Проектирование и расчет усилителей
 Скачать 1.89 Mb.
|
 Рисунок 4.1 - Обозначение ОУ. [11] 4.2 Параметры ОУ К основным параметрам ОУ относятся: коэффициент усиления, входное сопротивление, мощность, коэффициент ослабления синфазного сигнала, скорость нарастания выходного напряжения, частота единичного усиления, частота среза, время установления выходного напряжения. Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 103…107) и определяется при холостом ходе на выходе: К=  (4.1)Входное сопротивление Rвх (сопротивление между входными выводами) равно отношению приращения входного напряжения к приращению входного тока на заданной частоте сигнала. Оно определяется для области низких частот. Потребляемый от источника питания ток или потребляемая мощность – мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, вызывающему такое же значение выходного напряжения. Коэффициент ослабления показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного входного сигнала, и составляет 60…120 дБ: Косс =  (4.2)Скорость нарастания выходного напряжения Vmax определяется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения ОУ при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой, равной максимальному значению входного напряжения. Частота единичного усиления f1 – это частота входного сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ равен 1. Частота среза ОУ f – частота, на которой коэффициент усиления снижается в  раз. Она оценивает полосу пропускания ОУ.Время установления выходного напряжения tуст - время, необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим [12]. 4.3 Характеристики ОУ 4.3.1 Амплитудные характеристики Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (рисунок 4.2). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.  Рисунок 4.2 - Амплитудные характеристики ОУ. Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +Uвых (max), -Uвых (max). Эти напряжения близки к напряжению источников питания. Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления.Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ: Kuоу = Uвых / Uвх. Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами,которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи. Амплитудные характеристики, представленные на рисунке 4.2, проходят через нуль. Состояние, когда Uвых = 0 при Uвх = 0,называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При Uвх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (Uвых = +  Uвых или Uвых = - Uвых).4.3.2 Дрейфовые характеристики На рисунке 4.3 показан вид передаточной характеристики реального ОУ.  Рисунок 4.3 - Вид передаточной характеристики реального ОУ. Напряжение Uсмо, при котором Uвых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения Uсмо и Uвых связаны соотношением Uсмо = Uвых / Кuоу. Основной причиной разбаланса ОУ является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения. Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала показана на рисунке 4.4, из которого видно, что при достаточно больших значениях Uсф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала Ксф резко возрастает.  Рисунок 4.4 - Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала. 4.3.3 Входные характеристики Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада. 4.3.4 Выходные характеристики Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Энергетические характеристики Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью. Частотные характеристики Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) без ОС. Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб.  Рисунок 4.5 - Амплитудно-частотная характеристика 4.3.5 Скоростные характеристики Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рисунок 4.6).  