2.3 Расчёт параметров выходного каскада усилителя

Выходной каскад усилителя должен обеспечивать в диапазоне от 500 до 17 000Гц напряжение, равное 11В.

Выходной каскад усилителя включается по инвертирующей схеме (рис. 1). В разделе 2.1 было определено, что Квых = 1, принимаем R1(R23) = 510 Ом, тогда

R3(R25)=-Квх*R1= (-1)*510 Ом = 510 Ом.

R2(R24) =510*510/(510 Ом +510Ом) =255 Ом.

По ряду Е48, допуск ±2% номинал резистора R2 равен 249 Ом.

R1(R23) С2-29В-0,25-510Ом±2% (Е48)

R2 (R24) С2-29В-0,25-249 Ом±2% (Е48)

R3 (R25) С2-29В-0,25-510 Ом±2% (Е48)

Так как выходное напряжение 11 В, то выбираем микросхему OP-37E. Это высокоточный малошумящий операционный усилитель для построения различных устройств радиоэлектронной аппаратуры.

Микросхема усилителя во входном каскаде и в выходном каскаде одинакова, значит, и коэффициенты на граничных частотах равны Ку(jω_НИЖ) = 97дБ =70794,6; Ку(jω_ВЕР) = 60 дБ = 1000; γ = 1.

К(ω_НИЖ ) =70794,6/(1 +70794,6*1) = 0,99999;

К(ω_ВЕР ) = 1000/(1 + 1000*1) =0,999;

ΔК(ω_НИЖ ) = 1 – 0,99999 = 0,00001;

ΔК(ω_ВЕР ) = 1–0,999 = 0,001;

δ_УС (ω_НИЖ ) = 0,00001*100% /1 =0,001 %

δ_УС (ω_ВЕР ) = 0,001 *100% /1 = 0,1%

По техническому заданию изменение коэффициента усиления в полосе частот не должно превышать 0,5 %, полученные результаты намного лучше, значит, все параметры входного каскада подобраны верно.

Определение коэффициента частотных искажений

Коэффициент частотных искажений усилителя рассчитывается по формуле :

М = Ку(jω_НИЖ) / Ку (jω_ВЕР). (7)

Для выходного каскада имеем:

Мвых =0,99999/0,999=1,0009 ~ 1 – значит, частотные искажения очень малы.

2.4 Расчёт параметров промежуточного каскада усилителя напряжения

Как было рассмотрено в п 2.1 для минимизации частотных искажений промежуточный усилитель будет строиться на четырех операционных усилителях с коэффициентами усиления К _ПРОМ1 =1,1раз, К _ПРОМ2 = К _ПРОМ3 = К _ПРОМ4= К _ПРОМ5 =К _ПРОМ6=10 раз. Выбираем для промежуточного каскада микросхему ОР-37Е для улучшения параметров взаимозаменяемости в устройстве.

Промежуточный каскад обеспечивает стабильное значение большого коэффициента усиления (К _пром = 110 000 раз) в диапазоне частот от 500 Гц до 17000 Гц.

Для стабильной работы промежуточного каскада его первый и третий усилители включаются по инвертирующей схеме, а второй и четвертый – по неинвертирующей схеме. Инвертирующая схему включения операционного усилителя представлена на рисунке 1, а неинвертирующая – на рисунке 3.

Рисунок 3. – Схема второго и четвертого усилителей промежуточного каскада.

Расчет первого, третьего и пятого промежуточных усилителей.

Первый и третий усилители включены по инвертирующей схеме. Зная, что коэффициент усиления равен К _ПРОМ1 =1.1 раз, К_ПРОМ3 =К=10 раз, определим значения номиналов резисторов R1, R2 и R3.

Расчет первого усилителя.

Для коэффициента усиления инвертирующего усилителя имеем:

К_ПРОМ1= - R3/ R1.

К_ПРОМ1 = 1,1;

R1(R7, R15) = 510 Ом;

R3 (R9, R17) = К_ПРОМ1 * R1= 1,1*510 Ом =561Ом.

Резистор R2 в указанной схеме включения введен для того, чтобы уменьшить дифференциальный постоянный сигнал, появляющийся на входе микросхемы при температурных изменениях входных токов. Поэтому его значения следует выбирать из условия равенства активных сопротивлений, включенных в цепи входов микросхемы. Его значение определяется по формуле (4).

R2 (R8 ,R16) = 510 Ом*561Ом/ (510 Ом + 561 Ом) = 267,1 Ом.

