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).