2.2. Регулятор уровня

Преобразователь сигнала необходим, чтобы обеспечить заданную величину выходного напряжения при разбросе выходного напряжения задающего генератора. Переменным резистором R₁₂, который является делителем напряжения, регулируется уровень выходного напряжения задающего генератора. Т.к. необходимо обеспечить диапазон регулирования выходной величины -100 % от максимального значения, то достаточно одного подстроечного резистора номиналом больше или равным выходному сопротивлению операционного усилителя DA1. Выберем R₁₂=2,2 кОм.

Мощность, рассеваемая на нем:

мВт

2.3. Усилитель мощности

Рис.2 Усилитель мощности

При выборе типа оконечного каскада следует отдавать предпочтение каскадам с возможно большим КПД и требуемыми качественными показателями. Основным качественным показателем, зависящим от типа выходного каскада, является коэффициент нелинейных искажений . Снижениеи увеличение КПД – противоречивые требования. В литературе рекомендуют для этого использовать двухтактные усилительные каскады, работающие в классе АВ.

Снижение коэффициента нелинейных искажений достигается выбором тока покоя выходных транзисторов (класс АВ близкий к В) и применением ООС, охватывающей непосредственно выходной каскад.

Выходные каскады в классе АВ могут быть выполнены по трансформаторной и бестрансформаторной схемам включения нагрузки. В трансформаторном усилительном каскаде всегда имеются некоторые потери мощности и дополнительные искажения формы выходного сигнала за счет трансформатора, поэтому в последнее время предпочтение отдают бестрансформаторным каскадам.

Кроме того, критерием для принятия решения в пользу бестрансформаторного варианта УМ является соотношение:

, где

- остаточное напряжение коллектор-эмиттер транзистора при максимальном токе нагрузки;

- амплитуда выходного сигнала.

Для мощных транзисторов, рекомендуемых для работы в усилителях .

Проверим соотношение (2.22):

В

Выбор транзисторов для выходного каскада усилителя мощности производят по следующим параметрам:

- рассеиваемой в нем мощности

- граничной частоте усиления

- допустимым напряжениям

- допустимым токам

Для выходного каскада усилителя, работающего в классе АВ с двумя источниками питания, напряжение каждого источника выбирается из условия: .

Величина в дальнейшем уточняется по характеристикам окончательно выбранного транзистора.

Наибольшее напряжение на транзисторе в таком каскаде примерно равно удвоенному напряжению питания. Поэтому транзисторы VT1,VT4 по напряжению будем выбирать из условия:

В

Мощность, выделяемая в транзисторах выходных каскадов, зависит от заданного режима покоя и формы усиливаемых сигналов. Для предварительного расчета примем, что каскад работает в классе В. Наибольшая мощность, выделяемая в каждом транзисторе выходного каскада, работающего в классе В, для синусоидального сигнала, при активном сопротивлении нагрузки равна:

Сопротивление определим из выраженияОм

Тогда Вт.

Выбор транзисторов по току для бестрансформаторных схем определяется выражением:

А

Частотные свойства выходных транзисторов должны соответствовать требуемой полосе пропускания всего усилителя. Так как верхняя граничная частота усилителя , то граничная частота усиления транзисторов должна быть не менее:МГц.

Для работы в двухтактных усилительных каскадах применяют пары комплиментарных транзисторов, то есть биполярных транзисторов разной проводимости, имеющих близкие параметры. Выберем комплиментарную пару: КТ829А и КТ853А.

Максимально допустимые параметры транзисторов КТ829А и КТ853А [1]:

Граничное напряжение:	100(В)
Максимальный ток коллектора:	8 (А)
Мощность рассеивания коллектора:	60 (Вт)
Граничная частота:	4 (МГц)
Статический коэффициент передачи тока:	750

Т.е. все необходимые параметры у этих транзисторов выше расчетных, поэтому применяем в выходном каскаде УМ транзисторы КТ829А и КТ853А.

Одной из главных задач при конструировании радиоэлектронной аппаратуры является отвод тепла от полупроводниковых приборов. Повышение температуры окружающей среды или корпуса транзистора вызывает существенное искажение основных параметров и эксплуатационных характеристик приборов. Снижаются значения допустимой рассеиваемой мощности и напряжения на электродах, возрастают обратные токи и т.п. Поэтому возникает задача расчета теплоотводов для выбранных транзисторов. Рассчитаем площадь теплоотвода, используя следующие соотношения:

, где

- максимальная рассеиваемая мощность на транзисторе, Вт;

- коэффициент теплоотдачи, зависящий от материала, конструкции и способа обработки теплоотвода. Для черненого ребристого алюминиевого теплоотвода обычно принимают;

- температура перехода, обычно ее принимают наниже предельно допустимой;

- температура среды, максимальная температура по заданию;

- тепловое сопротивление переход-корпус;

- тепловое сопротивление корпус-теплоотвод.

