Выбор и обоснование схемы выходного каскада. Амплитуда тока на нагрузке. Верхняя частота сигнала. Амплитуда входного напряжения

Исходные данные:

Rн=1.19 Ом         сопротивление нагрузки.

Iнм=8 А               амплитуда тока на нагрузке.

Uнм=9.5 В           амплитуда напряжения на нагрузке.

Pн=38 Вт             мощность на нагрузке.

Uвх.м=9 мВ         амплитуда входного напряжения .

fн=62 Гц               нижняя частота сигнала.

fв=31 кГц             верхняя частота сигнала.

1.Выбор и обоснование схемы выходного каскада.

Выходной каскад (ВК) усилителя мощности должен удовлетворять двум основным требованиям: иметь достаточно высокий к.п.д. и малые нелинейные искажения. Поэтому типовые каскады построены на основе двухтактных усилителей мощности класса А и АВ.

Рис.1 Усилитель мощности на основе повторителя (последовательная единичная ООС).

Для варианта №21 подходит типовая схема выходного каскада (схема Дарлингтона), которая содержит составные транзисторы VT2-VT4 и VT3-VT5, образующие комплементарный эмиттерный повторитель. Цепь смещения, содержащая источники тока  и транзистор VT1, обеспечивают класс АВ выходных транзисторов. Коэффициент усиления по напряжению для такой схемы < 1, а усиление по току .

Рис.2 Типовая схема выходного каскада (схема Дарлингтона).

2.Расчет напряжений питания Е, потребляемой мощности Ро,КПД,мощности на коллекторах оконечных транзисторов Рк.

ЭДС питания:

                           (2.1)

Среднее значение потребляемого тока:

                           (2.2)

Мощность нагрузки:

                             (2.3)     

Потребляемая мощность:

       (2.4)  

Мощность на коллекторе:

          (2.5)

Максимальная мощность на коллекторе:

                    (2.6)

Коэффициент полезного действия:

                            (2.7)

Строим зависимости Ро(Uнм),Рн(Uнм),Рк(Uнм),КПД(Uнм).

Рис.3 Зависимости Ро(Uнм),Рн(Uнм),Рк(Uнм).

Рис.4 Зависимость КПД(Uнм)..

3.Выбор оконечных транзисторов, расчёт площади теплоотводов.

Входные транзисторы выбираются по предельно-допустимым параметрам:

                                          (3.1)

                                         (3.2)

                        (3.3)

По справочнику подбираем транзисторы, удовлетворяющие предельным параметрам:

VT4 КТ819Б (n-p-n)	VT5 КТ818Б (p-n-p)
Uкэмакс4= 40 В	Uкэмакс5= 40 В
Iкмакс4= 10 А	Iкмакс5= 10 А
Ркмакс4 = 60 Вт	Ркмакс5 = 60 Вт
βмин4= 20	βмин5=20
Tпмакс4= 125	Tпмакс5= 125

Рассчитаем площадь теплоотвода для транзисторов 4,5.

Тпмакс=125

Температурный запас: 

Тепловое сопротивление корпус транзистора-теплоотвод:

Выбираем

Тепловое сопротивление коллекторный переход-корпус:

                             (3.4)

Общее тепловое сопротивление:

                    (3.5)

Тепловое сопротивление теплоотвод-окружающая среда:

                (3.6)

Коэффициент, зависящий  от условий теплообмена радиатора с окружающей средой. Выбираем чернёный алюминиевый теплоотвод.

                                                   (3.7)

Площадь теплоотводов:

                                             (3.8)

Суммарная площадь теплоотводов для двух транзисторов:

                                                               (3.9)

4.Расчёт элементов усилителя мощности.

Резисторы, включённые параллельно эммиттерным переходам предоконечных транзисторов, предотвращают режим обрыва базы выходных транзисторов при запирании предоконечных транзисторов и выбираются в пределах 100-500 Ом.

