3.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами.

Значения R1, R2, R3, С1 и С2 рассчитаны ранее, в разделе 1.3,

Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания Кu, нижнюю граничную частоту полосы пропускания fн, верхнюю граничную частота fв и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование.

Как видно из полученных результатов, усилитель, состоящий из двух усилительных подсхем, имеет верхнюю граничную частоту fв намного больше по сравнению с усилителем с одним не инвертирующем РУ, а именно fв = 15.637 кГц. Полученная частота соответствует заданной (по заданию fв должна быть не менее 15 кГц). Следовательно, схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 3.1, подходит.

4. Проектирование мощного выходного каскада усилителя.

На рис. 4.1 представлена схема усилителя на двух ОУ с мощным выходным каскадом (ВК).

Для экономии места на рисунке не приведена усилительная подсхема (DA1- R1- R2- R3- С1).

рис. 4.1.

4.1 Назначение и функционирование вк.

Выходной каскад (VT1–VT4;R6–R9) предназначен для получения большого тока нагрузкиI_НМ= 1-1,5 А.

Интегральный ОУ 741 имеет максимальный ток нагрузки I_НМ= 10-20 мА, что явно недостаточно для нашего усилителя.

ВК усиливает только по току. По напряжению его коэффициент передачи близок к 1 (повторитель напряжения). Действительно, VT1 и VT3 по одному и VT2 и VT4 по другому пути – каскады с общим коллектором, не инвертируют, K_U≈1.

ВК – двухтактный каскад режима класса АВ.

При U_ВЫХ> 0 (полярность без скобок) VT3 – в активном усилительном режиме, VT4 – в отсечке, ток нагрузкиI_Нтечет по цепи: +U_ИП– коллектор-эммитер VT3 – R8 –R_Н– общая шина.

При U_ВЫХ< 0VT3 – в отсечке, VT4 – в активном усилительном режиме, ток нагрузкиI_Нтечет по цепи: общая шина –R_Н–R9 – эммитер-коллектор VT4 – –U_ИП.

Наличие двух источников питания позволяет обеспечивать двуполярный диапазон изменения выходного напряжения

+ U_ИП= +15В

- U_ИП= -15В

–10B≤ U_ВЫХ≤ 10В.

Как создается режим класса АВ?

Режим класса АВ создается введением транзисторов VT1, VT2.

Падение напряжения

U_AB= U_ЭБ1+ U_ЭБ2≈ 0.6 + 0.6 = 1.2 В

приоткрывает транзисторы VT3 и VT4 при U_ВЫХ= 0. Через них течет некоторый начальный сквозной ток I₀, при этом рабочая точка транзисторов VT3 и VT4 выводится на начало линейного участка (.)АВ, что минимизирует нелинейные искажения U_ВЫХВК и всего усилителя.

Резисторы R8 и R9 необходимы для ограничения сквозного тока I₀.

4.2 Расчет выходного каскада.

Дано: U_ВЫХ.М= 10 В, I_НМ= 1,4А, β_МИН=I_К/I_Б= 100 (для всех транзисторов). β – статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эммитером.

I_Э ≈I_К.

Определяем минимальное сопротивление нагрузки:

Сопротивление R₆резистора R₆выбираем из условия обеспечения напряжения

U_ВЫХ.= +10 В при I_Н= I_НМ.

В этом режиме через транзистор VT1 течет минимальный ток I_Э1.МИН.

Зададимся минимальным током I_Э1.МИН= 2 мА (меньше нельзя, т.к. транзистор VT1 теряет усилительные свойства).

При этом в цепи базы транзистора VT3 течет максимальный ток

I_Б3.М =Iнм / β_МИН.З = 1,4/ 100 = 14мА (I_Кз≈I_Эз=Iнм)

Тогда I_R6=I_Э1.МИН+I_Б3.M= 2мА + 14мА= 16мА

В этом режиме из 2го закона Кирхгофа получаем:

U_ип=U_R6+U_ЭБ.3+U_R8 +U_ВЫХ.М.

Задаемся: U_ЭБ.3= 0.8 В,U_R8≈0.2 В, тогда

U_R6=U_ип-U_R8-U_ЭБ.3-U_ВЫХ.М.=15-0.2-0.8 -10=4В

R₆=U_R6 /I_R6 = 4/ 16*10^-3 ≈250 Ом

Сопротивление в резисторах не более 3х значащих цифр, так как точность их изготовления – 5-10%.

Определим сопротивление R8:

I_R8≈Iим;R8≈U_R8/Iн.м=0,2/1,4=0,14Ом.

Аналогичным образом определим сопротивления R7, R9 из условия обеспечения напряжения –U_ВЫХ.М= –10 В при I_Н= –I_НМ= –1,4А.

Если β_МИН.3= β_МИН.4, то получаем

R₇≈R₆=250Ом

I_R8≈Iнм=1,4АR₉≈R₈= 0,14Ом

4.3 Максимальные мощности, рассеиваемые на элементах ВК.

Мощность рассеяния на коллекторе транзистора P_K= I_K*U_КЭ, где I_K– ток коллектора, U_КЭ– напряжение коллектор-эммитер.

Можно показать:

Р_КЗМ ≈ Р_К4М ≈U_ип²/(4*R_Н.МИН) = 15²/(4*7,14) ≈7,88 Вт

Транзисторы VT3, VT4 нужно устанавливать на теплоотвод, поскольку допустимая мощность рассеяния на транзисторе без теплоотвода, как правило, не превышает 2-4 Вт.

Р_К2М ≈ Р_К1М ≈Uип²/R₆= 15²/250=0,9 Вт

Транзисторы VT1 и VT2 можно использовать без теплоотвода.

Определим максимальную мощность на резисторе R6. Она будет при U_ВЫХ= –U_ВЫХ.М.

При этом:

U_ип=U_R6М+U_ЭБ.1+U_ЭБ2-U_ЭБ.4-U_R9 -U_ВЫХ.М.

Тогда

U_R6М =U_ип+U_ВЫХ.М.+U_ЭБ.4+U_R9-U_ЭБ.1-U_ЭБ2= 15+10+0.8+0.2-0.6-0.6=24.8 Вт ≈25Вт

Р_R7М≈P_R6М=U_R6М²/R₆= 25²/250= 2,5Вт

Можно показать

Р_R9М≈P_R8М≈Iнм²*R₈= (1,4)²*0.14= 0,2744Вт