Проектирование и расчет усилителей

Как результат поисков и эволюции схемотехнических и технологических решений был создан ряд ОУ, который согласно квалификации по ГОСТ 4465-86 делится на следующие категории:

-универсальные (общего применения), у которых Куu=103…105; f1=1.5…10 МГц;

-прецизионные (инструментальные) с Куu>0.5×106 и гарантированными малыми уровнями Uсм 0.5 мВ и его дрейфа;

-быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения VUвых 20 В/мкс;

-регулируемые (микромощные) с током потребления Iпот<1 мА.

 

5 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО  КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

 

Задано:

-мощность нагрузки Pм = 5 мВт;

-напряжение источника питания Eк = 12 В;

-выходное напряжение Uвыхm = 3.5 В.

Рассчитаем сопротивление нагрузки:

(5.1)

Выберем стандартное значение: Rн = 1,2 кОм.

Рассчитаем амплитуду тока нагрузки:

(5.2)

Чтобы избежать нелинейных искажений выходного сигнала, параметры точки покоя выбираются из следующих условий:

,	(5.3)
,	(5.4)

где DU – напряжение на транзисторе в режиме насыщения, принимается 1…1,5 В.

Чем больше выбран Iкп, тем больше мощность, потребляемая от источника питания и, следовательно, ниже КПД каскада. При малом Iкп могут возникнуть нелинейные искажения выходного сигнала.

Принимаем Iкп=7 мА, Uкэп=5 В.

Транзистор выбирается по предельным параметрам:

Uкэ доп Ек =12 В;	(5.5)
Iк доп Iкп + Iвых m =7 + 3 = 10 мА;	(5.6)
Рк доп Iкп·Uкэп = 7·5 = 35 мВт.	(5.7)

Выбираем транзистор КТ215Д, у которого

Uкэ доп = 30 В; Iк доп = 50 мА; Рк доп = 50 мВт.

Данный транзистор имеет следующие h-параметры:

h11=0,9 кОм; h21=80; h22=3 мкСм.

Параметром h12 пренебрегаем, а рекомендуемое напряжение база-эмиттер в режиме покоя Uбэп=1 В.

В статическом режиме источник сигнала отключен, каскад работает только под действием источника питания Eк. Поэтому сопротивление конденсаторов равно бесконечности и расчетная схема имеет вид (рисунок 5.1).

Уравнение статической линии нагрузки:

Ек = Iк Rк + Uкэ + Iэ Rэ.

(5.8)

Так как   Iэ = Iк + Iб  и  Iк >> Iб , то  Iэ » Iк ;

Ек = Iк ·(Rк + Rэ) + Uкэ.

(5.9)

Рекомендуется принимать Rэ = (0,1 …0,2) Rк.

 

Рисунок 5.1 – Схема усилителя в статическом режиме

Тогда

Ек = 1,1Iк ·Rк + Uкэ.

(5.10)

В режиме покоя Iк = Iкп , Uкэ= Uкэп.

Рассчитаем сопротивления:

	(5.11)
	(5.12)

Выберем стандартные значения: Rк = 910 Ом, Rэ = 91 Ом.

Чтобы в динамическом режиме не менялись существенно условия работы конденсатора, ток делителя рекомендуется выбирать в 5…10 раз больше Iбп. Примем I1 = 5Iбп.

.	(5.13)
.	(5.14)

Для контура R2 — база — эмиттер — Rэ уравнение по второму закону Кирхгофа:

-R2 I1 + Uбэп + Iкп Rэ = 0.	(5.15)
.	(5.16)

Второе уравнение для контура Eк – R1 – R2:

Eк = (I1+ Iбп)·R1 +I1·R2;	(5.17)
.	(5.18)

Выберем стандартные значения: R1 = 20 кОм, R2 = 3,6 кОм.

В динамическом режиме Ек закорочен, а сопротивлением конденсаторов можно пренебречь, так как их емкость выбирается из условия, чтобы на минимальной рабочей частоте реактивное сопротивление конденсаторов было на порядок меньше сопротивлений резисторов схемы.

Рисунок 5.2 – Схема замещения каскада с учетом h-параметров

 

В схеме замещения каскада с учетом h-параметров транзистора (рисунок 5.2):

.

(5.19)

Входное сопротивление каскада:

.

(5.20)

Выходное сопротивление каскада:

.

(5.21)

Уравнение динамической линии нагрузки:

(5.22)

Максимальная амплитуда выходного напряжения при Iкm = Iкп.

.

(5.23)

 

Рассчитаем коэффициенты усиления:

	(5.24)
	(5.25)
	(5.26)

Рассчитаем потребляемую мощность (мощность, потребляемая делителем, незначительна):

.