Входной ток выходных транзисторов VT4 и VT5:

                                              (4.1)

Требования к предоконечным транзисторам:

                                (4.2)

                                        (4.3)

                      (4.4)

Выбираем транзисторы с параметрами:

VT2 КТ646А (n-p-n)	VT3 КТ639 (p-n-p)
Uкэмакс2= 50 В	Uкэмакс3= 45 В
Iкмакс2= 1 А	Iкмакс3= 1,5 А
Ркмакс2 = 1 Вт	Ркмакс3 = 1 Вт
βмин2=40	Βмин3=40

Необходимо обеспечить

Выбранные транзисторы не могут обеспечить данный режим, поэтому мы выбираем еще одну пару комплементарных транзисторов VT6-VT7.

Требования к транзисторам VT6-VT7:

                              (4.5)

                                        (4.6)

               (4.7)

Выбираем транзисторы с параметрами:

VT6 КТ312Б (n-p-n)	VT7 КТ361Д (p-n-p)
Uкэмакс2= 35 В	Uкэмакс3= 40 В
Iкмакс2= 30 мА	Iкмакс3= 50 мА
Ркмакс2 = 225 мВт	Ркмакс3 = 150 мВт
βмин6= 20	βмин7= 20

Т.о. имеем

Параллельно эммитерным переходам включаются резисторы R5,R6 сопротивлением 100-500 Ом.

Определяем входной ток усилителя мощности:

Определяем   Uаб=Uбэ2+ Uбэ4.Выбираем  резисторы  R5 и R4=300 Ом,  МЛТ-0.125-300Ом5%                  

  (4.8)

Напряжение Uкэ транзистора VT1 устанавливают равным:

                (4.9)

где напряжение отпирания транзисторов.

Транзистор VT1 включён по схеме с коллекторной стабилизацией-с отрицательной обратной связью по напряжению. Напряжение на нём:

                                          (4.10) 

Определив значение Uсм и задавшись R2=1000Ом рассчитаем R1(Uбэ=0.7В):

                         (4.11)

Выбираем: R1 - МЛТ-0.125-2,4 кОм5%                  

R2 - МЛТ-0.125-1,1 кОм5%                  

Выбираем транзистор VT1:

                                               (4.12)

                                                (4.13)

                             (4.14)

Выбираем транзистор с параметрами:              

VT1 КТ301 (n-p-n)

Uкэмакс1=20В

Iкмакс1=10мА

Ркмакс1=150мВт

βмин1=20

Рассчитаем источники тока.

Входные токи:

 выбираем .    

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       Рис5. Схема источника тока с применением транзистора вместо диода.

Потенциал базы Uб для сохранения активного режима должен удовлетворять    условию:

                                  (4.15)

Выбираем транзистор по предельным параметрам:

                                             (4.16)

                                                           (4.17)

                                   (4.18)

Выбираем транзистор с параметрами:

VT8 КТ203А (p-n-p)

Uкэмакс6 = 60 В

Iкмакс6 = 10 мА

Ркмакс6 = 150 мВт

βмин8 = 9

Выбираем ток делителя:

                                          (4.19)

                                         (4.20)

Рассчитываем резисторы: Uпр=0.7В

                       (4.21)

выбираем : МЛТ-0.125-1,1 кОм5%                  

                     (4.22)

выбираем : МЛТ-0.125-6,2 кОм10%                  

                         (4.23)

выбираем : МЛТ-0.125- 620 Ом10%                  

Рассчитаем второй источник тока на (n-p-n) транзисторе.

По предельным параметрам (4.13)-(4.15) выбираем n-p-n транзистор:

VT9 КТ301Б (n-p-n)

Uкэмакс7= 30 В

Iкмакс7= 10 мА

Ркмакс7= 150 мВт

Βмин9=10

Выбираем ток делителя:

                                 (4.24)

                             (4.25)

Рис9.Схема источника тока с применением транзистора  вместо диода.

