Проектирование широкополосного усилителя. Эскизный расчет ШУ. Определение местоположения схемы регулировки усиления

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО УСИЛИТЕЛЯ (ШУ)

Согласно технического задания (ТЗ) на проектируемое усилительное устройство, ШУ должен усиливать сигнал в заданной полосе частот f_В - f_H [(по определению это область средних частот (СЧ)] с требуемым коэффициентом усиления по напряжению K_U  в области СЧ при обеспечении допустимого уровня линейных частотных искажений М_В на частоте f_В и М_Н на частоте f_H и допустимого уровня нелинейных искажений, задаваемых в виде коэффициента гармоник k_Г. Расчет усилителя поэтому ведется из условия получения необходимой полосы пропускании, а необходимый коэффициент усиления обеспечивается использованием нескольких усилительных каскадов.

1. Эскизный расчет ШУ.

При проведении эскизного расчета решаются следующие задачи.

1.1. Расчет структурной схемы (рисунок 1) усилителя.

1.1.1. Определение примерного числа усилительных каскадов;

1.1.2. Определение местоположения схемы регулировки усиления;

1.1.3. Примерное распределение по каскадам величины М_В;

1.1.4. Примерное распределение по каскадам коэффициента гармоник;

1.2. Выбор электрических схем (СхЭ принципиальных) отдельных каскадов ( входного, каскада предварительного усиления, выходного каскада) и схемы регулировки.

1.3. Составление предварительной полной СхЭ принципиальной усилителя.

1.4. Примерное распределение М_Н по имеющимся в схеме усилителя разделительным и блокировочным емкостям.

Необходимо иметь в виду, что процесс проектирования – процесс итеративный, т.е. возможен расчет нескольких вариантов СхЭ, с целью получения оптимального. Т.о. эскизный расчет дает приближенное представление о проектируемом усилителе, которое затем уточняется в процессе электрических расчетов элементов каскадов.

1.5. Содержание эскизного расчета.

1.5.1. По п. 1.1.1.

Примерное число каскадов основного усиления (КПУ) определяется формулой:

                                                                                                       (1.1)

где  K_UΣ = K_U1K_UPK^NK_U2,  N – число каскадов предварительного усиления (КПУ), K = (20 - 30), K_UΣ – коэффициент усиления всего усилителя, K_U1 - коэффициент усиления входного каскада, K_U2 - коэффициент усиления выходного каскада, K_UP – коэффициент передачи схемы регулировки.

В  ШУ, работающем на согласованный кабель – низкоомную нагрузку, выходной каскад выполняется по схеме с ОК (ЭП) и соответственно K_U2 ≈ 1. Выбор схемы входного каскада зависит от величины сопротивления генератора; если R_Г меньше 1 ком в качестве входного каскада может выступать первый КПУ; если R_Г превышает 1 ком – целесообразно входной каскад построить по схеме ЭП. В первом приближении можно полагать, что K_UP ≈ 1.

1.5.2. По п.1.1.2.

Поскольку, как правило, на входе ШУ действует слабый сигнал, целесообразно размещать схему регулировки усиления после первого КПУ, т.е. регулировать величину уже усиленного сигнала.

1.5.3. По п. 1.1.3.

Суммарный уровень линейных частотных искажений задается в дБ, так что

М_UΣдБ = М_U1дБ + М_UPдБ + М_дБN + М_U2дБ.                                      (1.2)

Поскольку ЭП обладают гораздо более широкой полосой пропускания, чем КПУ, а схема регулировки является потенциометрической и выполняется как нагрузка ЭП, можно полагать, что М_U1дБ = М_UPдБ = М_U2дБ =0. Таким образом линейные частотные искажения на частоте f_B распределяются между КПУ и в первом приближении – равномерно.

Для последующих расчетов  необходимо перейти от дБ в разы:

                                                      (1.3)

и  далее оценивать искажения в виде

ε = 1 – М                                                      (1.4)

Таким же образом равномерно (в первом приближении) распределяется величина М_Н между разделительными и блокировочными конденсаторами.

1.5.4. По п.1.1.4.

Последний КПУ (предоконечный каскад) работает при максимальном выходном сигнале и соответственно наибольшими нелинейными искажениями. Вследствие этого обстоятельства заданную величину коэффициента гармоник относим к этому каскаду.

1.5.5. По п 1.2.

При реализации КПУ можно использовать схемы с ОЭ  или дифференциальный усилительный каскад (ДУ). На рисунке 2 изображена одна из возможных СхЭ принципиальных ШУ. В ней выходной каскад выполнен по схеме ЭП, а КПУ - по так называемой схеме двойки ОК-ОЭ, что обеспечивает улучшение частотных свойств усилителя. Потенциометрическая схема регулировки установлена в ЭП на транзисторе VT3. При такой реализации процесс регулировки не влияет на режимы работы соседних каскадов.

Последующие расчеты проводятся для схемы рисунка 2.

2. Электрический расчет каскадов.

Проектирование усилителя начинается с выходного каскада (ВК).

2.1.  Расчет выходного каскада (ЭП).

2.1.1. Выходной ЭП предназначен для согласования низкоомной нагрузки с предоконечным усилителем напряжения.

2.1.2. Схема электрическая принципиальная включает следующие элементы: С8, R17,R18, R19, VT6.