Проектирование усилителя низкой частоты

Электрический расчет усилителя ведется от выхода к входу. На рисунке 3 представлена упрощенная электрическая схема, на основе которой удобно выполнять первый этап электрического расчета усилителя по постоянному току.

Рисунок 3 – Упрощенная электрическая  схема усилителя

 

2.1 Расчет по постоянному току для упрощенного варианта схемы

а) Определение напряжения питания.

   (15)

Здесь запланировано внутреннее падение  напряжения в источнике питания  в размере 5% от (min E_п).

Тогда с учетом (15) получим:

Выбирается  =21 В.

б) Выбор транзисторов VT11, VT12, VT9, VT10 производится по четырем параметрам: max U_кэ; max I_{к.средн}.; max P_трз; f^*_верх, значения которых не должны превышать значений, приведенных в справочнике.

 

;

.

 

 

 

 

 

 

Для транзисторов VT11, VT12:

 

                 (16)

здесь М_в.3 – коэффициент частотных искажений для третьего каскада в абсолютных единицах. 

 

 

Для выбранных транзисторов составлена таблица 2 /2/.

Таблица 2 – Выбор транзистора VТ11, VТ12.

Для транзисторов VT9, VT10:                         (17)

Получается:

Для выбранных транзисторов составлена таблица 3 /2/.

 Таблица 3 – Выбор транзистора VТ9, VТ10.

в) Определение сопротивления резисторов R₁₁, R₁₂:

                                     (18)             

Выбор сопротивлений резисторов R₁₃, R₁₄, отложим до пункта выбора элементов динамической защиты.

Примечание: сопротивление резисторов R11,R12 может быть изменено при выполнении расчета для средних частот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) Выбор транзисторов VT5, VT6 производим с помощью следующих величин:

 

                            

здесь  M_в.2 – коэффициент частотных искажений для второго каскада (в абсолютных единицах);

           b^* - эскизное значение (b^* » 100).

Выбор транзистора VT5, VT6 оформим в виде таблицы 4.

Таблица 4 – Выбор транзистора  VT5, VT6

д) Определение сопротивления резистора R₈:

е) Определение электродвижущей  силы смещения (E_см.):

,

 здесь U_{бэ.пок.11}=0,4В; U_{бэ.пок.9}=0,65В если VT9,10 одиночный транзистор и U_{бэ.пок.9}=1,3В, если VT9,10 составные транзисторы.

ж) Определение сопротивления резистора R^*₁:

 

з) Выбор транзисторов VT1, VT2 производим с помощью следующих величин:

 

где М_в.1 - коэффициент частотных искажений для первого каскада (в абсолютных еденицах).

Выбор транзисторов VT1 и VT2 оформим в виде таблицы 5.

Таблица 5 – Выбор транзисторов VT1, VT2

и)Определение силы тока I_э.и.:

I_э.и. = 2Iк.пок.1 =

к) Определение сопротивления резистора R_доб:

R_доб = R_ос.1 – R_ист=1.3 кОм

На этом расчет упрощенной схемы  по постоянному току закончен.

2.2 Расчет параметров цепи динамической защиты выходного каскада от перегрузки по току

Сила тока в нагрузке при коротком замыкании:

;                                                                   (19)

 

При динамической защите сопротивление ограничивающего резистора

                                                               (20)

 

Сопротивления        (21)

 

                                                                          (22)

                                  

Проверим правильность расчета:

При коротком замыкании в нагрузке, сила тока в резисторе  :

;                                            (23)

Падение напряжение на резисторе  :

;                         (24)

  Напряжение на базо-эмиттерном переходе VT7:

 ;                          (25)

Получаем, что расчет динамической защиты произведен верно.

2.3 Расчет дополнительных элементов по постоянному току

а) Выбор транзисторов защиты VT7, VT8 производится с помощью следующих величин:

Выбор транзисторов VT7 и VT8 оформим в виде таблицы 6.

Таблица 6 – Выбор транзисторов VT7, VT8 

Наименование расчетного параметра	Значение Расчетного Параметра	Наименование справочного параметра	Значение справочного параметра	Наименование выбранного транзистора	Парамет ры
					b	Cк, пФ
max Uкэ, В	1,342	Uкэ.доп, В	25	2N5320 (n-p-n) BD244A (p-n-p),	40	60
max Iк, А	0,864	Iк.доп, А	1
max Pтр, Вт	1,159	Pтр.доп, Вт	25

 

б) Выбор диодов VD1…VD5:

Диоды VD1…VD3 предназначены для формирования ЭДС смещения.

Требуемое напряжение смещения можно  получить либо с помощью кремниевых  диодов, либо  светодиодов или  стабилитронов.

Выбор диодов VD1… VD3 следует производить  по силе тока, т.е. Iдоп. должен быть не менее Iк.п.5(7мА). Выбираются диоды 1N3611 I_доп=750 мА.

Выбор диодов VD4,5 производим по силе тока, которая не превышает maxI_к.кз.7.  Выбираются те же диоды 1N3611 (I_п.max.=1A).

