3. Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов ni elvis

Рис. 6.1

Рис. 6.2

1. Усилитель на одном неинвертирующем РУ

Верхняя граничная частота усилителя небольшая (см. рис. 6.2) и равна 997,63 Гц. При использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление усилителя, но при этом возникают трудности в реализации высокой верхней граничной частоты. Как следует из частотной характеристики усилителя, чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота.

2. Усилитель на одном неинвертирующем и одном инвертирующем РУ

Верхняя граничная частота усилителя на двух усилительных подсхемах намного больше верхней граничной частоты усилителя на одном неинвертирующем РУ (см. рис.7.1) и равна =31547,87 Гц. Это доказывает, что усилитель, построенный на неинвертирующем и инвертирующем РУ является наиболее высококачественным и эффективным за счет того, что одновременно обеспечивает большой коэффициент усиления, большое входное сопротивление и наиболее широкую полосу пропускания.

Рис. 7.1

4. Проектирование мощного выходного каскада усилителя

На рисунке 8.1 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 8.1.

Выходной каскад (VT1–VT4; R6–R9) предназначен для получения большого тока нагрузки I_НМ = 1,2 А. Интегральный ОУ 741 имеет максимальный ток нагрузки I_НМ = 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, K_U≈1. ВК на рисунке 11 – двутактный каскад режима класса АВ. При U_ВЫХ > 0 (полярность без скобок) VT3 – в активном усилительном режиме, VT4 – в отсечке, ток нагрузки I_Н течет по цепи: +U_ИП – коллектор-эммитер VT3 – R8 – R_Н – общая шина. При U_ВЫХ < 0 VT3 – в отсечке, VT4 – в активном усилительном режиме, ток нагрузки I_Н течет по цепи: общая шина – R_Н – R9 – эммитер-коллектор VT4 – –U_ИП. Наличие двух источников питания позволяет обеспечивать двухполярный диапазон изменения выходного напряжения –10B≤ U_ВЫХ ≤ 10В. Режим класса АВ создается введением транзисторов VT1, VT2. Падение напряжения U_AB = U_ЭБ1 + U_ЭБ2 ≈ 0.6 + 0.6 = 1.2 В приоткрывает транзисторы VT3 и VT4 при U_ВЫХ = 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 U_ВЫХ ВК и всего усилителя. Резисторы R8 и R9 необходимы для ограничения сквозного тока I₀.

Расчет выходного каскада.

Дано: U_ВЫХ.М = 10 В, I_НМ = 1,2 А, β_МИН = I_К / I_Б = 100 (для всех транзисторов). β – статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эммитером. I_Э ≈ I_К.

Определяем минимальное сопротивление нагрузки:

Сопротивление R₆ выбираем из условия обеспечения напряжения U_ВЫХ.М = 10 В при I_Н = I_НМ. В этом режиме через транзистор VT1 течет минимальный ток I_Э1.МИН. Зададимся минимальным током I_Э1.МИН = 2 мА. Меньше нельзя, транзистор теряет усилительные свойства. При этом в цепи базы VT3 течет максимальный ток

IБ3.М = Iнм / β_МИН.З = 1.2 / 100 = 12 мА (I_Кз ≈ I_Эз =Iнм)

I_R6=I_Э1.МИН + I_Б3.M= 2мА + 12мА= 14мА

В этом режиме из 2го закона Кирхгофа

Uип = U_R6 + U_ЭБ.3 + U_R8 +U_ВЫХ.М.

U_ЭБ.3= 0.8 В, U_R8≈0.2 В, U_R6= Uип- U_R8- U_ЭБ.3- U_ВЫХ.М.=15-0.2-0.8 -10=4В

R₆= U_R6 / I_R6 = 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 –U_ВЫХ.М = –10 В. I_Н = –I_НМ = –1,2 А. β_МИН.3 = β_МИН.4.

R₇ ≈R₆=286 Ом

I_R8 ≈ Iнм=1.2 А R₉= R₈≈ U_R8 / Iнм= 0.2 / 1.2 = 0,167 Ом

Максимальные мощности, рассеиваемые на элементах ВК.

Мощность рассеяния на коллекторе транзистора P_K = I_K*U_КЭ, где I_K – ток коллектора, U_КЭ – напряжение коллектор-эммитер.

Р_КЗМ ≈ Р_К4М ≈ Uип²/(4*R_Н.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.

Р_К2М ≈ Р_К1М ≈ Uип²/R₆ = 15²/286 ≈0,787 Вт

Транзисторы VT1 и VT2 можно использовать без теплоотвода.

Определим максимальную мощность на резисторе R6 при U_ВЫХ = –U_ВЫХ.М.

Uип = U_R6М + U_ЭБ.1 + U_ЭБ2 -U_ЭБ.4 - U_R9 -U_ВЫХ.М.

U_R6М = Uип+ U_ВЫХ.М.+ U_ЭБ.4+ U_R9- U_ЭБ.1 - U_ЭБ2= 15+10+0.8+0.2-0.6-0.6=24.8 Вт ≈ 25Вт

Р_R7М ≈ P_R6М= U_R6М² / R₆ = 25²/286 = 2.185 Вт

Р_R9М ≈ P_R8М= Iнм² * R₈ = (1.2)²*0.167 = 0.24 Вт

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