Рассчитаем резисторы:

                            (4.26)

выбираем : МЛТ-0.125-1,3 кОм5%                  

                           (4.27)

выбираем : МЛТ-0.125-6,8 кОм10%                  

                       (4.28)

выбираем : МЛТ-0.125-620 Ом10%                  

Вместо диодов VD1 и VD2 возьмём транзисторы той же марки  и проводимости, что и VT8 и VT9 соответственно.

5.Выбор операционного усилителя для усилителя мощности, расчёт элемен-

тов цепи ООС.

По справочнику подбирается ОУ с характеристиками, удовлетворяющими условиям:

                   (5.1)

                                     (5.2)

                                                 (5.3)

                         (5.4)

               

Рис10.Схема усилителя мощности.

Выбираем ОУ КР140УД18-с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода при КЗ нагрузки. Параметры этого усилителя:

КР140 УД 18
Uп=(13,516,5)В	Uвых=(10,511,5)В
Кос.сф= 80 дБ	f1= 1 МГц
Iпот 4,04,2 мА	Iвх= 1,01,2 нА
Vuвых= 2,0 В/мкс	∆Iвх= 0,20,22 нА
Uсм= 1010,5 мВ	Кu= 50к

Требуемый коэффициент усиления по напряжению для усилителя мощности и предусилителя:

                                      (5.5)

Выбираем для усилителя мощности:

 тогда                                          (5.6)

Выбираем:  тогда                 (5.7)

Выбираем : МЛТ-0.125-10 кОм5%                   

Коэффициент передачи цепи ОС:

                                           (5.8)

Глубина ОС равна:

                                 (5.9)                                                                                               

Граничная частота разомкнутого ОУ:

                                        (5.10)                                                                

Граничная частота замкнутого ОУ:

                          (5.11)

6.Расчёт предварительного усилителя.          

Выбираем ОУ такие как и в усилителе мощности.

Предварительный усилитель должен быть двухкаскадным  причём один из каскадов инвертирующий, а другой –неинвертирующий. Общее усиление

Кu=1055 распределяется поровну между первым и вторым каскадами.

                                       (6.1)

Требуемый коэффициент предусилителя равен:

                                    (6.2)

 выбираем                                  (6.3) 

Т.к fв=31000Гц, то максимальный коэффициент усиления на этой частоте:

                                       (6.4)               

Рис11.Схема предусилителя.

Рассчитаем первый каскад предусилителя(инвертирующий):

Кпу1=32.

Резисторы определим из условия:

                                            (6.5)

Выбираем:  тогда

По ряду сопротивлений подходит: R18=10000Ом

Выбираем МЛТ-0.25-10 кОм5%.

R17 = МЛТ-0.125- 330 кОм15%                  

Выбираем

Коэффициент передачи цепи ОС:

                                   (6.6)

Коэффициент ослабления входного напряжения:

                                 (6.7)

На постоянном токе глубина ОС:

                                      (6.8)

Реальное усиление замкнутого усилителя не менее:

                                      (6.9)

Погрешность не превышает величины:

                                (6.10)

На переменном токе из-за снижения Кu(f) уменьшается глубина обратной связи и изменяется усиление.

Граничная частота ОУ:

                                      (6.11)

Усиление ОУ на частоте:

                                    (6.12)

Глубина ОС:

                          (6.13)

Усиление:

                           (6.14)

Погрешность из-за конечного Кu:

                          (6.15)

Ориентировачно входное и выходное сопротивление на постоянном токе равны:

Rвых=20Ом, Ku=50000.

                         (6.16)     

                                   (6.17)

На частоте: f=fв

                                         (6.18)

                  (6.19)

                                     (6.20)

Граничная частота замкнутого усилителя:

                                   (6.21)

Входное напряжение ошибки:

   (6.22)

Выходное напряжение ошибки:

                   (6.23)

Следовательно:

                                                              (6.24)

Для уменьшения токовой составляющей входного смещения можно применить