 

в) Выбор элементов  источника тока на основе транзистора VT6:

В качестве транзистора VT6 выбираем комплементарный с VT5.

             (26)

г) Выбор элементов источника тока в эмиттерной цепи дифференциального каскада:

Для обеспечения глубокой ООС типа Z необходимо обеспечить

        (27)

Затем выбираем транзисторы VT3 и VT4, для чего определяем следующие  величины:

Выбор транзисторов VT3 и VT4  оформим в виде таблицы 7.

Таблица 7 – Выбор транзисторов VT3, VT4

Наименование расчетного параметра	Значение Расчетного Параметра	Наименование справочного параметра	Значение справочного параметра	Наименование выбранного транзистора	Парамет ры
					b	Cк, пФ
max Uкэ, В	5	Uкэ.доп, В	30	2N5192 n-p-n	100	7
max Iк, А	0,0035	Iк.доп, А	0,1
max Pтр, Вт	0,018	Pтр.доп, Вт	0,2

 

 

Далее определяем сопротивления  резисторов R₃ и R₄:

  (28)          

Определение сопротивления  резистора R₅:     

U_R5 » E_п – U_бэ.1 – maxU_кэ.3– I_э.и. ×R₂ = ;

 

2.4 Расчет для средних частот

а) Определение сопротивления  резистора R_ос.2:

 

 

 

 

 

 

 

б) Проверка значения коэффициента усиления первого каскада:

 

K^*₁ » K_{1.эскизн.}, значит можно перейти к рассмотрению второго каскада.

в) Проверка значения коэффициента усиления второго каскада.

 

 

K^*₂ < K_2.эскиз  Для увеличения K^*₂ уменьшим ток I_к.пок.9 и соответственно увеличим сопротивление резисторов R₁₁ и R₁₂.

После пересчета K^*₂ = 51,05, необходимое усиление выполняется.

г) Определение коэффициента полезного действия усилителя.

2.5 Расчет для нижних частот 

Емкость конденсатора С_ос.2 определяется по формуле /7/:

где М_н – заданные допустимые искажения на нижней частоте в абсолютных единицах.

2.6 Расчет для верхних частот.

 а) Определение постоянной времени входной цепи :

          (29)

б) определение постоянной времени межкаскадного соединения первого и второго каскадов:     

     (30)

в) Определение постоянной времени межкаскадного соединения второго и третьего каскадов :

               (31)

Так как для УНЧ емкость нагрузки не задана, то постоянную времени выходной цепи определять не следует.

г) Определение частот среза (по уровню –3дб), соответствующих постоянным времени межкаскадных соединений (без ООС).

Значения частот следует определять по формуле:

 

Результаты вычислений постоянных времени и соответствующих частот среза записать в таблицу 8.

      

                       Таблица 8 – Постоянные времени и частоты среза.

Каскады	Вх. цепь	1й-2й каскады	2й-3й каскады
	0,518	0,926	2,357
f, кГц	306,8	171,8	67,51

 

Асимптотический график АЧХ  и расчетная  АЧХ приведены на рисунке  4.

     

 Гц;

 Гц.

f^#=0,355 МГц;

;

 >

Значит, следует ввести в схему  усилителя конденсатор С_ос.1 , значение емкости которого необходимо рассчитать по формуле:

    (32)                            

Рисунок 4 – Асимптотическая  и  расчетная  ЛАЧХ

На этом электрический расчет закончен. Его результаты представлены в таблице 8.

 

Таблица 9 – Результаты электрического расчета.

 

Обозначение элемента на схеме	Тип или номинал
VT1,VT2, VT3,VT4 VT5  VT6 VT7  VT8 VT11 VT12 VT9 VT10	2N4123 2N5192 BC557A 2N4123 2N5320 BD244A TIP29 TIP30 Q2N4141 Q2N4143
VD1…VD5 VD4…VD5	1N3611 1N3611
R1, R2 R8,R10 R3 R4 R5 R6 R11,R12 R13,R14 R15,R17 R16,R18 R7	454 Ом, 0,125Вт 90 Ом, 0,125Вт 22 Ом, 0,125Вт 1,9 кОм, 0,125Вт 128 Ом, 0,125Вт 2,2 кОм, 0,125Вт 11 кОм, 0,125Вт 572 Ом, 0,125Вт 0,2 Ом, 0,5 Вт 238 Ом, 3 Вт 6 Ом, 0,125Вт 454 Ом, 0,125Вт  2кОм, 0,125Вт 71 Ом, 0,125Вт
Coc.1 Coc.2	5,3 нФ 0,6 мкФ

 

Предварительный выбор параметров схемы закончен.

 

 

 

 

 

 

 

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАСТРОЙКИ УСИЛИТЕЛЯ  НА ЭВМ

На рисунке 5 представлена электрическая схема исследуемого усилителя выполненная в среде OrCAD 9.2 /4/.

Рисунок 5 –Электрическая схема усилителя для настройки на ЭВМ