1.Расчет типового усилителя мощности

Данные для расчета приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1

Pвых, Вт	Δf, Гц	Ми, дБ	η, %	Uвх, мВ	Rн, Ом
5	20-20000	1	45	5	8

1)Выбор схемы. Выбираем схему усилителя с двухтактным выходным каскадом на транзисторах с большим коэффициентом усиления (рисунок 1.1). В двухтактных бестрансформаторных каскадах в силу симметричности проводится расчет одного плеча.

Входной каскад построен на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ; ООС охватывает оба каскада. Сигнал ООС с делителя R1- R3 подается на инвертирующий вход. Оконечный каскад работает в режиме АВ, при этом VD2, а на выходе протекает небольшой ток покоя.

Рис. 1.1 Усилитель мощности

2)Расчет выходного каскада. Для подбора мощных транзисторов и их применения в качестве выходного каскада необходимо рассчитать следующие параметры:

(1.1)

(1.2)

где U_{H max} – амплитудное значение напряжения на сопротивлении нагрузки R_H , I_{H max} – максимальный ток, протекающий через нагрузку.

Напряжение источника питания одной половины выходного каскада при биполярном питании или половина напряжения общего источника питания определяется исходя из амплитуды выходного сигнала, при этом величина напряжения питания E выбирается минимум на (2…2.5)В больше U_{H max :}

E ≥ U_{H max} +(2…2.5). (1.3)

Рассчитаем необходимые предельные параметры транзисторов VT1 и VT2:

I _{H max} - максимальный ток, протекающий через нагрузку. Приблизительно равен коллекторному току мощного выходного транзистора: I _{K max} = I _{H max} . Потребуем не менее, чем с 2-х кратным запасом - I _{K max} =3А.

U_{КЭ max} – напряжение коллектор–эмитер выходного транзистора; составляет E+ U _{H max} . Потребуем с запасом U_{КЭ доп}=25В.

P_max – максимальная мощность, рассеиваемая одним транзистором выходного каскада. P_max=E²/π²*R_n=3, но берется с запасом P_Кдоп=10Вт.

На основании рассчитанных выше значений из справочной литературы производится выбор мощных транзисторов выходного каскада, который обычно осуществляется по следующим параметрам:

-максимальному току коллектора - I _{K доп} ;

-максимально допустимому напряжению между коллектором и эмиттером транзистора U_{КЭ доп} ;

-максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторе P_Кдоп;

-коэффициенту передачи тока в схеме с ОЭ β(иное обозначение данного параметра в системе h - параметров – h_21Э );

-предельной (граничной) частоте – f_гр.

Транзисторы должны иметь одинаковые параметры, то есть образовывать комплементарную пару. В некоторых случаях учитывается температурный диапазон.

Максимальная величина базового тока транзисторов выходного каскада, необходимая для обеспечения заданной мощности в нагрузке, определяется соотношением:

где β_min – минимальное значение величины коэффициента передачи по току.

По рассчитанному значению I_бmax по входной характеристике примененного транзистора определяем максимальное значение напряжения перехода база-эмиттер U_{бЭ доп}. Отсюда можно определить максимальное напряжение на входе транзистора оконечного каскада, необходимое для обеспечения заданной мощности в нагрузке:

Входное сопротивление оконечного транзисторного каскада в этом случае можно определить по выражению:

Установим ток коллектора покоя транзисторов выходного каскада I_кп, тогда ток базы покоя VT1 равен I _бп, и по выходным характеристикам определяем необходимое значение U_{бэ п}.

Для уменьшения нелинейных переходных искажений и температурной стабилизации в плече промежуточного каскада используются диоды. Количество последовательно включенных диодов, разность потенциалов на которых образует удвоенное напряжение смещения U_см, как правило, равняется количеству транзисторов усилителя мощности. Для гарантированного обеспечения требуемого смещения может быть включен дополнительный диод. Выберем ток делителя, протекающий через диоды, из соотношения: I_дел > I_{к п}.

