3.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами.
Значения R1, R2, R3, С1 и С2 рассчитаны ранее, в разделе 1.3 (стр.8-9),
Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания Кu, нижнюю граничную частоту полосы пропускания fн, верхнюю граничную частота fв и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование.
16
Как видно из полученных результатов, усилитель, состоящий из двух усилительных подсхем, имеет верхнюю граничную частоту fв намного больше по сравнению с усилителем с одним неинвертнрующем РУ, а именно fв = 29.919 кГц. Полученная частота соответствует заданной ( по заданию fв должна быть не менее 20 кГц). Следовательно, схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 3.1, подходит.
17
4. Проектирование мощного выходного каскада усилителя
На рисунке 4.1 представлена схема усилителя на двух ОУ с мощным выходным каскадом (ВК). Для экономии места на рисунке не приведена усилительная подсхема (DA1; R1; R2; R3; С1).
Рисунок 4.1.
Выходной каскад
(VT1–VT4; R6–R9)
предназначен для получения большого
тока нагрузки IНМ
= 1,2 А. Интегральный ОУ 741 имеет максимальный
ток нагрузки IНМ =
10-20 мА, что явно недостаточно для нашего
усилителя. ВК усиливает только по току;
по напряжению его к
оэффициент
передачи близок к 1 (повторитель
напряжения). Действительно, VT1 и VT3 по
одному и VT2 и VT4 по другому пути – каскады
с общим коллектором, не инвертируют,
KU≈1. ВК на рисунке 11 – двутактный
каскад режима класса АВ. При UВЫХ
> 0 (полярность без скобок) VT3 – в активном
усилительном режиме, VT4 – в отсечке, ток
нагрузки IН течет
по цепи: +UИП – коллектор-эммитер
VT3 – R8 – RН – общая
шина. При UВЫХ < 0 VT3
– в отсечке, VT4 – в активном усилительном
режиме, ток нагрузки IН
течет по цепи: общая шина – RН
– R9 – эммитер-коллектор
VT4 – –UИП. Наличие двух источников
18
питания позволяет обеспечивать двухполярный диапазон изменения выходного напряжения –10B≤ UВЫХ ≤ 10В. Режим класса АВ создается введением транзисторов VT1, VT2. Падение напряжения UAB = UЭБ1 + UЭБ2 ≈ 0.6 + 0.6 = 1.2 В приоткрывает транзисторы VT3 и VT4 при UВЫХ = 0. Через них течет некоторый начальный сквозной ток I0, при этом рабочая точка транзисторов VT3 и VT4 выводится на начало линейного участка, что минимизирует нелинейные искажения UВЫХ ВК и всего усилителя. Резисторы R8 и R9 необходимы для ограничения сквозного тока I0.
Расчет выходного каскада.
Дано: UВЫХ.М = 10 В, IНМ = 1,2 А, βМИН = IК / IБ = 100 (для всех транзисторов). β – статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эммитером. IЭ ≈ IК.
Определяем минимальное сопротивление нагрузки:
Сопротивление R6 выбираем из условия обеспечения напряжения UВЫХ.М = 10 В при IН = IНМ. В этом режиме через транзистор VT1 течет минимальный ток IЭ1.МИН. Зададимся минимальным током IЭ1.МИН = 2 мА. Меньше нельзя, транзистор теряет усилительные свойства. При этом в цепи базы VT3 течет максимальный ток
IБ3.М = Iнм / βМИН.З = 1.2 / 100 = 12 мА (IКз ≈ IЭз =Iнм)
IR6=IЭ1.МИН + IБ3.M= 2мА + 12мА= 14мА
В этом режиме из 2го закона Кирхгофа
Uип = UR6 + UЭБ.3 + UR8 +UВЫХ.М.
UЭБ.3= 0.8 В, UR8≈0.2 В, UR6= Uип- UR8- UЭБ.3- UВЫХ.М.=15-0.2-0.8 -10=4В
R6= UR6 / IR6 = 4/ 14*10-3 ≈286 Ом
Сопротивление в резисторах не более 3х значащих цифр, так как точность их изготовления – 5-10%. Аналогичным образом определим R7, R8 из условия обеспечения напряжения –UВЫХ.М = –10 В. IН = –IНМ = –1,2 А. βМИН.3 = βМИН.4.
R7 ≈R6=286 Ом
IR8 ≈ Iнм=1.2 А R9= R8≈ UR8 / Iнм= 0.2 / 1.2 = 0,167 Ом
Максимальные мощности, рассеиваемые на элементах ВК.
Мощность рассеяния на коллекторе транзистора PK = IK*UКЭ, где IK – ток коллектора, UКЭ – напряжение коллектор-эммитер.
19
РКЗМ ≈ РК4М ≈ Uип2/(4*RН.МИН) = 152/(4*8.33) ≈6,753 Вт
Транзтсторы VT3, VT4 нужно устанавливать на теплоотвод, поскольку допустимая мощность рассеяния на транзисторе без теплоотвода как правило не превышает 2-4 Вт.
РК2М ≈ РК1М ≈ Uип2/R6 = 152/286 ≈0,787 Вт
Транзисторы VT1 и VT2 можно использовать без теплоотвода.
Определим максимальную мощность на резисторе R6 при UВЫХ = –UВЫХ.М.
Uип = UR6М + UЭБ.1 + UЭБ2 -UЭБ.4 - UR9 -UВЫХ.М.
UR6М = Uип+ UВЫХ.М.+ UЭБ.4+ UR9- UЭБ.1 - UЭБ2= 15+10+0.8+0.2-0.6-0.6=24.8 Вт ≈ 25Вт
РR7М ≈ PR6М= UR6М2 / R6 = 252/286 = 2.185 Вт
РR9М ≈ PR8М= Iнм2 * R8 = (1.2)2*0.167 = 0.24 Вт
20
Заключение
В ходе выполнения курсового проекта была спроектирована схема высококачественного усилителя переменного тока, состоящего из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на неинвертирующем РУ, что позволяет получить большое входное сопротивление; выходная подсхема реализуется на основе инвертирующего РУ, используется для получения высокого коэффициента усиления всего усилителя. Так же усилитель, основанный на двух усилительных подсхемах , позволяет получить высокую верхнюю граничную частоту.
21