Расчет усилителя мощности

Оценка  нелинейных искажений производится с помощью сквозной характеристики. Сквозная характеристика, т.е. зависимость  , строится для одного плеча схемы выходного каскада, по уравнению

,

когда

При этом используются входные и выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Оценка нелинейных искажений проводится по методу 5-ти ординат.

Все принятые и найденные значения токов и  напряжений заносятся в таблицу 3.6.

Таблица 3.6

.(мкА)	(мА)	(В)	(В)
11.36	1	0.53	0.541
100	14	0.621	0.721
150	27	0.642	0.792
300	39	0.663	0.963
500	59	0.684	1.184
950	97	0.737	1.687
1020	104.2	0.747	1.767
1050	105	0.758	1.808

 

Используя данные таблицы 3.6 строится сквозная характеристика вида (рис. 3.12).

 

.

 

Рис.3.12. Сквозная характеристика выходной цепи бустера

 

Разбивая обрезок U_Гмin -U_Гмах на четыре равные части определяются пять значений токов: . С учетом асимметрии плеч, задавшись коэффициентом асимметрии  , уточним найденные ранее пять значений токов плеч.

,

,

,

,

.

По полученным пяти значениям токов плеч выходного  каскада рассчитываются значения амплитуд четырёх высших гармоник тока коллектора.

 

 

Проводится проверка найденных значений токов гармоник по формуле:

,

где

Коэффициент нелинейных искажений или коэффициент 1-ой гармоники сигнала выходного каскада рассчитывается следующим образом:

Найденное значение коэффициента нелинейных искажений (гармоник) меньше 1 и находится в пределах 20 – 85%.

С учётом частотных свойств операционного  усилителя и наличия глубокой отрицательной обратной связи в  выходном каскаде значение коэффициента нелинейных искажений должно быть пересчитано

,

где и - коэффициенты гармоник без ООС и с ООС,

F – глубина ООС, равная:

,

Коэффициент в относительных единицах определяется из ЛАЧХ операционного усилителя выходного каскада на заданной частоте f_B [1]. Значение К_{U расч} принимается в соответствии с расчетами в подразделе 3.6.3.

      

  Полученное значение коэффициент нелинейных искажений не удовлетворяет требованиями задания. Для выполнения этих  требований необходимо принять меры для уменьшения величины , например, введением местной отрицательной последовательной обратной связи по току в цепи выходных транзисторов последнего каскада.

  Последовательно в цепь эмиттера выходного транзистора включается резистор R_МОС , его расчет производится из формулы необходимого значения коэффициента гармоник:

где параметр крутизны транзистора при токе нагрузки.

Принимаем сопротивление  резистора R_МОС согласно требованиям номинальных значений (его величина лежит в пределах сотен Ом) R_МОС=680(Ом).

Резистор  R_МОС снижает не только нелинейные искажения, но и снижает усилительные свойства выходного каскада на величину раз.

Тогда .

Рассчитываем  глубину ООС:

Находим величину коэффициента нелинейных искажений:

Полученное значение коэффициента нелинейных искажений  удовлетворяет требованиям задания: 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет предварительного усилителя

Схема УМ должна обеспечивать необходимое  усиление, рассчитанное во втором  разделе с суммарным коэффициентом усиления =50000. В подразделе 3.7 найдено значение коэффициента передачи по напряжению оконечного каскада =0,068. На оставшиеся два каскада (входной и промежуточный) усиление должно составлять

Условно принимаем равное усиление в относительных единиц на каждый из каскадов с коэффициентом передачи по напряжению , где N- число каскадов, найденное в 2-ом разделе

4.1. Расчёт входного каскада

Как уже было отмечено во 2-м разделе, входным каскадом УМ является дифференциальный каскад. Произведем его расчет. Схема дифференциального входного каскада представлена на схеме рис.4.1.

 

Рис.4.1. Схема дифференциального входного каскада

 

 

 

 

 

Выбор ОУ производится  из следующих  соображений:

I_вх.оу < I_г     {0.03мкА<0.0893мкА}

U_вых.оу. < Е_ИП=15 – 18 В. {11B<15-18B}

f_в. < f_{Т ОУ}    {9.2кГц<1МГц}

Принимается ОУ типа К140УД6[1],параметры которого представлены в таблице 4.1.

 

 

Таблица4.1

Тип

UИП В

I потреб мА

Uвых .max. B

RН.min кОм

KУ собствен. коэф. усилне.

Uвх. сф max. B

Iвх. нА

∆Iвх. нА

Rвх. MОм

Rвых. Ом

fT МГц

Внутренняя коррекция

K140УД6

±15

4

±11

1

30000

±15

30

25

1

150

1

+

Функциональная  и принципиальная электрические схемы данного ОУ представлены на рисунке 4.2.

Рис.4.2 Функциональная и принципиальная электрические схемы операционного усилителя К140УД6

Далее проводится расчет элементов схемы. Рассчитывается сопротивление резисторов R₁ и R₂:

 (МОм)

Так как  рассчитываемая схема является усилителем мощности, то следует обеспечить согласование сопротивлений не только по выходу, но и по входу. Поэтому принимаются номинальные значения сопротивлений R₁ , R₂ равные выходному сопротивлению источника сигнала, но лежащие в пределах 5 – 10 кОм. Принимаются номинальные значения сопротивлений резисторов R₁ =R₂=5,1кОм_.

Сопротивление резистора R₄ рассчитывается исходя из ранее принятых значений . Тогда

Принимается номинальное  значение R₄=4300(кОм).

