Главная страница Случайная страница Разделы сайта АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Разработка и описание принципиальной схемы устройства
Входной каскад функциональной схемы должен обеспечивать требующееся по ТЗ входное сопротивление и подачу сигнала отрицательной обратной связи. Это можно осуществить, подавая входной сигнал на неинверти- рующий вход операционного усилителя (входное сопротивление операционных усилителей составляет не менее 1 МОм), а сигнал обратной связи - на инвертирующий вход, где он будет автоматически вычитаться из входного сигнала, то есть окажется сигналом отрицательной обратной связи. В качестве каскада промежуточного усиления поставим операционный усилитель общего применения средней точности. Такие усилители дёшевы и имеют широкую полосу усиливаемых частот при достаточно большом коэффициенте усиления. Операционный усилитель следует включить по типовой схеме с питанием от двух разнополярных источников напряжения.
В качестве выходного каскада используем двухтактный каскад с транзисторами разной проводимости, включёнными по схеме с общим эмиттером, имеющий коэффициент усиления больше единицы. Такой каскад с питанием от двух разнополярных источников с повышенным напряжением обеспечит требуемую амплитуду напряжения и тока в нагрузке.
С учётом изложенного принципиальная схема усилителя мощности представлена на рис.2.
Рис.2. Принципиальная схема усилителя мощности.
Выходной двухтактный каскад состоит из двух симметричных плеч: Плечо, состоящее из элементов VD , R , VT , R И VT усиливает положительную полуволну напряжения сигнала, поступающего с выхода операционного усилителя.
Второе плечо из элементов VD , R , VT , R и VT усиливает отрицательную полуволну. Диоды VD и VD2 обеспечивают режим усиления класса АВ и одновременно компенсируют температурный дрейф напряжений между эмиттером и базой транзисторов VT и VT . Резисторы R и R обеспечивают прямой ток диодов VD и VD2, примерно равный эмиттерному току транзисторов VT и VT2, чтобы компенсация температурного дрейфа была наиболее эффективной. Резисторы R и R являются коллекторной нагрузкой транзисторов VT и VT2, на которой выделяются усиленные напряжения. Резисторы R и R составляют цепь местной отрицательной обратной связи, стабилизирующей режим работы транзисторов выходного каскада. Резистор Rн- есть заданное сопротивление нагрузки.
Каскад промежуточного усиления состоит из операционного усилителя U и элементов С , С2- и R -R . Конденсатор С отсекает постоянную составляющую входного сигнала. Кроме того оба конденсатора ограничивают полосу пропускания всего усилителя снизу. Резисторы R и R составляют цепь общей отрицательной образной связи всего усилителя. Резистор R состоит в цепи местной обратной связи операционною усилителя. Резистор R установлен для создания необходимого входного сопротивления схемы.
3.Расчёт элементов и параметров принципиальной схемы
3.1 Расчёт элементов и параметров выходного каскада
Напряжение питания должно быть не менее , где n- число транзисторов в выходном каскаде. Выбираем Максимальная мощность, которую будет отбирать выходной каскад от источника питания , равна
Следовательно, максимальная мощность рассеяния каждого транзистора VT и VT должна быть равна: Р
По найденным параметрам выбираем мощные транзисторы типа КТ817Б и КТ816Б[1] с параметрами, помещенными в табл. 1:
Вычисляем предельное значение тока коллектора:
Все ограничительные условия для выбранных транзисторов осуществляются.
Определяем максимальную величину тока базы выходного транзистора:
Рассчитываем максимальное падение напряжения на переходе база-эмиттер выходного транзистора при типовых значениях =0, 75 и =0, 2 по формуле:
Ток через коллекторный резистор транзистора промежуточного каскада усиления выбираем равным удвоенному значению тока оконечного транзистора:
Тогда сопротивления коллекторных резисторов этих транзисторов будут равны: .
