Расчет усилителя мощности низкой частоты

Выбираем из справочника [2] R₅ и R₆=6,2кОм

По полученным данным выбираем [1] диод типа КД521Г c параметрами:

 

- прямой ток максимальный, мА……………..50

- обратное напряжение максимальное, В……30

- время восстановления,нс…………………….4

 

3.2Расчет элементов  и параметров каскада промежуточного  усиления 

 

 

Каскад промежуточного усиления должен обеспечивать размах выходного напряжения на нагрузке сопротивлением

в полосе частот (20-26)10 при входном сигнале 30 мВ и входном сопротивлении 110кОм.

 Если учесть, что параметры усилителя могут изменяться при изменении температуры окружающей среды, то необходимо иметь коэффициент усиления по напряжению в несколько раз больше минимального значения:

Предъявленным условиям должен удовлетворять быстродействующий  широкополосный операционный усилитель  типа К154УД4[1], имеющий следующие параметры:

 

Таблица 3

Наименование параметра	К154УД4
Напряжение питания
Напряжение смещения	6
Входной ток	100
Выходное напряжение	11
Коэффициент усиления	62
Коэффициент подавления синфазного сигнала	72
Входное сопротивление	1
Потребляемая мощность	210
Частота единичного усиления	20

 

 

Коэффициент усиления ОУ на постоянном токе составляет или .Так как крутизна спада АЧХ ОУ составляет 20 дБ/дек, то это означает , что при увеличении частоты сигнала в 10 раз коэффициент усиления ( начиная с некоторой частоты)  будет падать ровно  в 10  раз и на частоте f₁=20МГц достигнет значения

Таким образом , на частоте f₁=20МГц - ;на f₂=2МГц- ; на f₃=200МГц- ;  на f₄=2МГц-   и так далее до достижения частоты , на которой будет достигнут максимальный коэффициент усиления .Процесс изменения коэффициента усиления наглядно отражается  на его АЧХ, построенной в логарифмическом масштабе на рис. 3

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.АЧХ операционного усилителя типа К154УД4

 

Из АЧХ выбранного ОУ следует, что на верхней частоте усиливаемого сигнала fв= 26кГц коэффициент усиления напряжения ОУ равен приблизительно 750, то есть имеется запас по этому параметру, минимальное значение

которого равно  .

Значение сопротивления  резистора R₂ выбираем исходя из заданного в ТЗ значения входного сопротивления:

 откуда 

 

Выбираем из справочника [2] R₂ = 120 кОм.

Для того чтобы уменьшить  влияние входных токов ОУ, следует  выбрать сопротивление резисторов (если их несколько, то их параллельное соединение), подключённых к каждому входу, приблизительно одинаковыми. Исходя из этого условия и полагая, что установка сопротивления местной обратной связи R₄ не эффективна, так как запас по коэффициенту усиления невелик, выбираем значение сопротивления общей обратной связи R₃=R₂=120 кОм.

 

Формула коэффициента усиления всего усилителя мощности, охваченного общей отрицательной обратной связью, имеет следующий вид:

 

 

 

 

 

 

 

Из этой формулы находим  значение R₁:

 

 

 

Выбираем из справочника [2] R₁ = 270 Ом.

Сопротивление местной  отрицательной обратной связи выбираем вдвое

большим сопротивления R₃=R₄= 240 кОм.

Полагая отклонение сопротивления  резисторов равным 10%, подсчитываем нестабильность коэффициента усиления:

 

Задаёмся отклонением сопротивлений 5%:

 

 

При использовании резисторов в цепи обратной связи с отклонениями 5% требования к стабильности усилителя  соблюдаются.

 

 

 

3.3Расчёт и выбор номиналов резисторов и конденсаторов

 

Номинальные значения всех резисторов выбраны в предыдущих разделах. Осталось определить их по мощности, допуску и типу.

Полагаем, что допуски  всех резисторов, кроме резисторов общей обратной связи равны 5%, а допуск на резисторы общей обратной связи должен быть меньше - 2%.