(5.27)

Рассчитаем КПД:

.

(5.28)

Амплитудная характеристика Uвыхm = f(Uвхm):

.

(5.29)

Это линейное уравнение справедливо до Uвыхm = 0,079 B. Дальнейший рост напряжения ограничивается тем, что транзистор закрывается. Следовательно, амплитудную характеристику (рисунок 5.3) можно построить по двум точкам:

первая точка – начало координат Uвхm = 0, Uвыхm = 0;

вторая точка – Uвыхm = 3,653 В, Uвхm = Uвыхm/Ku = 3,653/46,385 = 0,079 В.

Рисунок 5.3 – Амплитудная характеристика усилителя

 

Схема электрическая принципиальная усилителя показана в приложении.

 

6 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКИХ  ЧАСТОТ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО  УСИЛИТЕЛЯ

 

 

Задано:

-требуемый коэффициент усиления: Кус =25;

-тип операционного усилителя: К140УД1А;

-Uвхmin = 6 мВ;

-тип усилителя: инвертирующий.

Рисунок 6.1 – Схема инвертирующего усилителя

 

Параметры операционного усилителя:

-коэффициент усиления: КОУ = 2500;

-входное сопротивление: Rвх = 0,6 МОм;

-выходное сопротивление: Rвых = 0,7 кОм;

-максимальное выходное напряжение Uвыхm = ±3,5 В;

-разность входных токов: DIвх = 1,5 мкА.

Для инвертирующего усилителя на ОУ входное сопротивление Rвх = R1. Чтобы не загружать источники сигнала, величину R1 желательно иметь большой. Но падение напряжения на R1 от разностного тока DIвх воспринимается усилителем как сигнал. Чтобы отстроить эту помеху от полезного сигнала, надо иметь DIвх R1 значительно меньше, чем Uвхmin.

(6.1)

Примем R1 = 430 Ом, тогда

(6.2)

Рассчитаем сопротивление обратной связи:

(6.3)

Для уравнивания входных токов ОУ по обоим входам в цепь неинвертирующего входа включим резистор R3:

(6.4)

Примем R3 = 430 Ом.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью:

(6.5)

Рассчитаем выходное сопротивление усилителя:

(6.6)

Амплитуда выходного сигнала не может быть больше максимального выходного напряжения. Поэтому максимальная амплитуда входного синусоидального сигнала составит

(6.7)

Схема электрическая принципиальная усилителя показана в приложении.

 

7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУММАТОРА НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

 

Задано:

-операция: U1+5U2+3U3;

-сопротивление обратной связи: Rос =27 кОм;

-тип операционного усилителя: К140УД1А.

Схема параллельного сумматора для реализации заданной функции приведена на рисунке 7.1. Число входов соответствует числу членов функции.

 

Рисунок 7.1 – Схема электрическая параллельного сумматора

 

Рассчитаем коэффициенты усиления по входам.

(7.1)

где Roc – сопротивление обратной связи;

 Ri – сопротивление в цепи данного входа.

По заданному значению сопротивления обратной связи и весовым коэффициентам входов (К1 = 1, К2 = 5, К3 = 3) определяем:

	(7.2)
	(7.3)
	(7.4)

Рассчитаем единичное входное напряжение при максимальном выходном напряжении операционного усилителя:

U = Uвыхm/3 = 3,5/4 = 1,167 В.

(7.5)

 

При единичном входном напряжении 100 мВ Uвх1 = Uвх2 = Uвх3 = 100 мВ. Доля выходного напряжения за счет первого входа

Uвых1 = К1Uвх1 = 1×100 = 100 мВ,

(7.6)

за счет второго входа

Uвых2 = К2Uвх2 = 5×100 = 500 мВ,

(7.7)

за счет третьего входа

Uвых3 = К3Uвх3 = 3×100 = 300 мВ,

(7.8)

 

Выходное напряжение сумматора:

Uвых = -(Uвых1 + Uвых2 + Uвых3) = -(100 + 500 + 300) = -900 мВ.

(7.9)

 

 

8 МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

 

 

Для моделирования усилительного каскада на биполярном транзисторе соберем схему в среде Electronics Workbench 5.12 (рисунок 8.1).

 

Рисунок 8.1 – Схема усилительного каскада, собранная в среде Electronics Workbench

 

Изображения входного и выходного сигналов получим с помощью осциллографа. Результат работы схемы показан на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 – Результат моделирования усилительного каскада на биполярном транзисторе

 

Для моделирования инвертирующего усилителя на операционном усилителе соберем схему, изображенную на рисунке 8.3.

Рисунок 8.3 – Результат моделирования инвертирующего усилителя