4 Предварительный усилитель на операционном усилителе

Исходные данные:

- мощность, потребляемая нагрузкой Р_н= 3 мкВт;

- сопротивление нагрузки R_н= 332 Ом;

- частота сигнала f_н=5,5 кГц;

- амплитуда напряжения на нагрузке

- коэффициент нелинейных искажений в нагрузке ГСС γ_н = 0.37%;

- коэффициент нелинейных искажений двухтактного усилителя мощности γ_2УМ = 3.46%;

- коэффициент нелинейных искажений однотактного усилителя мощности γ_1УМ = 1.79%;

- коэффициент нелинейных искажений вносимых генератором γ_Гsin = (0.9÷0.95)∙γ_н = 0.34%_.

- - мощность, потребляемая нагрузкой ГСС Р_нГСС = 12,5 Вт;

- сопротивление нагрузки ГСС R_нГСС = 25 Ом;

- нестабильность амплитуды ∆U_н/U_н= 10^-2.

Рис. 5.1 – Принципиальная схема ПУ с инверсным включением

Выполним предварительный усилитель (ПУ) на ОУ с инвертирующим включением.

5.1 Расчет требуемой глубины осс.

Для уменьшения нелинейных искажений сигнала, возникающих в каждом каскаде усилителя синусоидального сигнала, вводится общая отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению со сложением напряжения.

1) Находим суммарный коэффициент нелинейных искажений вносимый усилителем синусоиды (принимаем _ПУ = 1%):

.

2) Находим нелинейные искажения отводимые на усилитель синусоиды:

,

3) Обратная связь должна обеспечить такое усиление, чтобы, имея известный после расчета генератора сигнал на входе предусилителя, получить требуемый сигнал в нагрузке (принимаем напряжение на выходе генератора синусоиды с учетом регулировки равным U_вхПУ = 2,5 В), т.е.

K_β=U_нm/U_вхПУ = _/U_вхПУ = ,

4) Вводимая ООС должна подавить величину суммарных нелинейных искажений γ_∑ до требуемого значения γ_{Уsin треб}, т.е. необходимый фактор ООС равен:

5) Находим коэффициент усиления при разомкнутой ОСС:

К = К_ПУ  К_1УМ  К_2УМ = F·К_β= 27.5∙10 = 275

Находим β=

6) Находим коэффициент передачи ПУ:

2. Расчет параметров пу

Условия выбора ОУ:

- максимально допустимый выходной ток ОУ должен быть больше входного тока последующего каскада, т.е.

I_{вых maxОУ} ≥I_{вх 1УМ}

I_{вх 1УМ} ==0.135ּмА

I_{вых maxОУ} ≥ 0.135 мА

- ОУ должен обеспечить требуемую для последующего каскада мощность:

Р_{вых ОУ}  Р_{вх 1УМ}

Р_{вых ОУ}  3 мкВт

- граничная частота работы ОУ должна быть много больше частоты сигнала в нагрузке:

f_{гр ОУ}  ( 10 20 )f_н=(55110) кГц

Исходя из полученных данных, выбираем ОУ типа К153УД6 с параметрами:

K ≥50000; U_выхm=10 В; I_пот=3 мА; е_см ≤ 2 мВ; i_вх ≤ 10 нА; f_гр = 0,7 МГц; TKе_см =15 мкВ/С; U_п = 15 В; R_нmin = 2 кОм.

Действительно:

I_{вых max ОУ}= мА >> 0,135 мА.

Р_{вых max ОУ}= мВт >> 0.003 мВт.

f_грОУ=700 кГц > (55110) кГц.

2) Сопротивления R1, R2, R3, R_ОС выбираются по условиям минимума аддитивной погрешности, который наблюдается при (рис.5.1):

G_-=G₊=G,

где G_-= ; G₊=;

и выполнении неравенства

R= <<=200 кОм.

Следовательно, R ≤ 20 кОм и необходимо, чтобы из трех резисторов R1, R2, R_ОС, хотя бы один был не более 20кОм. Кроме того нельзя превыситьI_{вых maxОУ}:

I_R2≤ I_{вых max ОУ}- I_{вх 1УМ},

I_R2= U_{вых ПУ}/R₂,

R2≥=1,35ּ10^-4ּ331/(5·10^-3-1,35ּ10^-4)=92 Ом.

Выбираем R2=10 кОм. Тип резистора: МЛТ-0,125-10кОм±5%.

Тогда R1= R2/ К_ПУ=10/0,23=42.7 кОм.

R_ОС= R2/ β=10/0,0923=108.3 кОм.

Выбираем R1 = 43 кОм. Тип резистора: МЛТ-0,125 - 43кОм ± 5%.

Выбираем R_ОС =110 кОм. Тип резистора: МЛТ-0,125-110кОм±5%.

3) Сопротивление резистора R3 найдем из условия минимума аддитивной погрешности:

Выбираем R3=7,5 кОм. Тип резистора: МЛТ-0,125-7,5кОм±5%.

4) Уточнение параметров ПУ:

К_ПУ = R2 / R1 = 10 / 43 = 0,23.

Т.к. К_ПУ не изменился, то и остальные параметры остались прежними.