Для получения нужных коэффициентов усиления по току и по напряжению, в усилитель мощности вводится предоконечный каскад. Транзисторы для предоконечного каскада усилителя мощности должны иметь следующие параметры:

В.

мА.

мА.

Вт.

Исходя из перечисленных условий выбираем транзисторы 2Т214Г – I (p-n-p) и 2Т215Г – I (n-p-n). Параметры транзисторов [1]:

максимальное напряжение коллектор – эмиттер:	40 (В)
статический коэффициент передачи тока:
максимальная рассеиваемая мощность:
максимальный ток коллектора:
рабочие напряжение транзистора:

Номинальные значения резисторов базовых цепей выходных транзисторов определяем по формуле:

, где

= 0,7 В., = 1мА,= 0,5 В. – значения параметров транзисторов, найденные по входным статическим характеристикам.- обратный ток коллектора (найденный из справочника [1]). Тогда получим

Выбираем ближайшее значение из ряда Е24: = 470 Ом.

Мощность, рассеиваемая на каждом из резисторов:

Возьмем сопротивления мощностью 0,125 Вт.

Коэффициент усиления по напряжению возьмем равным . Тогда отношение значений резисторови, определяющих коэффициент усиления каскада, находится по формуле:

Ток через делитель напряжения на резисторах должен быть не менее, чем на порядок больше, чемтранзистора оконечного каскада, тогда

С другой стороны:

Выбираем ближайшее значение из ряда Е24: == 1 кОм.

Мощность, рассеиваемая на каждом из резисторов:

Возьмем сопротивления мощностью 0,125 Вт.

Напряжение смещения и температурную стабильность каскадов УМ обеспечивают диоды в базовых цепях предвыходных транзисторов.

Ток оконечных транзисторов является током покоя коллектора предоконечных транзисторов, т. е.. Ток базы покоя предоконечных транзисторов равен:

Для транзистора КТ315Д такой ток обеспечивается при напряжении база-эмиттер . Такое смещение может обеспечить диод Д310.

Ток для этих диодов берется более чем на порядок больше . Выбираем ток смещения диодов Д310. Ток через диоды задается резисторамиR18 иR19:

Выбираем значения резисторов .

Мощность, рассеиваемая на резисторе, .

Берем мощностью 0,125 Вт

Напряжение на выходе усилителя мощности . Предположим, что напряжение на входе усилителя мощности равно 2 В. Тогда коэффициент усиления по напряжению УМ, охваченного отрицательной связью, будет равен:

С другой стороны,

,где

- коэффициент усиления усилителя мощности без ОС;

- коэффициент петлевого усиления.

Обычно, , тогда из выражения (2.44) получим

Найдем из следующего выражения:

,где

- коэффициент нелинейных искажений с учетом ООС (он задан в ТЗ).

- коэффициент нелинейных искажений без ОС.

Для двухтактной схемы примем .Подставим в (2.46) и выразим :

Кроме того,

,

- коэффициент усиления предварительного усилителя;

- коэффициент усиления оконечного каскада.

Тогда в качестве предварительного усилителя надо взять такой операционный усилитель, чтобы у него на единичной частоте усиления коэффициент был:

Тогда требования к ОУ определим следующим образом:

Частота единичного усиления:

Скорость нарастания выходного напряжения:

Выберем ОУ К544УД2А. Его параметры [2]:

Выходное напряжение:	10(В)
Напряжение питания:	15(В)
Ток потребления:	7 (мА)
Входной ток:	0,1 (нА)
Частота единичного усиления:	15 (МГц)
Скорость нарастания выходного напряжения:	20 (В/мкс)

Обычно сопротивление R17 выбирают равным входному сопротивлению УМ R15, а его, в свою очередь, делают достаточно большим по отношению к максимальному сопротивлению регулятора уровня. Выберем кОм. Из ряда Е24 выберем сопротивления номиналом 100 кОм.

Усилитель мощности охваченный ООС, должен обеспечивать коэффициент усиления по напряжению равный 10 (2.43). Таким образом .

Для развязки выхода регулятора уровня и входа ПУ по постоянному току, а также для предотвращения возникновения ООС в УМ по постоянному сигналу, включаем емкости С9 и С10, соответственно. Их величины определим из выражений:

Получим, = 3 нФ,= 28 нФ. Выберем значения емкостей из ряда Е12:= 3,3 нФ,= 33 нФ.

Питание усилителя мощности осуществляется от источников с напряжением , поэтому для питания операционных усилителей задающего генератора и предварительного усилителя устанавливаем параметрические стабилизаторы на стабилитронах КС515А:

Ток стабилизации номинальный:	5 (мА)
Напряжение стабилизации при :	13,5……16,5 В.

Гасящие резисторы в цепи стабилитрона рассчитаем по формуле:

Выберем резисторы из ряда Е24: .

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на каждом резисторе:

Выберем резисторы мощностью 0,125 Вт.