Сопротивление резистора R₃ принимается равным R₄=4300(кОм)

При найденных  значениях сопротивлений резисторов уточняется коэффициент передачи по напряжению усиления схемы входного каскада по формуле 

Сопротивления регулировочного резистора R₅ принимается из следующего условия:

(кОм)

где должно соответствовать табличным данным ОУ.

Принимается переменное сопротивление номинального значения R_рвг=3,3(кОм).

4.2. Расчёт промежуточного каскада

Схема этого каскада изображена на схеме рис.2.2. Тип ОУ для промежуточного каскада усиления принят в подразделе 4.1.

Определим сопротивление резистора R₁:

 (Ом) ,

где

Принимается номинальное  сопротивление резистора  (5 – 10 кОм),R₁=5,1(кОм).

Коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада принимается равным согласно выше приведённым расчётам. Исходя из этого значения, производится расчет сопротивления R₂ .

  (кОм)

Принимается сопротивление  резистора номинального значения R₂=4300(кОм) .

Затем уточняется величина коэффициента передачи по напряжению схемы промежуточного каскада

Рассчитывается сопротивление  резистора R₃:

Принимается номинальное значение R₃=5,1(кОм) .

4.3.Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада

Согласно заданию требуется  привести ЛАЧХ для одного из каскадов усилителя мощности. Для промежуточного каскада усилителя на ОУ К140УД6, из [1] приводится ЛАЧХ усилителя. Коэффициент передачи схемы по напряжению равен =843,1. Для этой величины проводится нагрузочная линия, которой соответствует значение (дБ).

На рис.4.3. приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика промежуточного каскада

Рис.4.3.Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика  
промежуточного каскада усиления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Полный  расчет схемы усилителя мощности

5.1. Оценка усилительных свойств  схемы

Рассчитаем  коэффициент передачи по напряжению всей схемы УМ

Значения всех коэффициентов  усиления в относительных единицах были получены подразделах 3.7, 4.1 – 4.2.

Рассчитаем относительную погрешность  усиления:

здесь, - требуемое усиление, рассчитанное во 2-ом разделе,

- полученное усиление с коэффициентом  передачи 

Рассчитанное  значение относительной погрешности  не превышает величины ,а значит удовлетворяет заданным требованиям.

5.2. Расчёт емкостей разделительных  конденсаторов

Для развязки по постоянному току источника сигнала и усилителя  используются разделительные конденсаторы. Перед нагрузкой ставить разделительный конденсатор не имеет смысла, так как в режиме покоя на выходе схемы имеет место нулевой потенциал. При наличии  n  разделительных конденсаторов в УМ заданный коэффициент частотных искажений необходимо поделить поровну между всеми цепями, создающими НЧ-искажения

где подставляется в формулу в относительных единицах,

n- число цепей, создающих НЧ-искажения.

В нашем  случае число разделительных конденсаторов  на входе равно 2 (по каждому из входов дифференциального каскада), т.е. n = 2 (рис.4.1).

Ёмкость разделительного конденсатора С_р находится из выражения постоянной времени для области нижних частот

(с)

когда    

f_н – нижняя граничная частота. 

Принимается емкость  конденсаторов C_p номинального значения 0,3мкФ

5.3. Проверка работы в области  верхних частот

Снижение АЧХ УМ в области  верхних частот обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и бустера, а также влиянием ёмкости нагрузки.

Коэффициент частотных искажений на верхней  граничной частоте f_B. равен произведению коэффициентов каждого каскада УМ.

,

где   коэффициенты частотных искажений каскадов схемы и цепи нагрузки R_нС_н.

В случае, когда в качестве активных элементов  схемы используются ОУ и имеет место , то каскады на ОУ не оказывают влияния на ВЧ-искажения, т.е.

Коэффициент частотных искажений бустера  в ВЧ-области определяется следующим образом:

,

где  

Коэффициент частотных искажений, определяемый влиянием цепи нагрузки R_НС_Н в области ВЧ, рассчитывается по формуле:

,

где (нс)

Теперь  рассчитывается результирующее значение коэффициента частотных искажений  в ВЧ-области  :

Данная величина меньше заданного значения

5.4. Расчёт КПД

Схема выходного каскада УМ работает в режиме класса АВ. Рассчитывается коэффициент полезного действия схемы

,

где -максимальная мощность полезного сигнала.

= (Вт)

Р_потр- потребляемая мощность при данном режиме

(Вт)

Полученное  значение коэффициента полезного действия не превышает значения 20%

5.5. Расчёт фильтров в цепях  питания операционных

усилителей

Поскольку напряжение источника питания  схемы значительно превышает  допустимое напряжение питания операционных усилителей входного и промежуточных  каскадов, то избыточное напряжение необходимо «погасить» с помощью фильтров в каждом из каскадов. Целесообразно включить фильтр для каждого ОУ, т.к. включение общего фильтра для всех ОУ потребует резистора с большим значением допустимой мощности ввиду большого проходящего через него тока. Поэтому принимаются фильтры в цепях питания каждого ОУ. Фильтры рассчитываются так, чтобы напряжение питания для каждого было одинаковое и составило (В). На рис.5.3. изображена схема первых 3-х каскадов УМ с фильтрами в цепях питания ОУ.

Как уже  ранее было отмечено, входной и  каскады предварительного усиления УМ построены на ОУ (это видно из схемы рис.5.3.). Эти ОУ были выбраны ранее в пунктах 4.1-4.3. Параметры ОУ, необходимые для расчета фильтров приведены в таблице 5.1 (см. таблицу 3.2).