Разработка усилителя

 

Согласно Рис.1.2., это  будут транзисторы VT4 ( КТ819Б ) и VT5 ( КТ818Б ).

 

Рассчитаем площадь  теплоотвода для транзистора VT4.

Общее тепловое сопротивление:

 

          

            

 

где Тс = (35 ¸ 40)  ⁰С –температура окружающей среды,

DТ = (5¸10) ⁰С  - температурный запас.

 

Общее тепловое сопротивление  складывается из составляющих :

R_Т = R_ТП–К + R_ТКТ + R_ТТС ,                                ( 3.2 )

где R_ТК-Т – тепловое сопротивление корпус транзистора - теплоотвод,

R_ТТС – тепловое сопротивления теплоотвод – окружающая среда,

R_ТПК - тепловое сопротивления коллекторный переход – корпус.

 

Выберем R_ТК-Т = 0,2 град/Вт.                                        

где - коэффициент, зависящий от условий теплообмена радиатора с окружающей средой.

Согласно формуле ( 3.2 ) определяем:

 

R_ТТ-С = R_Т - R_ТПК + R_ТКТ = 47.72 – 1,67 – 0,2 = 45.85 град/Вт.              

 

Но, тогда площадь теплоотвода  равна:   

 

,

 

Так как параметры VT4 и VT5 одинаковые, то площадь теплоотвода равна транзистора VT5 равна 21.81 см².

 

Суммарная площадь теплоотводов для двух транзисторов:

 

 см².

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.1. Зависимость Тпмакс(Т) оконечных транзисторов

 

 

 

 

 

4. Расчет элементов усилителя мощности

Резисторы, включенные параллельно  эмиттерным переходам предоконечных  транзисторов, предотвращают режим  обрыва базы  выходных транзисторов при запирании предоконечных  транзисторов и выбираются в пределах 100-500 Ом:

Выбираем R3=R4=510 Ом, МЛТ- 0.5 - 510 Ом ±5%.

Определяем входной  ток выходных транзисторов VT2-3:

(А)

Выбираем предоконечные  транзисторы по предельно-допустимым параметрам:

            (А)                               

                              Ukemax ³ 2Е=18.5 (В)                                                

(Вт)                     

Выбираем комплементарную  пару n-p-n и p-n-p  транзисторов , имеющих близкие параметры VT2:   КТ660А (n-p-n)  и VT3:   КТ639A  (p-n-p)

Uкэмакс2=45 В

Iкмакс2=0.8 А

Ркмакс2 =1 Вт

βмин2=100

Uотп2=0,5 В

 

 

 

 

 

 

 

Uкэмакс3=45 В

Iкмакс3=1,5 А

Ркмакс3 =1 Вт

Βмин3=100

Uотп3=0,5 В

 

 

 

 

 

 

 

 

После выбора предоконечных  транзисторов определяем входной ток  усилителя мощности:

Определяем   = 0.7 В

            (мA),              

 

Напряжение Uke транзистора VT1 устанавливают равным:

 

Uke1=Uсм = UБЭотп2 + UБЭотп4+ UБЭотп3 + UБЭотп5                                                                   

 

    Uke1=Ucm=0,5+0,5+0,5+0,5=2 (В) 

 

Транзистор VT1  включен по схеме с коллекторной стабилизацией – с отрицательной обратной связью по напряжению Uke. Напряжение на нем:

.

Определив требуемое  значение Uсм и задавшись R2=1кОм, рассчитываем R1. В качестве R1 выбираем подстроечные резисторы примерно удвоенного номинала, чтобы иметь возможность перекрыть погрешности расчетов, вызванные неопределенностью учитываемых характеристик транзисторов.

 

               (кОм)                          

 

Выбираем R2 - МЛТ резистор из ряда  Е24 :

МЛТ- 0.125 - 1 кОм ±5%.

 

Выбираем R1- подстроечный резистор из ряда Е24 [6]:

СП3 – 38а –  0.125 – 2,2 кОм

10%

Источники тока Io обеспечивают режим стабилизации Uсм и их величина должна быть: Io ³  I .

Выбор источника тока:

(мA)

Схема источника тока приведена на рисуноке 4.1. Ток Io – это ток коллектора VT1, включенного по схеме с фиксированным потенциалом базы (резисторы R1-R2), эмиттерной стабилизацией (R3) и термокомпенсацией (VD1). Потенциал базы UБ для сохранения активного режима транзистора должен удовлетворять условию:

 

              

        Uб ³  Uнm+0.5×Uсм.                                                    

        Uб ³  6.25+0.5×2=7.25 (В)      

                             

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.1 Схема источника  тока.

 

Заменяем диод VD1 на транзистор VT1` с такими же параметрами, как у транзистора VT1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.2 Схема источника тока с применением транзистора вместо диода.

 

Выбираем транзистор VT1 по предельным параметрам:

                            Ukemax >2×E = 18.5 (В)

                                      Ikmax > Io = 1(мА)

                           Рkmax> E×Io =9.25 =9.25(мВт)

         Выбираем  транзисторы: 

VT1: КТ373В (n-p-n)

VT6: КТ373В (n-p-n)

VT7: КТ373В (n-p-n)

VT8: КТ373В (n-p-n)

VT9: КТ373В (n-p-n)

 

 

Параметры выбранного транзистора:

Uкэмакс1=30 В

Iкмакс1=50 мА

Ркмакс1 =150 мВт

βмин1=100

 

 

 

 

 

 

 

Выбираем ток делителя:

                Idel = (5¸10)×Iob = (5¸10)×Io/b=

  (мА)                   

Определив требуемое  значение Iдел, рассчитываем резисторы:

 Выберем Uб=8 В.

