2.2 Расчет дифференцирующего усилителя

Расчет дифференцирующего усилителя (дифференциатора) выполненного на основе аналогового операционного усилителя DA1 производят следующим образом (см. рис. 1.9).

В качестве DA1 выбирают аналоговый операционный усилитель (ОУ) типа К…УД…., исходя из заданных величин ~U_вх и ~U_вых устройства [6, 15]. Выписывают следующие параметры ОУ: E_п.оу(U_п.оу); I_п.оу; U_{вых max оу}; I_{вых.max.оу}; R_вх.оу; K_оу; f_т.оу [6, 15].

Производят расчет дифференциатора по методике [1].

Выбирают С1 = 0,001 … 1мкФ.

Уточняют тип и величину конденсатора С₁ согласно близкого стандартного значения, учитывая, что U_C1>>2E_П [12, 13].

Постоянная времени заряда дифференциатора _з = R₁ C₁,Ом  Ф.

Зная постоянную времени дифференцирования _з и задаваясь значением емкости C₁, определяют величину резистора R₁ по формуле R1 = _з / С₁.

По справочнику выбирают тип и стандартную величину резистора R₁ из ряда E24[7, 8].

Полученное значение R₁ должно удовлетворять условию(1.10):

R_min = (U_{вых max.oy} / I_{вых max.oy}) R₁ R_max = 100 кОм… 1 МОм.

Справка. Цепи питания ОУ и транзисторов усилителя мощности по отношению к источнику питания Е_п выбирают общими, а величины их питающих напря 17

жений (см. справочные данные) по отношению к Е_п дожны быть больше на 20 – 30 % т.е. составлять 1,3 Е_п. Стандартные величины постоянных напряжений

источника питания Е_п следующие: 0,25; 0,4; 0,6; 1,2; 2,4; 3; 4; 5; 6; 9 (10); 12; 15; 20; 24; 27; 30; 40; 48; 60; 80; 100; … [9].

Величина резистора R₂ эквивалентна параллельному соединению элементов R₁, C₁. На минимальной рабочей частоте входного сигнала величина резистора R₁ в основном определена ёмкостным сопротивлением Z_c

По формуле (1.12) на заданной минимальной f_min рабочей частоте определяют величину модуля коэффициента усиления (передачи) по напряжению дифференциатора

Следовательно, K_ду = -2f _minC₁ R₁ (см. рис. 1.9.).

Определяют выходное напряжение дифференцирующего усилителя на заданной минимальной f_min рабочей частоте

U_{вых ду} = U_вх К_ду согласно выше полученной величины К_ду. Если напряжения на выходе дифференциатора U_{вых ду} полученно по величине меньше заданного напряжения устройства U_ВЫХ, то в усилителе мощности (см. приложение Д) необходимо поставить усилитель напряжения на ОУ DA2, при этом коэфициент устройства есть произведения К_ду на К_ум, т.е. К_ду*К_ум.

2.3 Расчет усилителя мощности

2.3.1 Выбор компонентов усилителя мощности

В техническом задании на курсовой проект приведены сопротивление нагрузки R_Н и амплитудное значение синусоидального напряжения ~U_вых. на нагруке. 18

Используя эти значения, по формулам рассчитывают мощность, выделяемую на нагрузке (см. рис. 1.10) P_нр = U²_вых / R_н.

Рассчитывают максимальный коллекторный ток I_к.max выходного транзистора (ток нагрузки I_нр) по формуле I_к.max =I_нр=U_вых / R_н.

Рассчитывают величину напряжения источника питания ± E_пр = 1,2U_вых + ∆U_кэ,

где ∆U_кэ = (0,5…2)В – величина, которая соответствует нелинейному участку семейства выходных характеристик транзистора (см. рис. 1.11).

Выбирают по верхнему пределу величины стандартных постоянных питающих напряжений  EП из ряда напряжений, указанных выше и рекомендуемых ГОСТом, близких по верхнему пределу к расчётным Е_пр. [9].

Выбирают тип выходных транзисторов VT3, VT4. Для этого расчитывают мощность, рассеиваемую в их коллекторных переходах, одновременно выбирая величины расчётных коллекторных токов I_кр [5, 7, 14].

P_кр = P_и – P_нр,

где P_и = E_п I_нр – мощность, потребляемая каскадом от источника питания.

По найденным значениям величин P_кр, Е_п, I_кр = I_нр выбирают по справочнику транзисторы VT3,VT4, паспортные значения величин которых (максимально допустимые параметры перечисленных величин) должны превышать полученные расчётные значения на 15…30 % [5, 7, 14]. Например, I_кmax=(1,15…1,3)I_кр

I_{к max} ≥ I_кр; U_{кэ max} ≥ 2E_п; P_{к max} ≥ P_кр; f_max ≥ 2f_{p max}.

Для выбранных по справочнику транзисторов выписывают их параметры [14]:

h'_{21э min}; U'_{кэ max}; I'_{к max}; f '_max; P'_{к max}.

Выбирают тип операционного усилителя DA1 (предварительный усилитель по напряжению), в составе усилителя мощности, типа К…УД… или К…УН… (см. рис. 1.10) [6]. При этом величина напряжения питания ±U_п.оу выбранного операционного усилителя должна быть больше на 15…30% относительно выбранного стандартного напряжения питания ±Е_п. 19

Рисунок 1.7 - Схема электрическая принципиальная двухтактного усилителя мощности реализованного на биполярных транзисторах

Рисунок 1.8 - Схема электрическая принципиальная интегрирующего усилителя (интегратора) реализованного на ОУ

Рисунок 1.9 - Схема электрическая принципиальная дифференцирующего усилителя (дифференциатора) реализованного на ОУ

20

Таким образом, в качестве предварительного усилителя по напряжению выступает ОУ общего применения, максимальное выходное напряжение U_{вых.max оу} которого не может быть ниже заданного (расчётного) выходного U_вых напряжения на нагрузке, так как выходной транзисторный каскад (усилитель мощности, как эмитторный повторитель) не осуществляет усиления по напряжению, а только по току.

По справочнику выписывают необходимые параметры предварительного усилителя по напряжению, например, максимальный выходной ток ОУ I_{вых max oy}, напряжение питания U_п.оу и т.д. [6, 15].

Определяют коэффициент усиления транзисторного каскада по току К_i:

K_i = I_нр / I_{вых max oy}.

Если K_i больше или равен минимальному коэффициенту усиления по току h_{21 э.мин} транзисторов VT3, VT4, то необходимое усиление по току будет обеспечено этими транзисторами, и схема транзисторного каскада (см. рис. 1.7) упрощается (два транзистора ликвидируются – см. приложение Д), в противном случае выбирают вторую пару транзисторов VT1, VT2.

Определяют коэффициент усиления по току, который необходимо обеспечить транзисторами VT1,VT2

h_{21э VT1} = K_i / h_{21э VT3}

Определяют коллекторный ток транзистораVT1

I_{к VT1} = I_{б VT3} = I_{к VT3} / h_{21э VT3}.

Выбирают комплементарную пару маломощных транзисторов VT1, VT2, по справочнику с учётом того, чтобы их паспортные данные по току, напряжению питания и т. д. на 15…30 % превышали расчётные [5, 14].