Лаба

РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Для расчета усилителя на основе эмиттерного повторителя требуются следующие параметры:

Uп – напряжение питания усилителя;

Uн – напряжение нагрузки (амплитудное);

Uвх – напряжение на входе усилителя (амплитудное);

Ic – ток коллектора транзистора;

fн – нижняя граничная частота полосы пропускания усилителя.

Принципиальная электрическая схема простейшего усилителя на основе эмиттерного повторителя представлена на рис. 1. Усилитель состоит из двух основных частей: выходной каскад по схеме эмиттерного повторителя на основе транзистора VT1 и предусилитель на основе операционного усилителя OP1.

Рисунок 1 – Принципиальная электрическая схема усилителя.

Расчет усилителя начинается с выбора транзистора VT1, для этого необходимо определить мощность, рассеиваемую на транзисторе,

приблизительное значение мощности можно найти по формуле

При выборе транзистора необходимо, чтобы мощность, рассеиваемая на коллекторе (Pd в английском обозначении), была больше расчетной, а

также, чтобы предельный ток коллектора был больше Ic. Помимо этого,

предельное напряжение Uкэ должно быть больше 2Uн. Таблица с параметрами транзисторов представлена на рис. 2

Рисунок 2 – Параметры транзисторов.

После выбора транзистора необходимо определить напряжение базы и напряжение на эмиттере:

Зная напряжение на эмиттере можно рассчитать сопротивление эмиттера Rэ

На следующем шаге необходимо рассчитать сопротивления делителя напряжения R1-R2, которые задают смещение транзистора, так как мы задали напряжение базы равным половине напряжения питания, то R1 = R2. Зная коэффициент передачи транзистора по току h21э (берется из параметров транзистора при токе коллектора, близком к Ic; английское обозначение – hfe)

можно определить приблизительное значение требуемого тока базы:

Требуемый ток делителя должен быть больше тока базы как минимум в

10 раз

Исходя из требуемого тока делителя, сопротивления делителя равны

Последним этапом расчета выходного каскада является определение требуемых значений разделительных емкостей C1 и C2. Предварительно найдем эквивалентное входное сопротивление каскада

где R1||R2 – сопротивление параллельного включения R1 и R2, т.к.

R1 = R2, то

Конденсатор С1 и эквивалентное входное сопротивление выходного каскада образуют фильтр верхних частот, чтобы получить ослабление входного сигнала -3 дБ и более на частотах меньше fн, необходимо, чтобы емкость C1 была

Конденсатор C2 и сопротивление нагрузки также образуют фильтр верхних частот. Можно предположить, что сопротивление нагрузки будет не меньше Rэ, тогда

Так как эмиттерный повторитель не обеспечивает усиления по напряжению, а входное напряжение меньше требуемого выходного, то необходимо использовать предварительный усилитель, обеспечивающий усиление по напряжению. Наиболее простой вариант использовать для этой цели операционный усилитель. Для выбора операционного усилителя необходимо определить выходной ток ОУ

где Uвых.ОУ = Uн.

Требуемое значение коэффициента усиления ОУ

Сопротивления R3 и R4 связаны друг с другом следующим выражением

На этом расчет элементов усилителя завершен. Далее в табл. 1

приведен пример расчета усилителя с последующим моделированием в программе LTspice.

Таблица 1 – Пример расчета

			Ед.
Параметр	Значение	Корректировка	изм.	Прим.
Uп	15		В
Uн	3		В
Ic	10		мА	ТЗ
fн	20		Гц
Uвх	30		мВ
Pкэ	112.5		мВт
VT1	BC847C
Pmax	250		мВт
h21э	125			Из параметров
Icmax	100		мА	транзистора
Uб	7.5		В
Uэ	6.9		В
Rэ	690	690	Ом
Iб	0.08		мА
Iд	0.8		мА
R1	9375	9300	Ом
R2	9375	9300	Ом
R1||R2	4687.5		Ом
Rэкв.вх	4445.876289		Ом
С1	1.79082E-06	2.2	мкФ
С2	0.000230776	330	мкФ
Iвых.ОУ	0.674782609		мА
K	100
R4	1000		Ом
R3	100000		Ом

На рис. 3 приведена модель усилителя в программе LTspice.

Рисунок 3 – Модель усилителя.

Для моделирования усилителя на вход (источник V2) желательно подавать напряжение частотой в 5-10 раз больше, чем fн и амплитудой,

соответствующей Uвх, тогда конечное время моделирования следует указывать таким, чтобы можно было увидеть 5 полных периодов синусоиды выходного напряжения. Настройки источника V2 и параметров моделирования приведены на рис. 4, 5.

Рисунок 4 – Настройки источника V2

Рисунок 5 – Параметры моделирования

На рис. 6-8 представлены результаты моделирования усилителя.

Рисунок 6 – Входное (синий) и выходное (зеленый) напряжение усилителя

Рисунок 7 – Выходное (синий) напряжение и напряжение на эмиттере

(зеленый).

Рисунок 8 – Выходной ток (красный) и ток эмиттера (зеленый).

Для исследования частотных характеристик преобразователя, надо в параметрах источника V2 задать амплитуду сигнала анализа AC (рис. 9), а

также параметры анализа (рис. 10).

Рисунок 9 – Настройки источника V2 для AC анализа.

Рисунок 10 – Настройки параметров AC анализа.