинальными значениями сопротивлений

Конденсатор С₁ служит для коррекции частотной характеристики бустера и выбирается из выражения

где ₁ - один из параметров транзистора выходного каскада ОУ (обычно 120 - 150),

₂ принимается для транзисторов Т3, Т4 при I_К =I_Н;

_в - постоянная времени в области верхних частот

(c)

(Ф)

После расчетов принимается конденсатор, имеющий емкость номинального значения .

3.5 Построение семейства выходных ВАХ

В этом подразделе мы производим построение семейства выходных ВАХ выходных транзисторов оконечного каскада. Строятся они при использовании справочной зависимости коэффициента передачи тока одного из транзисторов выходной цепи, принятых в подразделе 3.2, от тока коллектора или тока эмиттера. График зависимости = f(Iк) или =f(Iэ) имеет вид показанный на рис. 3.8.

Для построения семейства выходных ВАХ транзистора находим значения коэффициентов h_21э для каждого из значений принятых токов. Исходя из найденных величин h_21эi при i-ом значении тока определяются значения токов базы . Все значения токов коллектора и найденные коэффициенты h_21э и токи I_бi занесены в таблицу 3.4:

Таблица 3.4

Семейство выходных ВАХ имеет зависимость вида I_к=f (U_кэ). Угол наклона линии критических режимов равный arctg(1/r_б)=87 градусам (сопротивление базы rб берется из справочной литературы). При этом, проведенные ранее горизонтальные линии коллекторных токов должны находиться справа от линии критических режимов. Так как полученные значения базовых токов имеют разные значения не кратные величинам 50, 100 мкА, то следует аппроксимировать линии коллекторных токов в соответствии с этими требованиями.

Откладывая значение напряжения источника питания на оси абсцисс, необходимо повести нагрузочную линию, угол наклона которой зависит от величины сопротивления нагрузки. Начальный ток коллектора следует принять 1 мА. Для этого тока находится значение I_б.min.

Построенное семейство выходных ВАХ транзистора в оконечном каскаде понадобится для оценки усилительных свойств выходной цепи схемы и для расчета нелинейных искажений.

3.6 Оценка усилительных свойств выходного каскада

В этом подразделе оцениваем усилительные свойства выходного каскада различными методами.

3.6.1 Графический метод

С помощью входной и выходной характеристик графически определяем коэффициент усиления.

где . определяются из графиков.

Значения токов базы и , которые определяют для обеспечения выходного напряжения .

К_Uграф

3.6.2 Аналитический метод

Если транзисторы работают в схеме включения с общим эмиттером, то коэффициент передачи по напряжению может быть найден согласно выражению

,

где входное сопротивление транзистора, находится из входной характеристики при входном токе. - соответствует току нагрузки.

,

К_{Uаналит}

3.6.3 С учетом местной обратной связи

Исходя из найденных номинальных значений сопротивлений резисторов и, рассчитывается коэффициент передачи по напряжению бустера:

К_Uрасч

3.7 Оценка нелинейных искажений

Наибольшие искажения в схеме УМ обусловлены наличием в тракте усиления нелинейных элементов (элементов с нелинейными характеристиками - транзисторов и др.), а также не симметрией двухтактного выходного каскада. Наибольшие нелинейные искажения вносятся бустером, где амплитуда сигнала максимальна. Коэффициент нелинейных искажений К_НИ = К_гарм в значительной степени зависит от режима работы (класса усиления) схемы бустера, разброса параметров пар комплементарных транзисторов.

Оценка нелинейных искажений производится с помощью сквозной характеристики. Сквозная характеристика, т.е. зависимость I_К=f (U_Г), строится для одного плеча схемы выходного каскада, по уравнению

U_Г = U_БЭ +I_Б R_Г,

Когда R_Г = R_{вых.пред.каскада.} = R_вых.ОУ

При этом используются входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Все принятые и найденные значения токов и напряжений заносятся в таблицу 3.5.

Таблица 3.5

Используя данные таблицы 3.5 строится сквозная характеристика вида I_К=f (U_Г).