Таким образом, получив параметры напряжения смещения и тока, из справочной литературы выберем тип диодов по следующим параметрам:

-величина прямого напряжения U_пр;

-величина прямого тока I_пр(I_{пр доп}> I_дел);

-максимальная частота f_пр.

Величина полного входного сопротивления оконечного усилительного каскада определяется параллельным соединением R_вхVT1 и сопротивления делителя R_дел(R4 или R5 на рис.1.1).

Величина последнего рассчитывается по формуле:

(1.4)

Необходимо отметить, что выходное сопротивление оконечного каскада является нагрузкой для каскада усилителя напряжения, выполняемого на основе операционных усилителей. В свою очередь ОУ имеют четко регламентированные значения минимально допустимых величин сопротивлений нагрузки. Так, для большинства операционных усилителей общего применения должно быть 2кОм. Поэтому при необходимости увеличения входного сопротивления целесообразно использовать каскад промежуточного усиления, состоящей из достаточно маломощных транзисторов, также представляющих собой комплементарную пару.

3)Расчет входного каскада. Для выбора и расчета усилительного каскада на операционных усилителях (ОУ) необходимо учесть несколько важных моментов:

-полное входное сопротивление выходного каскада усилителя должно превосходить минимальное сопротивление нагрузки ОУ, данное в справочнике(R_вхОК>R_НОУ);

-требуемое максимальное входное напряжение оконечного каскада усилителя мощности с учетом обратной связи должно быть меньше максимального выходного напряжения ОУ, данного в справочнике

U_{вх max} < U_{вых ОУ;}

-на верхней частоте усиления f_у в ОУ должен обеспечивать расчетный коэффициент усиления;

-температурные и другие требования задания должны удовлетворяться, во избежание перегрева элементов.

Далее из справочной литературы выбирается ОУ с подходящими параметрами: коэффициентом усиления по напряжению КОУ; максимальным значением выходного напряжения U_вых; минимальным сопротивлением нагрузки или максимальным током выхода I _{вых max}; напряжением смещения U _см; входным сопротивлением или выходным током I _см; частотой единичного усиления f1; напряжением источников питания U_п; диапазоном рабочих температур T _min…T _max и другим параметрам.

После выбора ОУ производится расчет коэффициента усиления всего усилителя мощности:

где U _{H max} – максимальное напряжение на нагрузке;

U_{вх max} – амплитудное значение входного сигнала.

4)Расчет цепи отрицательной обратной связи. Для расчета входного каскада на ОУ, охваченного ООС возможно применение идеализированного выражения:

справедливого при допущении, что _. Задав номинал резистора R1, определяем по формуле R2=R1(K_{u oc}-1).

5)Расчет разделительного конденсатора С1 и резистора R3. Включается разделительный конденсатор С1, для того чтобы не пропустить постоянное напряжение на вход усилителя.

Емкость разделительного конденсатора рассчитывается по :

(1.5)

где - нижнее значение круговой частоты;

R_Г – сопротивление источника сигнала;

R_вх – полное входное сопротивление каскада;

M_н – коэффициент нелинейных искажений.

Величина полного входного сопротивления определяется параллельным соединением резистора R3 и входным сопротивлением операционного усилителя. Входные сопротивления по инвертирующему и не инвертирующему входам должны быть примерно одинаковы для уменьшения ошибок из-за токов смещения ОУ. Величина резистора R3 может быть рассчитана исходя из соотношения:

R3=R1||R2.

Тогда полное сопротивление каскада равно:

6)Расчет КПД усилителя. Коэффициент полезного действия усилителя определяется, в основном, мощностью, отбираемой от источника питания выходным каскадом:

,

где - мощность, потребляемая всем усилителем.

Тогда

Таким образом, все параметры удовлетворяют заданным условиям.

Все расчеты усилителя мощности произведены в программе MathCAD и приведены в приложении 1.

Моделирование усилителя мощности произведено в программе Multisim12 и приведено в приложении 3.