Усилитель постоянного тока

 

3 Расчет усилителя

3.1 Расчет общих коэффициентов

Усилитель постоянного тока состоит из следующих элементов: предварительного усилителя, фильтр нижних частот, усилитель мощности.

Структурная схема усилителя постоянного тока представлена на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – Структурная схема усилителя постоянного тока.

 

           По данным Т.З. получаем:

Диапазон изменения входного сигнала:

Выходной сигнал:

Сопротивление нагрузки:

Отсюда найдем ток нагрузки:

Коэффициент передачи усилителя в свою очередь равен:

Коэффициент передачи усилителя равен произведению коэффициентов передачи отдельных узлов, входящих в него:

где  – коэффициент передачи ПУ,

- коэффициент  передачи ФНЧ.

- коэффициент  передачи УМ.

И распределение коэффициентов усиления дает нам:

 

3.2 Расчет предварительного усилителя

 

Предварительный усилитель представляет собой операционный усилитель с отрицательной обратной связью.

Функциональная схема предварительного усилителя представлена на рисунке 7.

 

Рисунок 7

Расчет элементов функциональной схемы.

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен, то говорят о кажущемся заземлении инвертирующего входа, т. е. его потенциал близок к нулю. Следовательно, Iвх= Uвх/ R1. Т. к. входы ОУ не потребляют тока, то Iос = Iвх = Uвх/ R1.

Отсюда коэффициент передачи ПУ :

С учетом входного сопротивления Rвх=50 Ом КПУ будет равен

Возьмём R1 = 2 кОм.

Тогда сопротивление Rос и R2 будет равно:

;

;

Возьмем операционный усилитель типа КР140УД17Б, основные параметры которого приведены в таблице 5.

Таблица 5

Тип	Ку	Uпит, В	Iпит, мА	Uвых, В	ТКесм, мкВ/град
КР140УД17Б	120000	±15	5	±11	6

 

 

Выбор резисторов показан в таблице 6.

Таблица 6

Обозначение резистора	Расчетные параметры		Тип	Номинальные параметры
	Сопротивление, кОм	Мощность, Вт		Сопротивление, кОм	Отклонение, %	Мощность, Вт
R1	2	0,08	С2-23	1,5	10	0,25
R2	1,92	0,08	С2-23	1,5	10	0,25
ROC	51,250	0,3	СП2-1	68	10	0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3   Расчет фильтра нижних частот

 

Фильтром называют устройство, которое передает (пропускает) синусоидальные сигналы в одном определенном диапазоне частот (в полосе пропускания)и не передает (задерживает) их в остальном диапазоне частот (в полосе задерживания). Естественно, фильтры используют для передачи не только синусоидальных сигналов, но, определяя полосы пропускания и задерживания, ориентируются именно на синусоидальные сигналы. Фильтры можно классифицировать по виду их амплитудно-частотных характеристик:

-фильтры нижних частот (ФНЧ),

-фильтры верхних частот (ФВЧ),

-полосовые фильтры,

-режекторные фильтры,

-всепропускающие фильтры.

Для ФНЧ характерно то, что входные сигналы низких частот, начиная с постоянных сигналов, передаются на выход, а сигналы высоких частот задерживаются.

Схема включения ФНЧ представлена на рисунке 8

 

 

 

 

 

Рисунок 8

 

Для расчета ФНЧ Баттервота 2-го порядка, обладающего заданной частотой среза fc или ωс=2πfc и коэффициентом усиления kфнч, необходимо выполнить следующие действия:

Найдем нормированные значения коэффициентов b и c:

   b=1,414214

   c=1

Выберем номинальное значение емкости С2≈10/fc мкФ и номинальное значение емкости С1:

Далее вычислим значения сопротивлений:

где А=2 (коэффициент усиления ФНЧ);

Откуда R1 и R3 можно найти:

R1=

R1=28151 Ом

R3=

Таким образом возьмем операционный усилитель типа К140УД6, основные параметры которого приведены в таблице 7.

Таблица 7

Тип	Ку	Uпит, В	Iпит, мА	Uвых, В	ТКесм, мкВ/град
К140УД6	50000	±(5÷20)	3	±12	20

 

Выбор резисторов показан в таблице 8, а выбор конденсаторов в таблице 9.

