Проектирование усилителя мощности на основе ОУ (стр. 2 из 3)

Поскольку K_i= b+1 имеем:

K_p^ок»b+1

Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем b = 30. Поскольку bвелико, можно принять K_p^ок= b+1 »b. Отсюда K_p^ок = 30 .

Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

P_н

K_p^ок = ¾¾

P_вх

P_н

получим P_вх = ¾¾ , а с учётом предыдущих приближений

K_p^ок

PнPвх = ¾¾b

5000 мВт= ¾¾¾¾¾= 160 мВт30

2.3 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 I_б^vt1 :

I_к

I_б = ¾¾¾ , т.к. I_н = I_к^vt1получим :

1+b

I_нI_н1600 мА

I_б^vt1= ¾¾¾»¾¾¾= ¾¾¾¾ = 52 мА

1+b^vt1b^vt130

2.4Определим по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем

переходе U_бэ (cм. рис 3.2)

рис 3.2

Отсюда находим входное напряжение U_вх^vt1

U_вх^vt1 = U_бэ^vt1 + U_н = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В

2.5 Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера R_вх:

U_вх U_вх 7.6 В

R_вх= ¾¾¾= ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом

I_вх^vt1 I_б^vt15.2*10^-3

Поскольку из-за технологических особенностей конструкции интегрального операционного усилителя К140УД6 полученное входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (для К140УД6 минимальное сопротивление нагрузкиR_{min оу} = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивление R_вх). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 I_б^vt1 (который является одновременно и коллекторным током транзистора VT3 ) выбираем комплементарную паруна транзисторах КТ-361 (p-n-p типа) и КТ-315 (n-p-n типа).Соответственно схема оконечного каскада примет вид, показанный на рис. 3.3 .

рис. 3.3

3. Окончательный расчёт оконечного каскада

3.1 Расчитаем входную мощность P_вх^ок полученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1 P_вх мы посчитали в пункте 2.2 , получим :

P_вхP_вх160 мВт

P_вх^ок= ¾¾¾»¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2мВт

b^vt3+1b 50

3.2 Определим амплитуду тока базы I_б^vt3транзистора VT3. Поскольку I_к^vt3» I_б^vt1 имеем:

I_к^vt3I_б^vt152 мА

I_б^vt3 = ¾¾¾»¾¾¾ = ¾¾¾»1 мА

1+b^vt3 b^vt3 50

3.3 Определим по входной ВАХ транзистора VT3напряжениена управляющем переходе U_бэ^vt3 (см. рис. 3.4 ). Поскольку U_бэ^vt3 = 0.6 В , для входного напряжения оконечного каскада U_вх^окимеем:

U_вх^ок =U_н + U_бэ^vt1 + U_бэ^vt1 = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В

рис 3.4

3.4 Определим входное сопротивление оконечного каскада R_вх^ок :

U_вх^ок8В

R_вх^ок =¾¾¾= ¾¾¾= 8 кОм

I_б^vt3 1 мА

Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

R_вх^ок ³R_{н min оу}

где R_{н min оу} = 1кОм (для ОУ К140УД6).

4. Задание режима АВ. Расчёт делителя

Для перехода от режима В к режиму АВ на вход верхнего плеча нужно подать смещающее напряжение +0.6 В, а на вход нижнего плеча - –0.6 В. При этом, поскольку эти смещающие напряжения компенсируют друг друга, потенциал как на входе оконечного каскада, так и на его выходе останется нулевым. Для задания смещающего напряжения применим кремниевые диоды КД-223 (VD1-VD2, см. принципиальную схему), падение напряжения на которыхU_д = 0.6 В

Расчитаем сопротивления делителя R_д1=R_д2= R_д . Для этого зададим ток делителя I_д, который должен удовлетворять условию:

I_д³10*I_б^vt3

Положим I_д= 3 А и воспользуемся формулой

Е_к –U_д (15– 0.6) В

R_д = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом

I_д 3 А

5. Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС

Для улучшения ряда основных показателей и повышения стабильности работы усилителя охватим предварительный и оконечный каскады УМ общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. Она задаётся резисторами R₁и R₂ (см. схему на рис. 6 ).

Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжениюK_u^оу1 равен 3*10⁴ . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

K_u^оу = K_u^оу1 * K_u^оу2 = 9*10⁸

Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной связью K_{u ос} равен:

U_{вых ос} К_u( K_u^оу1*K_u^оу2 * K_u^ок) 1

K_{u ос} = ¾¾¾ = ¾¾¾¾= ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾»¾

E_г 1 + cK_u1 + c( K_u^оу1*K_u^оу2 * K_u^ок) c

рис. 3.5

Изобразим упрощённую схему нашего усилителя , заменив оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5 ) (ООС на схеме не показана, но подразумевеется ). Здесь R_н^эквºR_вх^ок = 8 кОм ;U_{вых ос} = U_вх^ок = 8 В , Е_г = 15 В (из задания ).

U_{вых ос} 8000 мВ

K_{u ос} = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333

E_г 1.5 мВ

1

¾ = K_{u ос} =5333

c

Найдём параметры сопротивлений R₁и R₂ , задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от сопротивлений R₁и R₂может быть представлена следующим образом:

R₁

c = ¾¾¾

R₁+R₂

Зададим R₁= 0.1 кОм . Тогда :

1 R₁ 1

¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾Þ 5333 = 1 + 10R₂ÞR₂= 540 кОм

K_{u ос}R₁+R₂5333

6. Оценка влияния параметров усилителя на завал АЧХ в области верхних и нижних частот

Усилитель мощности должен работать в определённой полосе частот ( от ¦_ндо ¦_в ) . Такое задание частотных характеристик УМ означает, что на граничных частотах ¦_ни ¦_в усиление снижается на 3 дБ по сравнению со средними частотами, т.е. коэффициенты частотных искажений М_н и М_всоответственно на частотах ¦_ни ¦_в равены:

__

М_н = М_в = Ö 2 (3 дБ)

В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени t_нс цепи переразряда разделительной ёмкости С_р :

_________________

М_нс = Ö 1 + ( 1 / ( 2p¦_нt_нс ))²

Постоянная времени t_нс зависит от ёмкости конденсатора С_р и сопротивления цепи переразряда R_раз :

t_нс = С_р* R_раз

При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в нашем случае 2) М_н равно произведению М_нс каждой ёмкости: