Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

Поскольку из-за технологических особенностей конструкции интегрального операционного усилителя К140УД6 полученное входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (для К140УД6 минимальное сопротивление нагрузки R_{min оу} = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивление R_вх ). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 I_б^vt1 (который является одновременно и коллекторным током транзистора VT3 ) выбираем комплементарную пару на транзисторах КТ-361 (p-n-p типа) и КТ-315 (n-p-n типа). Соответственно схема оконечного каскада примет вид, показанный на рис. 3.3 .

рис. 3.3

3. Окончательный расчёт оконечного каскада

1. Расчитаем входную мощность P_вх^ок полученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1 P_вх мы посчитали в пункте 2.2 , получим :

P_вх P_вх 160 мВт

P_вх^ок = ѕѕѕ » ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 3.2 мВт

b^vt3+1 b 50

2. Определим амплитуду тока базы I_б^vt3 транзистора VT3. Поскольку I_к^vt3 » I_б^vt1 имеем :

I_к^vt3 I_б^vt1 52 мА

I_б^vt3 = ѕѕѕ » ѕѕѕ = ѕѕѕ » 1 мА

1+b^vt3 b^vt3 50

3.3 Определим по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на управляющем переходе U_бэ^vt3 (см. рис. 3.4 ). Поскольку U_бэ^vt3 = 0.6 В , для входного напряжения оконечного каскада U_вх^ок имеем:

U_вх^ок = U_н + U_бэ^vt1 + U_бэ^vt1 = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В

рис 3.4

3.4 Определим входное сопротивление оконечного каскада R_вх^ок :

U_вх^ок 8 В

R_вх^ок = ѕѕѕ = ѕѕѕ = 8 кОм

I_б^vt3 1 мА

Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

R_вх^ок і R_{н min оу}

где R_{н min оу} = 1кОм (для ОУ К140УД6).

4. Задание режима АВ. Расчёт делителя

Для перехода от режима В к режиму АВ на вход верхнего плеча нужно подать смещающее напряжение +0.6 В, а на вход нижнего плеча - –0.6 В. При этом, поскольку эти смещающие напряжения компенсируют друг друга, потенциал как на входе оконечного каскада, так и на его выходе останется нулевым. Для задания смещающего напряжения применим кремниевые диоды КД-223 (VD1-VD2, см. принципиальную схему), падение напряжения на которых U_д = 0.6 В

Расчитаем сопротивления делителя R_д1= R_д2= R_д . Для этого зададим ток делителя I_д, который должен удовлетворять условию:

I_д і 10*I_б^vt3

Положим I_д = 3 А и воспользуемся формулой

Е_к – U_д (15 – 0.6) В

R_д = ѕѕѕѕ = ѕѕѕѕѕѕ = 4.8 Ом » 5 Ом

I_д 3 А

5. Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС

Для улучшения ряда основных показателей и повышения стабильности работы усилителя охватим предварительный и оконечный каскады УМ общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. Она задаётся резисторами R₁ и R₂ (см. схему на рис. 6 ).

Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжению K_u^оу1 равен 3*10⁴ . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

K_u^оу = K_u^оу1 * K_u^оу2 = 9*10⁸

Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной связью K_{u ос} равен:

U_{вых ос} К_u ( K_u^оу1 * K_u^оу2 * K_u^ок) 1

K_{u ос} = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = ѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕ » ѕ

E_г 1 + cK_u 1 + c( K_u^оу1 * K_u^оу2 * K_u^ок) c

рис. 3.5

Изобразим упрощённую схему нашего усилителя , заменив оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5 ) (ООС на схеме не показана, но подразумевеется ). Здесь R_н^экв є R_вх^ок = 8 кОм ; U_{вых ос} = U_вх^ок = 8 В , Е_г = 15 В (из задания ).

U_{вых ос} 8000 мВ

K_{u ос} = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 5333

E_г 1.5 мВ

1

ѕ = K_{u ос} = 5333

c

Найдём параметры сопротивлений R₁ и R₂ , задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от сопротивлений R₁ и R₂ может быть представлена следующим образом:

R₁

c = ѕѕѕ

R₁ + R₂

Зададим R₁ = 0.1 кОм . Тогда :

1 R₁ 1

ѕѕ = ѕѕѕ = ѕѕѕ Ю 5333 = 1 + 10R₂ Ю R₂ = 540 кОм

K_{u ос} R₁ + R₂ 5333

6. Оценка влияния параметров усилителя на завал АЧХ в области верхних и нижних частот

Усилитель мощности должен работать в определённой полосе частот ( от ¦_н до ¦_в ) . Такое задание частотных характеристик УМ означает, что на граничных частотах ¦_н и ¦_в усиление снижается на 3 дБ по сравнению со средними частотами, т.е. коэффициенты частотных искажений М_н и М_в соответственно на частотах ¦_н и ¦_в равены:

__

М_н = М_в = Ц 2 (3 дБ)

В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени t_нс цепи переразряда разделительной ёмкости С_р :

_________________

М_нс = Ц 1 + ( 1 / ( 2p¦_нt_нс ))²

Постоянная времени t_нс зависит от ёмкости конденсатора С_р и сопротивления цепи переразряда R_раз :

t_нс = С_р* R_раз

При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в нашем случае 2) М_н равно произведению М_нс каждой ёмкости:

М_н = М_нс1 * М_нс2

Спад АЧХ усилителя мощности в области высоких частот (ВЧ) обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и оконечного каскада, а так же ёмкомтью нагрузки, если она имеется. Коэффициент частотных искажений на частоте ¦_в равен произведению частотных искажений каждого каскада усилителя:

М_{в ум} = М_в1 * М_в2 * М_в^ок * М_вн

Здесь М_в1 , М_в2 , М_в^ок , М_вн - коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки С_н . Если K_{u оу} выбран на порядок больше требуемого усиления каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( М_в1 =М_в2 = 1).

Коэффициент искажений оконечного каскада задаётся формулой:

_________

М_в^ок = 1 + ( Ц 1+ (¦_в /¦_b) - 1)(1 - K_u^oк)

Здесь ¦_b - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки М_вн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки С_н в области высоких частот зависит от постоянной времени t_вн нагрузочной ёмкости :