Схемотехника. Материалы для подготовки к практическим занятиям по дисциплине схемотехника
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
3.2. Содержание практического занятия Работа состоит из двух частей. Первая часть расчетная. В ней определяются сопротивления резисторов, обеспечивающие выполнение условий баланса фаз и амплитуд для заданных значений частоты и амплитуды генерируемых сигналов. Во второй проводится анализ полученных результатов и приводятся ответы на контрольные вопросы 3.3. Порядок выполнения практического задания 1. Рассчитать параметры R1, R2,,R3 для схемы 1 и f0, R3,. R6 для схемы 2. При расчете исходить из данных индивидуального задания, варианты которого приведены в таблице:
Номинальные значения емкостей конденсаторов для всех схем принять равными - 5,1 нФ. Сопротивления резисторов R1=24к, R2=24к, R4220к, R5=2,2к для схем 2 и 3. Uд принять равным 0,7 В. 3.4. Контрольные вопросы 1. Что такое условие баланса амплитуд и условие баланса фаз? 2. Какой колебательный процесс наблюдается в замкнутых схемах с положительной обратной связью при петлевом усилении больше единицы? 3. Какое значение коэффициента передачи должен обеспечивать усилитель, чтобы при замыкании его цепью Вина на частоте ω0возникали незатухающие колебания? 4. Можно ли реализовать АРУ на линейных элементах? 5. Объясните принцип действия цепи нелинейной обратной связи. 6. В чем отличие зависимости К(Uвых. А) для линейных усилителей и усилителей с цепью АРУ или НОС? Практическое занятие «Мощные выходные каскады» Целью практического занятия является знакомство с принципами построения и расчета каскадов усиления мощности. Увеличение выходной мощности усилителей (например - интегральных операционных усилителей (ОУ)) достигается дополнением усилителя внешним каскадом усиления мощности (усилителем мощности). При необходимости увеличения только выходного тока ОУ дополняется двухтактным повторителем напряжения, работающим в режиме класса В или АВ. Если необходимо увеличить также амплитуду выходного напряжения, ограниченную допустимым напряжением источников питания ОУ, то выбирается схема с коэффициентом усиления по напряжению, большим единицы. При этом усилитель мощности работает от большего, чем ОУ, напряжения питания. Пример схемы усилителя мощности первого типа, подключенного к выходу ОУ, покачан на рис. 4.1. Каскад работает в режиме класса В. Он представляет собой симметричный повторитель напряжения, выполненный на транзисторах VT1и VT2. Если выходное напряжение ОУ равно нулю, то оба транзистора закрыты и, следовательно, выходное напряжение схемы  также равно нулю. При наличии положительного напряжения на выходе ОУ Транзистор VT1открывается, вызывает появление тока в цепи:  транзистор VT1, нагрузка . Транзистор VT2в атом случае остается закрытым. При отрицательной полярности напряжения на выходе ОУ работает транзистор VT2. Рис 4.1. Существенным недостатком такой схемы усилителя мощности: нелинейных искажений выходного напряжения при его переходе через нуль. Это обусловлено существенной нелинейностью входной характеристики биполярного транзистора в области малых токов. Если охватить усилитель мощности совместно с ОУ отрицательной обратной связью (ООС), указанные искажения существенно снижаются на низких частотах. Однако при частотах сигнала порядка десятков килогерц и выше инерционность усилители мешает контуру ООС «корректировать» эти искажения и они становятся заметными. Практически полностью нелинейные искажения устраняются, если обеспечить начальное смещение транзисторов (обеспечить режим класса АВ). Пример схемы усилителя мощности никого типа приведен на рис. 4.2. Цепь, состоящая из диодов VД1, VД2и резисторов R1, R2, предназначена для подачи начального напряжения смещения на выходные транзисторы VT3,VT4. С помощью резисторов R1, R2начальное смещение диодов выбирается так, чтобы сквозной ток через транзисторы VT3,VT4не превышал единиц миллиампер. Резисторы R3, R4и транзисторы VT1,VT2 имеют вспомогательное значение. Они предназначены для защиты выходных цепей усилителя мощности от перегрузки слишком большим током (например, при коротком замыкании нагрузки). Чрезмерное увеличение тока, например, через транзистор VT3приводит к увеличению падения напряжения, на резисторе R3, вследствие чего откроется транзистор VT1. Открываясь, транзистор VT1шунтирует базовую цепь VT3и обеспечивает ограничение выходного тока транзистора VT3.  Рис 4.2. 4.1. Расчетные соотношения В процессе проектирования каскада усиления мощности осуществляются: выбор выходных транзисторов исходя из условий обеспечения заданной мощности на нагрузке максимального выходного напряжения  , расчет цепей смещения, обеспечивающих заданный (выбранный) сквозной ток выходных транзисторов ; определяются параметры элементов цепей защиты усилителя мощности от перегрузки. Входное сопротивление  усилителя не должно быть меньше допустимого сопротивления нагрузки ОУ  .