logo
Усилитель низкой частоты

3. Предварительный усилитель и усилитель мощности

Принципиальная схема изображена на рис.5

Рис.5

Схема состоит из предварительного усилителя, построенного на операционном усилителе, и оконечного каскада, являющегося усилителем мощности, охваченных цепью общей отрицательной обратной связи (ЦООС).

Напряжение на входе ПУ

(3.1)

Коэффициент усиления схемы по напряжению равен:

(3.2)

Распределим его следующим образом:

Пусть коэффициент усиления ПУ по напряжению равен:

;

коэффициент усиления УМ по напряжению равен

.

Сначала рассчитаем усилитель мощности.

УМ построен на транзисторах VT1-VT4,резисторах R6-R11 и диодах VD1, VD2.

(3.9)

,где-остаточное напряжение на транзисторе.

Выбор транзисторов VT2, VT4.

(3.10)

- максимальный ток коллектора;

(3.11)

- максимальный ток нагрузки;

- среднее значение тока нагрузки;

- максимальная мощность;

(3.12)

- максимальное напряжение коллектор - эмиттер.

В соответствии с рассчитанными параметрами выберем пару транзисторов КТ825В(p-n-p) и КТ824В(n-p-n).

Параметры транзисторов:

максимальное напряжение коллектор - эмиттер: 65 (В);

статический коэффициент передачи тока: ;

максимальная рассеиваемая мощность: ;

максимальный ток коллектора: ;

рабочие напряжение транзистора: ;

напряжение открывания транзистора: ;

ток утечки: ;

температура перехода tп=175 0С;

Так данные транзисторы являются мощными, то при работе в схеме они очень сильно нагреваются и могут сгореть от перегрева. Для нормальной работы этих элементов требуется устанавливать их на радиаторы. Рассчитаем площадь теплоотвода для данных транзисторов.

Подставив данные получим: S>7.5 см2, примем S=9 см2.

Произведем выбор резисторов R9 и R8 (на общей схеме - R10 и R13, соответственно) используя условия протекания тока утечки через резистор R6:

,

(3.13)

- рабочий ток базы транзисторов.

Тогда сопротивление R13 найдем по формуле:

(3.14).

. R10 = R13 =900 (Ом).

Выберем сопротивления R13 и R10 из ряда Е24: R13 = R10 = 910(Ом.).

(3.15)

- мощность рассеиваемая на этих резисторах,

выберем РR13 = PR10 = 0.125 (Вт).

Выбор транзисторов VT1,VT3.

(3.16)

Максимальный ток через транзистор VT1 равен:

.

(3.17)

Максимальное напряжение на транзисторе VT1 равно:

.

(3.18)

Мощность, рассеиваемая на транзисторе равна:

.

Выберем пару комплиментарных транзисторов КТ820Б(p-n-p) и КТ821Б(n-p-n). Параметры транзисторов:

напряжение коллектор эмиттер: ;

статический коэффициент передачи: ;

максимальная рассеваемая мощность: ;

максимальный ток коллектора: .

температура перехода t=125 0C.

Данные транзисторы также относятся к классу мощных и для них требуются теплоотводы. Рассчитаем площадь радиаторов аналогично предыдущему случаю и получим: S>138 см2, отсюда S=150 см2.

Выбор диодов VD1 и VD2.

Выбор диодов производится по среднему прямому току и среднему обратному напряжению на диоде .

Рассчитаем ток диода:

(3.19)

.

По выходной характеристике для транзистора VT1 задавшись током , найдем напряжение , получим =0.35(В). Тогда напряжение на диоде равно . Выберем диоды МД3:

среднее обратное напряжение диода: ;

средний прямой ток: .

Выбор резисторов R6, R7 ( на общей схеме - R9 и R12).

(3.20)

- ток через резистор R8.

тогда

(3.21)

тогда , причем , возьмем их из ряда Е-24.

(3.22)

- мощность, рассеиваемая на резисторах,

выберем .

Выбор резисторов R10,R11( на общей схеме - R14 и R11)

Выбор произведем из условий:

и (3.23)

получаем: и

. (3.24)

тогда:,.

Выберем сопротивления R14,R11 из ряда Е24: R14=180 (Ом), R11=680 (Ом).

Найдем мощность рассеиваемую на резисторах:

, (3.25)

, .

выберем: ,.

4. Выбор обратной связи и ОУ для ВУ и ПУ

По условию технического задания необходимо обеспечить величину коэффициента нелинейных искажений УМ в соответствии с техническим заданием . Определим величину глубины ООС по формуле:

. (3.26)

- коэффициент нелинейных искажений УМ без ООС. При расчете примем =10%, тогда А=50,5. Коэффициент усиления ОУ предварительного каскада УМ без ООС равен:

. (3.27)

.

Частота среза ОУ для предварительного усилителя не должна быть меньше величины:

. (3.28)

- минимальная частота среза ОУ для ПУ.

Скорость нарастания выходного напряжения ОУ должна удовлетворять величине выходного сигнала на верхней граничной частоте:

(3.29)

следовательно:.

Выберем операционный усилитель 140УД26А.

Параметры операционного усилителя:

коэффициент усиления:;

напряжение смещения: 0.03 (мВ);

входной ток: 40 (нА);

напряжение питания: 15В;

ток потребления: 4.7 (мА);

максимальное выходное напряжение: 13.5 (В);

максимальный выходной ток: 10 (мА);

скорость нарастания выходного сигнала: 11;

входное сопротивление: 10 (МОм);

выходное сопротивление: 200 (Ом).

Глубина ООС равна:

(3.30)

подставив значения, получим:

коэффициент нелинейных искажений:

.

Сопротивление R5 (общей схеме - R8) возьмем равным R6: (ряд Е-24).

Найдем R4 ( на общей схеме R7):

, откуда

, тогда:

(ряд Е-24).

Все сопротивления мощностью 0.125.

Рассчитаем емкость C2 ( на общей схеме С4) исходя из граничной частоты полосы пропускания, равной 5 (Гц):

(3.31)

(ряд Е-12).