Выбираем из справочника 2 резистор типа С2-33 5% R₇ =R₈ =6, 8Ом Мощность, которую должен рассеивать транзистор промежуточного каскада, равна: По этому значению выбираем транзисторы промежуточного каскада типа КТ503А (n-p-n) и КТ502А (p-n-p) 1, имеющие одинаковые параметры, помещенные в табл. 2:
Подсчитываем величину максимально возможного коэффициента усиления по напряжению:
Задаем величиной коэффициента усиления по напряжению каскада усиления мощности с обратной связью Тогда величина напряжения сигнала, поступающего на вход промежуточного каскада, будет равна:
и Входное сопротивление транзистора промежуточного каскада равно:
Из полученных данных определяем величины резисторов в цепи эмиттера и обратной связи оконченного каскада усилителя мощности и Выбираем из справочника [2] R₉ =R₁ ₀ =68Ом Максимальный базовый ток транзистора VT₁ равен: Задаемся током делителя из резисторов R₅ и R₆, равным утроенному значению тока …. И рассчитываем значения R₅ и R₆, полагая падение напряжения на диоде Выбираем из справочника [2] R₅ и R₆ =6, 2кОм По полученным данным выбираем [1] диод типа КД521Г c параметрами:
- прямой ток максимальный, мА……………..50 - обратное напряжение максимальное, В……30 - время восстановления, нс…………………….4
3.2Расчет элементов и параметров каскада промежуточного усиления
Каскад промежуточного усиления должен обеспечивать размах выходного напряжения на нагрузке сопротивлением
в полосе частот (20-20)10 при входном сигнале 30 мВ и входном сопротивлении 110кОм. Если учесть, что параметры усилителя могут изменяться при изменении температуры окружающей среды, то необходимо иметь коэффициент усиления по напряжению в несколько раз больше минимального значения: Предъявленным условиям должен удовлетворять быстродействующий широкополосный операционный усилитель типа К154УД4[1], имеющий следующие параметры:
Таблица 3
Коэффициент усиления ОУ на постоянном токе составляет или .Так как крутизна спада АЧХ ОУ составляет 20 дБ/дек, то это означает, что при увеличении частоты сигнала в 10 раз коэффициент усиления (начиная с некоторой частоты) будет падать ровно в 10 раз и на частоте f₁ =20МГц достигнет значения Таким образом, на частоте f₁ =20МГц - ; на f₂ =2МГц- ; на f₃ =200МГц- ; на f₄ =2МГц- и так далее до достижения частоты, на которой будет достигнут максимальный коэффициент усиления .Процесс изменения коэффициента усиления наглядно отражается на его АЧХ, построенной в логарифмическом масштабе на рис. 3
Рис.3.АЧХ операционного усилителя типа К154УД4
Из АЧХ выбранного ОУ следует, что на верхней частоте усиливаемого сигнала fв= 20кГц коэффициент усиления напряжения ОУ равен приблизительно 750, то есть имеется запас по этому параметру, минимальное значение которого равно . Значение сопротивления резистора R₂ выбираем исходя из заданного в ТЗ значения входного сопротивления: откуда
Выбираем из справочника [2] R 2 = 120 кОм. Для того чтобы уменьшить влияние входных токов ОУ, следует выбрать сопротивление резисторов (если их несколько, то их параллельное соединение), подключённых к каждому входу, приблизительно одинаковыми. Исходя из этого условия и полагая, что установка сопротивления местной обратной связи R₄ не эффективна, так как запас по коэффициенту усиления невелик, выбираем значение сопротивления общей обратной связи R₃ =R₂ =120 кОм.
Формулакоэффициента усиления всего усилителя мощности, охваченного общей отрицательной обратной связью, имеет следующий вид:
Из этой формулы находим значение R₁:
Выбираем из справочника [2] R1 = 270 Ом. Сопротивление местной отрицательной обратной связи выбираем вдвое большим сопротивления R₃ =R₄ = 240 кОм. Полагая отклонение сопротивления резисторов равным 10%, подсчитываем нестабильность коэффициента усиления: Задаёмся отклонением сопротивлений 5%:
При использовании резисторов в цепи обратной связи с отклонениями 5% требования к стабильности усилителя соблюдаются.
3.3Расчёт и выбор номиналов резисторов и конденсаторов
Номинальные значения всех резисторов выбраны в предыдущих разделах. Осталось определить их по мощности, допуску и типу. Полагаем, что допуски всех резисторов, кроме резисторов общей обратной связи равны 5%, а допуск на резисторы общей обратной связи должен быть меньше - 2%. Мощность рассеяния резистора определяется по формуле:
Все расчёты и данные резисторов сведены в табл. 4
Значения емкостей разделительного и блокировочного конденсаторов С₁ и С2 рассчитываются исходя из допустимых частотных искажений на нижней частоте входного сигнала. Коэффициент влияния на частотные искажения в случае применения одного разделительного и одного блокировочного конденсаторов определяется исходя из заданного коэффициента искажений Мн = следующим образом:
Ёмкость разделительного конденсатора определяется по формуле:
Ёмкость блокировочного конденсатора определяется по формуле:
Выбираем из справочника С₁ =220пФ, С₂ =62нФ типа К50-35-25В
|