Выбор и обоснование схемы выходного каскада. Типовая схема выходного каскада усилителя мощности класса АВ

Предельные электрические параметры транзистора цепи смещения

Определив значение Uсм, и, задавшись R2=1кОм, рассчитаем R1 :

Выбираем R1 = 68…15кОм : СП5-35Б 68…15кОм5%0.5Вт,

R2 = 1кОм : МЛТ 1кОм5%0.125Вт.

Рассчитаем источники тока :

Источники тока Io обеспечивают режим стабилизации Uсм и их величина должна быть не менее тока ( 4.2 ) : Io ³  Iвхm.

В качестве источников тока выбираем токовые зеркала Уилсона :

а)                                                              б)

Рис.4.1. Схема токового зеркала Уилсона :

а) нижнее плечо схемы ВК Рис.1.1. б) верхнее плечо схемы ВК Рис.1.1.

Токовое зеркало Уилсона обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока. Благодаря транзистору VT3 ( Рис.4.1. ) потенциал коллектора транзистора VT1 ( Рис.4.1. ) фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде ниже, чем напряжение питания. Транзистор VT3 можно рассматривать как элемент, который передаёт ток в нагрузку.

Произведём расчет для одного плеча схемы ВК Рис.1.1. (нижнего). Для верхнего плеча расчёт аналогичен.

.

Требования к транзисторам VT1- VT3 ( Рис.4.1. ) :

( 4.4 )

Согласно ( 4.4 ) выбираем транзисторы :

Таблица 4.3. Предельные электрические параметры транзисторов ГСТ

Рассчитаем значение резистора R1 :

Записав уравнение по 2-му закону Кирхгофа для цепи

, получим :

           где   = 0.6 B (типовые значения)-  базо-эмиттерные напряжения транзисторов VT2, VT1 (Рис.4.1.) соответственно при заданном токе Io.

Выбираем резисторы R1 = 3кОм : МЛТ 3кОм5%0.125Вт.

5. Выбор операционного усилителя(ОУ) для усилителя мощности, расчёт элементов цепи отрицательной обратной связи (ООС)

Условия выбора ОУ :

            (5.1)

где Ki = β_мин2,3× β_мин4,5 – коэффициент усиления по току ВК,

 - скорость нарастания выходного напряжения.

ОУ с характеристиками, удовлетворяющими условиям (5.1) выбираем по справочнику [    ] :

Таблица5.1. Предельно-допустимые и электрические параметры ОУ

Выбираем коэффициент усиления усилителя мощности Кум = 2.

Рис.5.1. Схема усилителя мощности

Тогда, согласно Рис5.1., коэффициент усиления УМ :

Задавшись R1 = 10000 Ом,

Выбираем резисторы R1 = 10кОм : МЛТ 10кОм10% 0.125Вт.,

R2 = 20кОм : МЛТ 20кОм10%0.125Вт.

Коэффициент передачи цепи обратной связи :

Глубина отрицательной обратной связи :

Нижняя граничная частота разомкнутого ОУ :

Верхняя граничная частота замкнутого ОУ :

Максимальный коэффициент усиления на верхней частоте :

.                                      

Погрешность при этом :

, т.е. не превышает 0,01%.

6. Расчёт предварительного усилителя

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

а)                                                              б)

Рис.6.1. Схема двухкаскадного предусилителя:

а) инвертирующий с параллельной ООС, б)неинвертирующий с последовательной ООС

Общее усиление по напряжению :

где К_1ПУ, К_2ПУ – коэффициенты усиления 1-го и 2-го предусилителя.

Тогда

где Кпу – общий коэффициент усиления предусилителя.

Распределим усиление между каскадами предусилителя примерно поровну.

Тогда

В качестве ОУ ПУ выбираем такие же ОУ, как и в УМ : 140УД23 с параметрами, представленными в Таблица5.1.

Рассчитаем 1-й каскад предусилителя (ПУ) :

Согласно Рис.6.1. а) :

 Задавшись R1 = 10000 Ом,

Выбираем резисторы : R1 = 10кОм : МЛТ 10кОм10% 0.125Вт.,

R2 = 110 кОм : МЛТ 110кОм10%0.125Вт.