Таблица 8

Обозначение резистора	Расчетные параметры		Тип	Номинальные параметры
	Сопротивление, кОм	Мощность, Вт		Сопротивление, кОм	Отклонение, %	Мощность, Вт
R1	28,151	0,25	С2-23	27	10	0,25
R2	56,301	0,25	С2-23	56	10	0,25
R3	28.153	0,25	С2-23	270	10	0,25

Таблица 9

Обозначение конденсатора	Расчетные параметры		Тип	Номинальные параметры
	Емкость, нФ	Напряжение, В		Емкость, мкФ	Отклонение, %	Напряжение, В
С1	10	12	К10-17	10	10	25
С2	1,6	12	К10-17	1,5	10	25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4   Расчёт усилителя мощности.

 

На рисунке 9 изображена схема усилителя мощности, он представляет собой операционный усилитель с двумя биполярными транзисторами.

 

 

Рисунок 9

 

           Для защиты микросхемы и транзисторов  от  «скачков» напряжения ставится резистор R2=100 Ом.

Кум = Rос / R1 = 10;

Подбираем сопротивления резисторов из выше приведенного отношения Rос и R1:

Rос = 5 кОм;

R1 = 500 Ом;

В свою очередь мощность нагрузки будет равна:

Найдем рассеиваемую мощность на транзисторах:

Рассчитывается ток на выходе схемы:  

Дальше будем рассчитывать ток на выходе усилителя:

Здесь же определим коэффициент усиления тока базы:

β ≥ 1,1;

В таблице 10 приведены параметры микросхемы К140УД6, а в таблице 11 приведены характеристики транзисторов, где 2N1077 – n-p-n транзистор, а 2N2709 – p-n-p транзистор.

Таблица 10 - Микросхема в усилителе мощности

Тип	Ку	Uпит, В	Iпит, мА	Uвых, В	ТКесм, мкВ/град
К140УД6	50000	±(5÷20)	3	±12	20

 

 

Таблица 11 – Пара биполярных транзисторов

Тип	IK, max, мА	UKЭ0, max, В	UKБ0, max, В	PK, max, мВт	β
2N1077	50	35	50	250	9
2N2709	50	35	50	240	10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчет погрешностей

4.1 Расчет температурной погрешности

 

Влияние температуры на изделие определяется температурным дрейфом усилителей и температурным изменением напряжения питания. В общем случае изменение напряжения смещения на входе ОУ будет определяться:

 – температурный дрейф ОУ.

 –  температурная нестабильность напряжения  питания.

Дрейфовая составляющая зависит от дрейфа напряжения смещения ОУ.

При построении ПУ использовали микросхему КР140УД17Б с .

Питающая составляющая, зависящая от изменения питания усилителя от температуры, связана с температурной нестабильностью стабилизатора напряжения, и оценивается через коэффициент влияния.

 –  температурный коэффициент изменения  напряжения стабилизатора.

Температурная погрешность усилителя определяется как относительная разность выходного сигнала усилителя с учётом температуры и номинального выходного сигнала:

−выходной ток усилителя по ТЗ

В

 

2. Расчет погрешности от нестабильности питающего напряжения

 

Погрешность от нестабильности питающего напряжения связана с нестабильностью напряжения питания δпит, заданной в ТЗ.

Изменение напряжения смещения на входе усилителя:

 –  изменение напряжения на выходе  стабилизатора напряжения.

 –  изменение напряжения на выходе стабилизатора.

 

 

 

5. Описание схемы электрической принципиальной

 

Схема электрическая принципиальная выполнена на листе формата А3 и представлена в приложении А.

Блок питания собран из элементов: DA4, VD1 – VD8, C3, С4, С5, C6 и обеспечивает напряжение ±15 В для питания элементов усилителя.

Первый каскад представляет собой предварительный усилитель и собран из элементов: DA1, R1, R2, R3 и R4. ОУ включен по схеме с инвертирующим входом. Инвертирующий усилитель обладает низким входным сопротивлением. Резистор R4 предназначен для устойчивой стабильной работы ОУ.

Второй каскад является фильтром нижних частот и собран на элементах: DA2, R5, R6, R7, С1 и С2. Он обеспечивает рабочую полосу частот усилителя.

Третий каскад представляет собой усилитель мощности собранный на микросхеме DA3, резисторах R8, R9, R10, R11, R12 и двух биполярных транзисторах VT1 и VT2. Предназначен для усиления мощности сигнала.