По ряду Е192, допуск ±2% номинал резистора R2(R8, R16) равен 274 Ом.

R1(R7, R15) С2-29В-0,25-510Ом±2% (Е192)

R2 (R8, R16) С2-29В-0,25-274 Ом±2% (Е192)

R3 (R9, R17) С2-29В-0,25- 562 Ом±2% (Е192)

Расчет третьего и пятого промежуточных усилителей

К_ПРОМ3 =К _ПРОМ5=- R3/ R1.

R3 (R9, R17) = К_ПРОМ3 * R1= 10*510 Ом =5100 Ом.

R2(R8 ,R16) = 510 Ом*5100Ом/ (510 Ом + 5100 Ом) = 464 Ом.

По ряду Е192, допуск ±2% номинал резистора R2(R8, R16) равен 464Ом.

R1(R7, R15) С2-29В-0,25-510Ом±2% (Е192)

R2 (R8, R16) С2-29В-0,25-464 Ом±2% (Е192)

R3 (R9, R17) С2-29В-0,25- 5100 Ом±2% (Е192)

Расчет второго,четвертого и шестого промежуточных усилителей.

Второй, четвертый и шестой усилители включены по неинвертирующей схеме. Зная, что коэффициент усиления равен К _ПРОМ2 = К _ПРОМ4 =К _ПРОМ6 =10 раз, определим значения номиналов резисторов.

К _ПРОМ2 = 1+ R3/R2;

Примем К_ПРОМ2 = 10, R2 (R12, R20) = 510 Ом, тогда

R3 (R13, R21) = (К_ПРОМ2 - 1)*R2(R12, R20);

R3 (R13, R21) = (10 - 1)*510 Ом = 4590 Ом;

R1 (R11, R19) = 510 Ом*4590 Ом/(510Ом + 4590 Ом) = 459 Ом.

По ряду Е192, допуск ±2% номиналы резисторов:

R1(R11, R17) С2-29В-0,25- 464 Ом±2% (Е48)

R2 (R12, R20) С2-29В-0,25- 510 Ом±2% (Е48)

R3 (R13, R21) С2-29В-0,25 – 4,64 кОм±2% (Е48)

Определение погрешности коэффициента усиления в полосе частот

Расчёт погрешности коэффициента усиления в полосе частот проводится по формулам (5,6).

Значения коэффициентов на граничных частотах равны Ку(jω_НИЖ) = 97дБ =70794,6; Ку(jω_ВЕР) = 60 дБ = 1000; γ = 1/ К_ПРОМ1 = 1/1.1 = 0.91

К(ω_НИЖ ) =70794,6/(1 + 70794,6*0,91) = 1.0989;

К(ω_ВЕР ) = 1000/(1 + 1000*0,91) = 1.0977;

ΔК(ω_НИЖ ) = 1.1 – 1.0989 = 0,0011;

ΔК(ω_ВЕР ) = 1.1 – 1.0977 = 0,0023;

δ_УС (ω_НИЖ ) = 0,0011*100% /1.1 = 0,1%

δ_УС (ω_ВЕР ) = 0,0023*100% /1.1 = 0,21 %

γ = 1/ К_ПРОМ2 =1/10=0.1

К(ω_НИЖ ) =70794,6 /(1 +70794,6 *0,1) = 9.999;

К(ω_ВЕР ) = 1000/(1 + 1000*0.1) = 9.9;

ΔК(ω_НИЖ ) = 10 – 9.999 = 0,001;

ΔК(ω_ВЕР ) = 10– 9.9 = 0,1;

δ_УС (ω_НИЖ ) = 0,001*100% /10 = 0,01%

δ_УС (ω_ВЕР ) = 0,1*100% /10 = 1 %

Полученные результаты удовлетворяют требованию ТЗ, значит, расчёты верны.

Определение коэффициента частотных искажений усилителей промежуточного каскада

Коэффициент частотных искажений усилителя рассчитывается по формуле (7). Зная, что К(ω_НИЖ ) = 9,999, К(ω_ВЕР ) = 9,9 получаем следующее значение коэффициента искажений:

М _пром1 = 9,999/9,9 = 1,01 ~ 1 – значит частотные искажения малы.

Общий коэффициент Мобщ=Мвх*Мпром1*Мпром2*Мпром3* Мпром4*Мпром5*Мпром6*Мвых= =1,001*1,002*1,01*1,01*1,01*1,01*1,01*1,0009 = 1,055 ~ 1 – значит частотные искажения, вносимые всем усилительным трактом пренебрежимо малы.