Разбивая обрезок U_Гмin - U_Гмах на четыре равные части определяются пять значений токов: . С учетом асимметрии плеч, задавшись коэффициентом асимметрии , уточним найденные ранее пять значений токов плеч:

По полученным пяти значениям токов плеч выходного каскада рассчитываются значения амплитуд четырёх высших гармоник тока коллектора:

Проводится проверка найденных значений токов гармоник по формуле:

=0,5+62,5+23,36 - 8,7+30,05=107,7(мА),

где =(мА)

Коэффициент нелинейных искажений или коэффициент 1-ой гармоники сигнала выходного каскада рассчитывается следующим образом:

=

Найденное значение коэффициента нелинейных искажений (гармоник) обязательно должно быть меньше 1 и находиться в пределах 20 - 85%.

С учётом частотных свойств операционного усилителя и наличия глубокой отрицательной обратной связи в выходном каскаде значение коэффициента нелинейных искажений должно быть пересчитано

,

где и - коэффициенты гармоник без ООС и с ООС,

- глубина ООС:

Коэффициент в относительных единицах определяется из ЛАЧХ операционного усилителя выходного каскада на заданной частоте f_B.

Значение К_{U расч} принимается в соответствии с расчетами в подразделе 3.6.3.

F =

< 1%

Полученное значение коэффициент нелинейных искажений не превышает 1%.

4. Расчет предварительных усилителей

4.1 Расчет входного каскада

Схема УМ должна обеспечивать необходимое усиление, рассчитанное во втором разделе с суммарным коэффициентом усиления . В подразделе 3.6.3 найдено значение коэффициента передачи по напряжению оконечного каскада К_Uбуст=4. На оставшиеся три каскада (входной и промежуточные) усиление должно составлять:

Условно принимаем равное усиление на каждый из каскадов с коэффициентом передачи по напряжению.

Входной каскад УМ является дифференциальный каскад. Произведем его расчет. Схема дифференциального входного каскада представлена на схеме рис. 4.1:

Выбор ОУ производится из следующих соображений:

Принимается ОУ типа К574УД1 [2], параметры которого представлены в таблице 4.1

Таблица 4.1

Рассчитываем сопротивление резисторов R₁ и R₂::

Так как рассчитываемая схема является усилителем мощности,, то следует обеспечить согласование сопротивлений не только по выходу, но и по входу. Поэтому принимаются номинальные значения сопротивлений R₁, R₂ равные выходному сопротивлению источника сигнала,, но лежащие в пределах 5 - 10 кОм.. Принимаются номинальные значения сопротивлений резисторов

Сопротивление резистора R₄ рассчитывается исходя из ранее принятых значений К_U1. Тогда

.

Принимается номинальное значение.

Сопротивление резистора R₃ принимается равным R4:

При найденных значениях сопротивлений резисторов уточняется коэффициент передачи по напряжению усиления схемы входного каскада по формуле

Сопротивления регулировочного резистора R₅ принимается из следующего условия: (кОм),

где должно соответствовать табличным данным ОУ,

т.о.

Принимается переменное сопротивление номинального значения.

4.2 Расчет промежуточного каскада

Схема этого каскада изображена на схеме рис.2.2. Тип ОУ для 2-го промежуточного каскада усиления приняты в подразделе 4.1 (К574УД1).

Определим сопротивление резистора R₁:

Принимается переменное сопротивление номинального значения R₁ (5 - 10 кОм), .

Коэффициент усиления по напряжению 1-го промежуточного каскада принимается равным согласно выше приведённым расчётам. Исходя из этого значениям, производится расчет сопротивления R₂:

Принимается сопротивление резистора R₂ номинального значения:

Затем уточняется величина коэффициента передачи по напряжению схемы 1-го промежуточного каскада:

Рассчитывается сопротивление резистора R₃:

Принимается сопротивление резистора номинального значения. .

4.3 Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада

Согласно заданию требуется привести ЛАЧХ для одного из каскадов усилителя мощности. Для промежуточного каскада усилителя на ОУ К574УД1. Коэффициент передачи схемы по напряжению равен К_Uпром=150. Для этой величины проводится нагрузочная линия, которой соответствует значение K_U2 = 20lgK_U2 = 42,279 (дБ).

В качестве примера на рис. 4.2. приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада

Рис. 4.2. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада усиления.

5. Полный расчет схемы усилителя мощности

5.1 Оценка усилительных свойств схемы

Рассчитаем коэффициент передачи по напряжению всей схемы УМ

Рассчитаем относительную погрешность усиления:

Рассчитанное значение относительной погрешности не превышает величины ±5%.

