Усилительный каскад на базе операционного усилителя

Произведём предварительный расчёт энергетических параметров верхнего плеча бустера.

3.

2.2. Найдём входную мощность оконечного каскада Pвх. Для этого нужно сначала расчитать коэффициент усиления по мощности оконечного каскада Kpок, который равен произведению коэффициента усиления по току Ki на коэффициент усиления по напряжению Ku :

Kpок = Ki * Ku

Как известно, для каскада ОК Ku (1, поэтому, пренебрегая Ku, можно записать:

Kpок (Ki

Поскольку Ki = (+1 имеем:

Kpок ((+1

Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем (= 30. Поскольку (велико, можно принять Kpок = (+1 ((. Отсюда Kpок = 30 .

Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

Pн

Kpок = ((

Pвх

Pн

получим Pвх = ((, а с учётом предыдущих приближений

Kpок

Pн

Pвх = ((

(5000 мВт

= (((((= 160 мВт

3.

2.3. Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 :

Iк

Iб = (((, т.к. Iн = Iкvt1 получим :

1+(

Iн Iн 1600 мА

Iбvt1 = (((((((= ((((= 52 мА

1+(vt1 (vt1 30

3.

2.4. Определим по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем

переходе Uбэ.

Отсюда находим входное напряжение Uвхvt1

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

3.

2.5. Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера Rвх :

Uвх Uвх 7.6 В

Rвх = (((= (((= ((((= 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).

3.

3. Окончательный расчёт оконечного каскада Расчитаем входную мощность Pвхок полученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1 Pвх мы посчитали в пункте 3.2, получим:

Pвх Pвх 160 мВт

Pвхок = (((((((= ((((= 3.2 мВт

(vt3+1 (50

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

Iкvt3 Iбvt1 52 мА

Iбvt3 = (((((((= ((((1 мА

1+(vt3 (vt3 50

3.

3.3. Определим по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на управляющем переходе Uбэvt3. 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

3.

3.4. Определим входное сопротивление оконечного каскада Rвхок :

Uвхок 8 В

Rвхок = (((= (((= 8 кОм

Iбvt3 1 мА

Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

Rвхок (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, 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 (10*Iбvt3

Положим Iд = 3 А и воспользуемся формулой

Ек — Uд (15 — 0.6) В

Rд = ((((= ((((((= 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.

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 = (((= ((((= (((((((((((((

Eг 1 + (Ku 1 + ((Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) (

Заменим оконечный каскад входным сопротивлением усилителя. Здесь Rнэкв (Rвхок = 8 кОм; Uвых ос = Uвхок = 8 В, Ег = 15 В (из задания).

Uвых ос 8000 мВ

Ku ос = (((= ((((= 5333

Eг 1.5 мВ

(= Ku ос = 5333

(

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

R1

(= (((

R1 + R2

Зададим R1 = 0.1 кОм. Тогда:

1 R1 1

((= (((= ((((5333 = 1 + 10R2 (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 равны:

__

Мн = Мв = (2 (3 дБ)

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

_________________

Мнс = (1 + (1 / (2((н (нс))2

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

(нс = 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 также ёмкостью 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 + ((1+ ((в /(() — 1)(1 — Kuoк)

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

__________________

Мвн = (1 + (1 / (2((в (вн))2

(вн = 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 данной курсовой работе мы рассмотрели операционные усилители, рассчитали основные параметры и элементы усилителя мощности на базе операционного усилителя, а также оценили влияние параметров усилителя на завалы АЧХ в области верхних и нижних частот.

1. Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1989, подразделы 7.1, 7.2, 8.

2.

2. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие /Ефимов В.В., Павлов В. Н., Соколов Ю. П. и др.; под редакцией Н. В. Терпугова. — М.: Высш. школа, 1982, (3.

2.

3. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. — М.: Мир, 1985, (1.5−1.8, 3.1−3.

3.