Мощность рассеяния резистора определяется по формуле:

 

Все расчёты и данные резисторов сведены в табл. 4

Обозначение	Номинал				Допуск	Тип
R₁	270 Ом	30мВ	3,3мкВт	0,125Вт	1%	С2-29
R₂	120кОм	30мВ	75 мкВт	0,125Вт	5%	С2-33
R₃	120кОм	13,4В	1,5мВт	0,125Вт	1%	С2-29
R₄	240кОм	6,7В	0,187мВт	0,125Вт	5%	С2-33
R₅	6,2кОм	23,4В	88 мВт	0,125Вт	5%	С2-33
R₆	6,2кОм	23,4В	88мВт	0,125Вт	5%	С2-33
R₇	6,8Ом	100мА	6,8мВт	0,125Вт	5%	С2-33
R₈	6,8Ом	100мА	6,8мВт	0,125Вт	5%	С2-33
R₉	68Ом	6,7В	0,66Вт	1Вт	5%	С2-33
R₁₀	68Ом	6,7В	0,66Вт	1Вт	5%	С2-33

 

 

 

 

Значения емкостей разделительного  и блокировочного конденсаторов С₁ и С₂ рассчитываются исходя из допустимых частотных искажений на нижней

частоте входного сигнала.

Коэффициент влияния  на частотные искажения в случае применения одного разделительного и одного блокировочного конденсаторов определяется исходя из заданного коэффициента искажений М_н = следующим образом:

 

 

 

Ёмкость разделительного  конденсатора определяется по формуле:

 

 

 

Ёмкость блокировочного конденсатора определяется по формуле:

 

 

 

Выбираем из справочника  С₁=220пФ, С₂=62нФ типа К50-35-25В

 

 

 

4. Расчет частотных  искажений в области высоких частот

Коэффициент частотных  искажений транзисторного каскада  в высокочастотной области определяется по формуле:

где ω_в=2πf_в=2∙π∙26∙10³= 163 • 10³рад/с- верхняя круговая частота;

 

Тв = Т_β + Тк - постоянная времени транзисторного каскада;

постоянная времени транзистора  на граничной частоте;

- постоянная времени коллекторного  перехода;

С_к- ёмкость коллекторного перехода;

R_н- сопротивление нагрузки транзисторного каскада.

         Для промежуточного каскада R_н=6,8 Ом; С_к=10пФ; f_гр=5МГц.

         Подсчитаем искажения, вносимые промежуточным каскадом.

         Для оконченного каскада  R_н=15 Ом; С_к=60 пФ; f_гр=1 МГц.

         Подсчитаем искажения, вносимые  оконченным качкадом.

Общий коэффициент  частотных искажений, равный М_Впр • М_Вок = 1 означает, что на верхней частоте усиливаемого сигнала искажения практически отсутствуют.

 

 

 

 

5. Расчет  коэффициента полезного действия усилителя

 

Расчет производим при максимальной амплитуде входного сигнала для одного плеча.

Мощность, потребляемая нагрузкой, равна Р_н =12 Вт.

При расчёте параметров оконечного каскада усилителя мощности посчитано, что мощность, потребляемая этим каскадом (вместе с нагрузкой) составляет 21,6 Вт. Таким образом, оконечный каскад потребляет мощность

Рок = 21,6 - 12 = 9,6 Вт.

  Промежуточный каскад  потребляет мощность Р_ПР = Е_питУМ • I_vt1 = 24В • 0,05А=1,2Вт.

  Операционный усилитель  каскада промежуточного усиления потребляет общую мощность от обоих источников питания 210мВт. Следовательно, от

одного источника он потребляет . Общее потребление мощности схемой усилителя совместно с нагрузкой составляет

∑Р = Рн + Рок+Рпр+Роу = 12 + 9,6 + 1,2 + 0,105 = 22,905Вт.

        КПД всего усилителя составляет 

        Таким образом, требование ТЗ _Ƞ > 50% выполнено.