Усилительный каскад на базе операционного усилителя

Произведём предварительный расчёт энергетических параметров верхнего плеча бустера.
3.2.2. Найдём входную мощность оконечного каскада Pвх . Для этого нужно сначала расчитать коэффициент усиления по мощности оконечного каскада Kpок , который равен произведению коэффициента усиления по току Ki на коэффициент усиления по напряжению Ku :

Kpок = Ki * Ku

Как известно, для каскада ОК Ku ( 1 , поэтому, пренебрегая Ku , можно записать:

Kpок ( Ki

Поскольку Ki = (+1 имеем:

Kpок ( (+1
Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем ( = 30. Поскольку ( велико, можно принять Kpок = (+1 ( (. Отсюда Kpок = 30 .
Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения
Pн
Kpок = ((
Pвх

Pн
получим Pвх = (( , а с учётом предыдущих приближений
Kpок


Pн
Pвх = ((
( 5000 мВт
= ((((( = 160 мВт
30

3.2.3. Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 :
Iк
Iб = ((( , т.к. Iн = Iкvt1 получим :
1+(

Iн Iн 1600 мА
Iбvt1 = ((( ( ((( = (((( = 52 мА
1+(vt1 (vt1 30

3.2.4. Определим по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем
переходе Uбэ.

Отсюда находим входное напряжение Uвхvt1
Uвхvt1 = Uбэvt1 + Uн = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В

3.2.5. Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера Rвх :

Uвх Uвх 7.6 В
Rвх = ((( = ((( = (((( = 150 Ом
Iвхvt1 Iбvt1 5.2*10-3

Поскольку из-за технологических особенностей конструкции интегрального операционного усилителя К140УД6 полученное входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ) мало (для К140УД6 минимальное сопротивление нагрузки Rmin оу = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивление Rвх ). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 Iбvt1 (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).
3.3. Окончательный расчёт оконечного каскада
Расчитаем входную мощность Pвхок полученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1 Pвх мы посчитали в пункте 3.2, получим:

Pвх Pвх 160 мВт
Pвхок = ((( ( ((( = (((( = 3.2 мВт
(vt3+1 ( 50

Определим амплитуду тока базы Iбvt3 транзистора VT3. Поскольку Iкvt3 ( Iбvt1 имеем:

Iкvt3 Iбvt1 52 мА
Iбvt3 = ((( ( ((( = ((( ( 1 мА
1+(vt3 (vt3 50


3.3.3. Определим по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на управляющем переходе Uбэvt3 . Поскольку Uбэvt3 = 0.6 В, для входного напряжения оконечного каскада Uвхок имеем:

Uвхок = Uн + Uбэvt1 + Uбэvt1 = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В


3.3.4. Определим входное сопротивление оконечного каскада Rвхок :

Uвхок 8 В
Rвхок = ((( = ((( = 8 кОм
Iбvt3 1 мА

Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

Rвхок ( Rн min оу
где Rн 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, падение напряжения на которых Uд = 0.6 В.
Расчитаем сопротивления делителя Rд1= Rд2= Rд . Для этого зададим ток делителя Iд, который должен удовлетворять условию:

Iд ( 10*Iбvt3

Положим Iд = 3 А и воспользуемся формулой

Ек – Uд (15 – 0.6) В
Rд = (((( = (((((( = 4.8 Ом ( 5 Ом
Iд 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.
Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжению Kuоу1 равен 3*104 . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

Kuоу = Kuоу1 * Kuоу2 = 9*108

Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной связью Ku ос равен:

Uвых ос Кu ( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) 1
Ku ос = ((( = (((( = ((((((((((( ( (
Eг 1 + (Ku 1 + (( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) (

Заменим оконечный каскад входным сопротивлением усилителя. Здесь Rнэкв ( Rвхок = 8 кОм ; Uвых ос = Uвхок = 8 В , Ег = 15 В (из задания ).

Uвых ос 8000 мВ
Ku ос = ((( = (((( = 5333
Eг 1.5 мВ

1
( = Ku ос = 5333
(

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

R1
( = (((
R1 + R2

Зададим R1 = 0.1 кОм. Тогда:

1 R1 1
(( = ((( = ((( ( 5333 = 1 + 10R2 ( R2 = 540 кОм
Ku 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 Мн и Мв соответственно на частотах (н и (в равны:
__
Мн = Мв = ( 2 (3 дБ)

В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени (нс цепи переразряда разделительной ёмкости Ср :
_________________
Мнс = ( 1 + ( 1 / ( 2((н(нс ))2

Постоянная времени (нс зависит от ёмкости конденсатора Ср и сопротивления цепи переразряда Rраз :

(нс = Ср* Rраз

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

Мн = Мнс1 * Мнс2

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

Мв ум = Мв1 * Мв2 * Мвок * Мвн

Здесь Мв1 , Мв2 , Мвок , Мвн - коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки Сн . Если Ku оу выбран на порядок больше требуемого усиления каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( Мв1 = Мв2 = 1).
Коэффициент искажений оконечного каскада задаётся формулой:
_________
Мвок = 1 + ( ( 1+ ((в /(() - 1)(1 - Kuoк)


Здесь (( - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки Мвн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени (вн нагрузочной ёмкости:
__________________
Мвн = ( 1 + (1 / ( 2((в(вн ))2


(вн = Сн* (Rвыхум | | Rн)


При неправильном введении отрицательной обратной связи в области граничных верхних и нижних частот может возникнуть ПОС ( положительная обратная связь) и тогда устройство из усилителя превратится в генератор. Это происходит за счёт дополнительных фазовых сдвигов, вносимых как самим усилителем, так и цепью обратной связи. Эти сдвиги тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей обратной связью. Поэтому не рекомендуется охватывать общей ООС больше, чем три каскада.






Заключение
В данной курсовой работе мы рассмотрели операционные усилители, рассчитали основные параметры и элементы усилителя мощности на базе операционного усилителя, а также оценили влияние параметров усилителя на завалы АЧХ в области верхних и нижних частот.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1989, подразделы 7.1, 7.2, 8.2.
2. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие /Ефимов В.В., Павлов В.Н., Соколов Ю.П. и др.; под редакцией Н.В. Терпугова. - М.: Высш. школа, 1982, (3.2.
3. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985, (1.5-1.8, 3.1-3.3.











2