5.2 Расчёт емкостей разделительных конденсаторов

Для развязки по постоянному току источника сигнала и усилителя используются разделительные конденсаторы. Перед нагрузкой ставить разделительный конденсатор не имеет смысла, так как в режиме покоя на выходе схемы имеет место нулевой потенциал. При наличии n=2 разделительных конденсаторов в УМ заданный коэффициент частотных искажений необходимо поделить поровну между всеми цепями, создающими НЧ-искажения

где М_Нзад подставляется в формулу в относительных единицах,

Ёмкость разделительного конденсатора С_Р находится из выражения постоянной времени для области нижних частот

Принимается емкость конденсаторов C_Р номинального значения

5.3 Проверка работы в области верхних частот

Снижение АЧХ УМ в области верхних частот обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и бустера, а также влиянием ёмкости нагрузки.

Коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте f_B равен произведению коэффициентов каждого каскада УМ:

где М_Вi - коэффициенты частотных искажений каскадов схемы и цепи нагрузки R_НС_Н.

В случае, когда в качестве активных элементов схемы используются ОУ и имеет место f_Т.ОУ f_В, то каскады на ОУ не оказывают влияния на ВЧ-искажения, т.е.

М_{В входн} = М_В.1 = М_В.2 = 1

Коэффициент частотных искажений бустера в ВЧ-области определяется следующим образом:

Коэффициент частотных искажений, определяемый влиянием цепи нагрузки RНСН в области ВЧ, рассчитывается по формуле:

Теперь рассчитывается результирующее значение коэффициента частотных искажений в ВЧ-области . Его величина должна быть меньше заданного значения М_В.зад =2,9.

5.4 Расчёт КПД

Схема выходного каскада УМ работает в режиме класса АВ.

Рассчитывается коэффициент полезного действия схемы:

,

где P_вых - максимальная мощность полезного сигнала.

(Вт)

Р_потр - потребляемая мощность при данном режиме

Полученное значение коэффициента полезного действия не превышает значения 20%.

5.5 Расчёт фильтров в цепях питания операционных усилителей

Поскольку напряжение источника питания схемы значительно превышает допустимое напряжение питания операционных усилителей входного и промежуточных каскадов, то избыточное напряжение необходимо «погасить» с помощью фильтров в каждом из каскадов. Целесообразно включить фильтр для каждого ОУ, т.к. включение общего фильтра для всех ОУ потребует резистора с большим значением допустимой мощности ввиду большого проходящего через него тока. Поэтому принимаются фильтры в цепях питания каждого ОУ.

Фильтры рассчитываются так, чтобы напряжение питания для каждого было одинаковое и составило (В). Если ОУ одинаковые, то они имеют одинаковые токи потребления, то проводится расчет одной схемы фильтра, т.е. рассчитываются один резистор и один конденсатор в каждой цепи питания ОУ (, и т.д.).

Рис. 5.1 Фильтры в цепях питания ОУ.

На рис. 5.1 изображена схема первых 2-х каскадов УМ с фильтрами в цепях питания ОУ.

Как уже ранее было отмечено, входной и каскады предварительного усиления УМ построены на ОУ. Эти ОУ были выбраны ранее в пунктах 4.1-4.3.

Параметры ОУ, необходимые для расчета фильтров приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Для схемы принято напряжение источника питания (В)

Расчет сопротивления резистора в фильтрах проводится по формуле:

Принимается сопротивление номинального значения R_Ф1=12,5(кОм).

Расчет ёмкости конденсатора в фильтре проводится из условия

,

где (с)

Принимается емкость номинального значения

5.6 Электрическая схема и спецификация элементов

Таблица 5.2

Рис. 5.2. Принципиальная электрическая схема рассчитанного усилителя мощности.

электрический усилитель бустер каскад

Использованная литература

1. Справочник «Транзисторы для аппаратуры широкого применения» /

К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. под ред. Б.Л. Перельмана / Москва, «Радио и связь», 1981

2. Учебное пособие «ОУ в усилительных устройствах» / Бабенко В.П., Изъюрова Г.И. / Москва, МИРЭА, 1994

3. «Схемотехника усилителей мощности на ОУ» / Бабенко В.П., Изъюрова Г.И. / Москва, МИРЭА

4. «Методические указания по курсовому проектированию» / В.А. Савицкий / Предоставлено в электронном виде, 2008

5. Различная информация по электронике, бустерам и транзисторам, найденная в открытых источниках в Интернете.

Размещено на Allbest.ru