Коэффициент передачи цепи обратной связи :

Глубина отрицательной обратной связи :

Нижняя граничная частота разомкнутого ОУ :

Верхняя граничная частота замкнутого ОУ :

Максимальный коэффициент усиления на верхней частоте :

.

Погрешность при этом :

, т.е. не превышает 0,05%.

Рассчитаем 2-й каскад предусилителя (ПУ) :

Согласно Рис.6.1.б) :

 Задавшись R3 = 10000 Ом,

Выбираем резисторы : R3 = 10 кОм : МЛТ 10кОм10%0.125Вт.

R4 = 100 кОм : МЛТ 100кОм10%0.125Вт.

Коэффициент передачи цепи обратной связи :

Глубина отрицательной обратной связи :

Нижняя граничная частота разомкнутого ОУ :

Верхняя граничная частота замкнутого ОУ :

Максимальный коэффициент усиления на верхней частоте :

.

Погрешность при этом :

, т.е. не превышает 0,04%.

С учётом Uсм и Iвх, рассчитаем режим покоя предусилителя :

Согласно Таблица 5.1., Uсм = 10mB, а Iвх = 0,2нА.

Для 1-го ПУ :

Остаточное напряжение (напряжение ошибки), приведённое ко входу :

т.е. оно равно напряжению смещения ОУ из-за несущественности Iвх.

Напряжение ошибки, приведённое к выходу :

Для 2-го ПУ :

Остаточное напряжение (напряжение ошибки), приведённое ко входу :

т.е. оно также равно напряжению смещения ОУ из-за несущественности Iвх.

Напряжение ошибки, приведённое к выходу :

Для устранения влияния входной ошибки по постоянному напряжению, используем разделительный конденсатор С1.

Нижняя частота :

Выбираем С1 = 390 нФ : К10-17-2 390нФ5% 1В.

Конденсатор С3 задаёт верхнюю частоту предусилителя :

Выбираем С3 = 82 пФ : К10-17-2 2пФ5% 6,3В.

Кроме того, ставим разделительный конденсатор С2  и резистор R5 между каскадами ПУ и конденсатор С4, идущий перед усилителем мощности.

Согласно формуле для нижней частоты, выбираем R5 = 10кОм : МЛТ 10к 10% 0.125Вт, а конденсаторы С2 и С4, равные по номинальному значению С1.

Выбираем С2 = 390 нФ : К10-17-2 390нФ5% 1В,

С4 = 390 нФ : К10-17-2 390нФ5% 6,3В.

Построим асимптотические логарифмические амплитудно-частотные характеристики (АЛАЧХ) для предусилителя (2 каскада), усилителя мощности и всего устройства в целом.

Первый каскад предусилителя :

Рис.6.2. АЛАЧХ первого каскада предусилителя

Второй каскад предусилителя :

Рис.6.3. АЛАЧХ второго каскада предусилителя

Усилитель мощности :

Рис.6.4. АЛАЧХ усилителя мощности

Суммарная АЛАЧХ :

Рис.6.5. Суммарная АЛАЧХ всего устройства

7. Проектирование блока питания

Блок питания содержит 4 канала: источники  и  для питания выходного каскада и источники  и  для питания ОУ.

Рассчитаем максимальный ток потребления по каждому каналу.

Максимальный ток рассчитывается путём суммирования токов всех нагрузок данного канала :

        ( 7.1 )

где - максимальные токи по каналам питания выходного каскада,

Iсп – ток через переменный резистор в цепи защиты оконечных VT по току.

                  ( 7.2 )

где ,  - максимальные токи по каналам питания ОУ,

Iпотоу – ток потребления ОУ, согласно Таблица 5.1.

Рассчитаем средний ток потребления по каждому каналу.

По каналам питания выходного каскада :

                               ( 7.3 )

По каналам питания ОУ :

                                          ( 7.4 )

Так как блок питания содержит 4 канала, то на каждый канал поставим свой стабилизатор для разделения влияния каналов друг на друга.

Для каналов питания ОУ, согласно ( 7.2 ) и ( 7.4 ), выберем стабилизаторы КР1157ЕН15А ( канал +u ) и КР1168ЕН15Б ( канал -u )с параметрами Таблица 7.1. 

Таблица 7.1. Электрические и предельно-допустимые параметры стабилизаторов