Рисунок 4.6 - Реакция ОУ на воздействие скачка напряжения на входе. Скорость нарастания выходного напряжения Uвых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1Uвых до 0,9Uвых. Время установления выходного напряжения tуст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное [13].РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ Исходные данные: - напряжение источника питания: Ек = 27 В; - выходное напряжение U = 8 В; - мощность нагрузки Рн = 25 мВт; - тип транзистора: n-p- n; - Rэ = 0,1 Rк; - Iдел = 5 Iбп.  Рис. 5.1 – Схема усилительного каскада. 5.1 Параметры нагрузки Сопротивление нагрузки: Rн =  =  = 1,28 кОм.Амплитуда тока нагрузки: Iвыхm =  =  = 6,2 мА.5.2 Выбор точки покоя Iкп ≥ Iвых m; Uкэп ≥ Uвых m + Δ U; Δ U = 1…1,5В = 1,3 В; Iкп ≥ 6,2 мА, Uкэп ≥ 9,3 В. Принимаем Iкп = 13,3 мА, Uкэп = 10,4 В. 5.3 Выбор транзистора Uкэ доп ≥ Ек = 27 В; I к доп ≥ Iкп + Iвых = 13,3 + 6,2 = 19,5 мА; Рк доп ≥ Iкп ∙ Uкэп = 13,3 ∙ 10,4 = 138,32 мВт. Выбираем транзистор КТ315В, у которого: Uкэ доп = 40 В; I к доп = 100 мА; Рк доп = 150 мВт; h11 = 0,14 кОм; h21= 50; h22 = 0,3 мкСм [14]. Рекомендуемое напряжение база-эмиттер в режиме покоя Uбэп = 1,0 В. 5.4 Статический режим  Рис. 5.4.1 – Расчетная схема. Rэ = 0,1 Rк; Rк =  =  =  = 1,135 кОм;Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rк = 1,14 кОм [15]. Rэ = 0,1 ∙ 1,14 = 0,114 кОм; Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rэ = 0,114 кОм [15]. Iдел = 5 Iбп; Iбп =  =  = 0,266 мА;Iдел = I1 = 1,33 мА. Для контура R2 – база – эмиттер - Rэ уравнение по второму закону Кирхгофа: - R2I1 + Uбэп + Iкп Rэ = 0; R2 =  =  = 1,89 кОм.Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: R2 = 1,89 кОм [15]. Второе уравнение для контура Ек – R1 - R2: Ек = (I1 + Iбп) ∙ R1 + R2I1; R1 =  =  =  = 15,34 кОм.Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: R1 = 15,4 кОм [15]. 5.5 Динамический режим  Рис. 5.5.1 – Расчетная схема замещения каскада с учетом h-параметров транзистора. В динамическом режиме Ек закорочен, а сопротивлением конденсаторов можно пренебречь, так как их емкость выбирается из условия, чтобы на минимальной рабочей частоте реактивное сопротивление конденсаторов было на порядок меньше сопротивлений резисторов схемы. Сопротивление конденсаторов: Xc =  ,где ω = 2πf, где f = 30 Гц. Xc1 ‹‹ R2; Xc1 = 189 Ом =   → С =  =  = 28 мкФ;Xc2 ‹‹ Rк; Xc2 = 113 Ом = → С =  =  = 46,9 мкФ;Xcэ ‹‹ Rэ; Xcэ = 114 Ом = → С =  =  = 46,5мкФ.Rб =  =  =  = 1,68 кОм.Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rб = 1,69 кОм [15]. Входное сопротивление каскада: Rвх =  =  =  = 0,129 кОм.Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rвх = 0,129 кОм [15]. Выходное сопротивление: Rвых =  ≈ Rк = 1,14 кОм (h22 = 3∙10-6 См);Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rвых = 1,14 кОм [15]. Масимальная амплитуда выходного напряжения при Ikm = Iкп: Uвых m =   = 13,3 ∙  = 13,3 ∙  = 8,0196 В;Uвых m > Uвых → сигнал искажаться не будет. Коэффициенты усиления: Кu =  ∙ =  =  = 215,348;Кi = h21 ∙  = 50 ∙  = 50 ∙ 0,4711 = 23,555;Кр = Кu ∙ Кi = 215,348 ∙ 23,555 = 5072,522; Потребляемая мощность: Р1 = ∙ Uкэп = 13,3 ∙ 10,4 = 138,32 мВт.КПД при Р2 = Рн = 25 мВт: η =  =  = 0,1807.5.6 Амплитудная характеристика Uвх m = f(Uвх m) Uвых m = Ku ∙ Uвх m = 216,138 ∙ Uвх m. Это линейное уравнение справедливо до Uвых m = 8,0196. Дальнейший рост напряжения ограничивается тем, что транзистор закрывается. Следовательно, амплитудную характеристику можно построить по двум точкам: первая точка: Uвх m = 0, Uвх m = 0; вторая точка: Uвых m = 8,0196, Uвх m =  =  = 37,24 мВ. Рис. 5.6.1 – Амплитудная характеристика Uвх m = f(Uвх m). 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ Исходные данные: - тип ОУ: К544УД1; - требуемый коэффициент усиления: 200; - минимальное входное напряжение: U = 4 мВ; - тип усилителя: неинвертирующий. Проектирование осуществляется на основе усилителя К544УД1Б с параметрами: Iвх = 0,15 нА [13]; Еп = ± 15 В [15]; Uвых m = ± 11 В; |