Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

2.3    Определим амплитуду тока базы  транзистора VT1   Iбvt1 :

                                Iк

                    Iб = ¾¾¾   ,     т.к.  Iн = Iкvt1       получим :

                              1+b

                                             Iн                       Iн               1600 мА              

Iбvt1  = ¾¾¾  » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 52 мА

                                         1+bvt1                 bvt1                     30

2.4   Определим по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем

         переходе Uбэ  (cм. рис 3.2)

рис 3.2

        Отсюда находим входное напряжение Uвхvt1

Uвхvt1 = Uбэvt1 + Uн  = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В

2.5    Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера Rвх :

                                          Uвх                 Uвх                 7.6 В

Rвх = ¾¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом

                                          Iвхvt1                Iбvt1             5.2*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 нагрузки   Rmin оу = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивление Rвх ). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 Iбvt1 (который является одновременно и коллекторным током транзистора VT3 ) выбираем комплементарную пару на 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 .

3. Окончательный расчёт оконечного каскада

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

                                           Pвх                 Pвх             160 мВт

Pвхок = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2 мВт

                                         bvt3+1          b             50

3.2    Определим амплитуду тока базы   Iбvt3  транзистора VT3. Поскольку      Iкvt3 » Iбvt1  имеем :

                                              Iкvt3                  Iбvt1           52 мА

Iбvt3 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾ » 1 мА

                                            1+bvt3              bvt3                  50

3.3  Определим  по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на управляющем переходе  Uбэvt3  (см. рис. 3.4 ). Поскольку Uбэvt3 = 0.6 В , для входного напряжения оконечного каскада Uвхок имеем:

Uвхок = Uн + Uбэvt1 + Uбэvt1  = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В

рис 3.4

3.4      Определим входное сопротивление оконечного каскада Rвхок :

                                                     Uвхок         8  В

Rвхок =  ¾¾¾ = ¾¾¾ = 8 кОм

                                                       Iбvt3              1 мА

          Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

 Rвхок ³ Rн min оу

  где  Rн 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 которых Uд = 0.6 В

          Расчитаем сопротивления делителя Rд1= Rд2= Rд . Для этого зададим ток делителя Iд, который должен удовлетворять условию:

Iд  ³ 10*Iбvt3

         Положим Iд = 3 А  и воспользуемся формулой

                                     Ек – Uд              (15 – 0.6) В

Rд =  ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом

                                          Iд                               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 R1 и R2  (см. схему на рис. 6 ).

        Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжению  Kuоу1  равен 3*104 . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

Kuоу = Kuоу1 * Kuоу2 = 9*108

        Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной  связью  Ku ос  равен:

                             Uвых ос                Кu                ( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок)          1

Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ » ¾

                                Eг               1 + cKu            1 + c( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок)      c

        Изобразим упрощённую схему нашего усилителя , заменив оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5 ) (ООС на схеме не показана, но подразумевеется ).  Здесь Rнэкв º Rвхок = 8 кОм ;  Uвых ос = Uвхок = 8 В ,          Ег = 15 В  (из задания ).

                                                   Uвых ос         8000 мВ

Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333

                                                       Eг                1.5 мВ

                                                     1            

¾  = Ku ос = 5333

                                                     c

         Найдём параметры сопротивлений R1 и R2 , задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от  сопротивлений R1 и R2 может быть представлена следующим образом:

                                                                   R1

c =  ¾¾¾

        R1 + R2

               Зададим R1 = 0.1 кОм .  Тогда :

                   1            R1                     1

 ¾¾  = ¾¾¾ =  ¾¾¾ Þ  5333 = 1 + 10R2  Þ  R2 = 540 кОм

                Ku ос      R1 + R2            5333

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

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

                                                                   __

Мн = Мв = Ö 2       (3 дБ)

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

                                                        _________________

Мнс = Ö 1 + (  1 / ( 2p¦нtнс ))2   

        Постоянная времени tнс  зависит от ёмкости конденсатора Ср и сопротивления цепи  переразряда  Rраз :

tнс = Ср* Rраз

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

Мн = Мнс1 * Мнс2

         Спад АЧХ усилителя мощности в области высоких частот (ВЧ) обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и оконечного каскада, а так же ёмкомтью нагрузки, если она имеется.  Коэффициент частотных искажений на частоте  ¦в   равен произведению частотных искажений каждого каскада усилителя:

Мв ум = Мв1 * Мв2 * Мвок * Мвн

               Здесь Мв1 , Мв2 , Мвок , Мвн  - коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки Сн . Если Ku оу  выбран на порядок больше требуемого усиления каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( Мв1 = Мв2 = 1).

         Коэффициент искажений оконечного каскада задаётся формулой:

                                                          _________  

Мвок = 1 + ( Ö 1+ (¦в /¦b)  - 1)(1 - Kuoк)

         Здесь ¦b - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки Мвн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени tвн нагрузочной ёмкости :

                                                        __________________

Мвн = Ö 1 + (  1 / ( 2p¦вtвн ))2   

tвн = Сн* (Rвыхум  | | Rн)

          При неправильном введении отрицательной обратной связи в области граничных верхних и нижних частот может возникнуть ПОС ( положительная обратная связь) и тогда устройство из усилителя превратится в генератор. Это происходит за счёт дополнительных фазовых сдвигов , вносимых как самим усилителем, так и цепью обратной связи. Эти сдвиги тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей обратной связью. Поэтому не рекомендуется охватывать общей ООС больше, чем три каскада.   

Заключение

      В данном курсовом проекте мы расчитали основные параметры и элементы усилителя мощности, а так же оценили влияние параметров усилителя на завалы  АЧХ в области верхних и нижних частот.

Спецификация элементов

1	2	3