(кОм)

(кОм)

(Ом)

Выбираем R5, R6, R7 - МЛТ резисторы из ряда Е24:

R6:  МЛТ- 0.125 – 110 кОм ±5%.

R5:  МЛТ- 0.125 – 1 кОм ±5%.

R7:  МЛТ- 0.125 - 560 Ом ±5%.

R8:  МЛТ- 0.125 – 110 кОм ±5%.

R9:  МЛТ- 0.125 – 1 кОм ±5%.

R10:  МЛТ- 0.125 - 560 Ом ±5%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Выбор ОУ для усилителя мощности, расчет элементов цепи ООС

 

Рис. 5.1 Усилитель мощности –  применена последовательная  ООС по напряжению

Определяем необходимые  параметры в операционном усилителе:

                                                    

 

                  (А)                                 

 

                       

              

 

 

         Выбираем  DA1:   КР1408Д1

         Параметры выбранного ОУ:

 

КР1408Д1

Iвых=10мА

Vuвых=2 В/мкс

Uсм=50 мВ

Uвых=20В

∆Iвх=0,2нА

f1=0,5MГц

Кu=70000

Iп=5мА

     Необходимое значение глубины обратной связи достигается применением операционных усилителей (ОУ) с большим коэффициентом усиления. Для сохранения значения глубины ООС на частотах десятки килогерц общее усиление замкнутого усилителя рекомендуется выбирать из условия

Кум = ±(1¸3).

Выберем Кум = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.  Расчет  предварительного усилителя

 

Предварительный усилитель  должен быть двухкаскадным, причем один из каскадов инвертирующий, а другой – неинвертирующий, в любой последовательности. Общее усиление распределяется примерно поровну между первым и вторым каскадами.

Общее усиление:

а) Подбор ОУ 

Рис.6.1.  Схема предусилителя

 

Выберем DA2 и DA3: КР1408Д1

Параметры выбранных  ОУ:

 

Iвых=10 мА

Vuвых=2 В/мкс

Uсм=50 мВ

Uвых=20 В

∆Iвх=0,2 нА

f1=0,5MГц

Кu=70000

Iп=5мА

 

 

 

б) Расчет элементов цепей ООС.

Тогда,

где Кпу – общий  коэффициент усиления предусилителя.

 

Распределим усиление между  каскадами предусилителя  примерно поровну.

 

Тогда К1пу=К2пу=64

 

Рассчитаем первый каскад предусилителя (инвертирующий):  Кпу1=64.

 

Резисторы определим  из условия:

                                                                                        

Выбираем: тогда (кОм)

R1:  МЛТ-0,25-10 кОм

5%.

  R2:  МЛТ-0,25-620 кОм

5%.

 

Коэффициент передачи цепи ОС:

                                                                               

 

На постоянном токе глубина  ОС:

                                  

На переменном токе из-за снижения Кu(f) уменьшается глубина обратной связи и изменяется усиление. Граничная частота ОУ:

                                        (Гц)   

Граничная частота замкнутого усилителя:

                                   (КГц)    

Максимальный коэффициент  усиления на верхней частоте:

                                        

Глубина ОС:

                                                           

Усиление:

                                                                                 

                                                                                                                                                

 

 

 

 

 

Рассчитаем  второй каскад предусилителя (неинвертирующий): Кпу2=64.

 

Резисторы определим  из условия:

                                                                                 

Выбираем: тогда

(кОм)        

                                         R3:  МЛТ-0,25-10кОм 5%.

                                         R4:  МЛТ-0,25-620кОм 5%.

Коэффициент передачи цепи ОС:

                                                                                            

На постоянном токе глубина  ОС:

                                  

На переменном токе из-за снижения Ku(f) уменьшается глубина обратной связи и изменяется усиление. Граничная частота ОУ.

                                         (Гц)       

Граничная частота замкнутого усилителя:

                                    (Гц)       

Максимальный коэффициент  усиления на верхней частоте:

                                        

Глубина ОС:

                                                           

Усиление:

                                                                                 

 

в) Расчет режима покоя предварительного усилителя с учетом напряжения смещения и входных токов ОУ.

 

Рассчитаем режим покоя  предусилителя: Uсм= 50 (мВ), а Iвх=0,2 (нА).

 

Для 1-го ПУ:

 

Остаточное напряжение, приведённое ко входу:

 

                     

 

 

 

Напряжение ошибки, приведённое  к выходу:           

 

                          (В)      

 

   

Для 2-го ПУ:

 

Остаточное напряжение, приведённое ко входу:

 

                     

Напряжение ошибки, приведённое  к выходу:           

 

                       (В)      

 

 

г) Расчет разделительных конденсаторов исходя из заданной нижней  частоты.

Для удаления постоянной составляющей ошибки на входе ОУ, ставим разделительные конденсаторы.

Производим расчет конденсаторов:

 

(мкФ)

 

(пФ)

 

С1:	К53-14-50В-10мкФ 10%.
С2:	К53-14-35В-39пФ 10%.