Требования, которым должны удовлетворять выходные транзисторы, определим на примере схемы рис. 4.1. Очевидно, что должны выполняться следующие условия:  ,  ,  (4.1)где  - максимальный ток, протекающий в коллекторной цепи транзистора;  - максимальное напряжение между коллектором и эмиттером;  - максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторе;  ,  ,  - допустимые соответствующих величин ( i = 1,2 ).Для рассматриваемой схемы с достаточной степенью точности можно считать, что  , (4.2) Мощность, рассеиваемая на коллекторах транзисторов, определяется следующим выражением:  (4.3)Приравнивая производную  к нулю, можно отыскать  , при котором мощность  достигает максимального значения: (4.4)Из выражения (4.4) следует, что  , и тогда Выражения (4.1) — (4.5) с достаточной для практических целей точностью можно использовать при выборе выходных транзисторов VT3, VT4усилителя мощности, приведенного на рис. 4.2. Расчет цепей смещения рассмотрим на примере усилителя рис. 4.2. Поскольку схема симметрична, рассмотрим только ее верхнюю половину. Статические характеристики биполярного транзистора в активной области описываются следующими приближенными уравнениями:  (4.6) где , - токи коллектора и базы соответственно.  - напряжение перехода база-эмиттер: - температурный потенциал, при нормальной температуре равный приблизительно 25 мВ;  - начальный ток; - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером.Аналогичную характеристику имеет диод. В выражениях (4.6) нужно заменить , , соответственно на ,  ,  (где - прямой ток, протекающий через диод; - падение напряжения на диоде).Таким образом, нахождение тока диода, обеспечивающего необходимое начальное смещение выходного транзистора, сводится к решению следующего уравнения:  (4.7)При известном значении сопротивления резистора R3 уравнение может быть решено графически, если известны соответствующие характеристики транзистора и диода, либо аналитически, если известны значения , .Зная значение тока , обеспечивающего необходимый сквозной ток выходного транзистора, нетрудно определить значение сопротивления резистораR1. Пренебрегая током базы VT3, находим  (4.8)Однако следует иметь в виду, что сопротивления резисторов R1и R2 (R1=R2) определяют в основном входное сопротивление усилителя мощности. Поскольку в большинстве практических случаев можно считать, что  , то сопротивление резистора R1должно удовлетворять следующему условию: (4.9)С другой стороны, сопротивление резистора R1не может быть слишком большим, так как при  через него течет максимальный базовый ток транзистора VT3. Поэтому (4.10)Сопротивление резистора R3выбирается исходя из условия ограничения коллекторных токов в режиме перегрузки. Считая, что транзистор VT1(аналогично VT2) открывается при напряжении  (для кремниевых транзисторов) значение сопротивления резистора R3(R.4) определяется следующим выражением: (4.11)Более точно значения сопротивлений резисторов R3и R4могут быть определены, если известны входные характеристики транзисторов VT1, VT2. Цепь защиты выходных транзисторов, использованная в схеме, представленной на рис. 4.2, обладает следующим недостатком: она может использоваться только в том случае если ОУ имеет собственную защиту от перегрузи по выходу. Действительно, если при выходном напряжении, равном, например, +10 В, произойдет короткое замыкание нагрузки, то схема зашиты выходных транзисторов сработает и ограничит коллекторный ток VT1. Однако при этом по цепи: выход ОУ, диод VД2, прямо смещенный переход коллектор — база VT2, R4может протекать ток значительной величины, так как сопротивление указанной цепи относительно мало. Для исключения этого тока можно последовательно с коллектором VT2включить диод (аналогично диод включается и в коллекторную цепь VT1). Содержание занятия Изучить статические и динамические свойства усилителя мощности, предназначенного для увеличения выходного тока (выходной мощности) интегрального ОУ. Определить параметры элементов схемы для заданного сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки усилителя может принимать следующие значения: 1; 0,8; 0,6; 0,5, 0,4 кОм. Значения токов , принять равным 0,5 Ма.Используя выражения (4.1) — (4.10), параметры выходных транзисторов определить возможность работы усилителя мощности на заданное сопротивление нагрузки при заданном значении (см. ниже):
Построить графики зависимости коллекторных токов Ik, напряжений Uкэ и мощности Pk транзисторов VT1, VT2 (схема Рис 4.1) от выходного напряжения Uвых в пределах от -10В, до + 10В. Напряжения источников питания считать равным -15В. 3.5 Контрольные вопросы 1. В чем недостаток каскадов усиления мощности, работающих в режиме класса В? 2. Для чего предназначены диоды VД1, VД2 в схеме рис. 3.2? 3. Какие ограничения накладываются на значения сопротивлений резисторов R1 и R2? 4. С какой целью в схему усилителя мощности включены элементы VT1,VT2, R3 и R4 (см. рис 4.2)? 5. Можно ли схему защиты от перегрузки, использованную в усилителе мощности, приведенном на рис. 4.2, применить в усилителе, показанном на рис. 4.1? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
