Материал: Расчет электронного усилителя мощности низких частот. методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Электроника и схемотехника». Москалева Е.А
На этапе разработки структурной схемы ориентировочное число каскадов может быть выбрано из соображений реализуемости на практике коэффициента усиления по напряжению отдельного каскада УНЧ. При этом исходят из предпосылки, что выходной каскад УНЧ, выполненный по схеме двухтактного общего коллектора, имеет коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице. Поэтому общий коэффициент усиления всего УНЧ по напряжению формируется только каскадами предварительного усиления. Хотя теоретически реализуемый коэффициент усиления по напряжению отдельного усилительного каскада может достигать величины 3000…7500 раз для транзисторов n-p-n типа и 1500…5500 раз для транзисторов p-n-p типа, типичное значение коэффициентов усиления (без использования набора схемотехнических приемов, повышающих значения коэффициентов усиления каскада) обычно не превышает 50…100 раз. В большинстве случаев для реализации ТЗ этого значения может оказаться недостаточно.
Коэффициент усиления УНЧ по напряжению определяется не только уровнем выходной мощности и уровнем напряжения источника входного сигнала, но и способностью УНЧ обеспечить заданный коэффициент частотных искажений при максимальной выходной мощности.
После расчета всех каскадов и достижения минимально необходимого коэффициента усиления разрабатываемого УНЧ следует составить полную принципиальную схему усилителя, в которую необходимо добавить цепи общей обратной отрицательной связи (ООС) [5,17-19] и элементы, ответственные за режим работы всего усилителя по постоянному току. Руководствоваться при этом необходимо принципами работы с операционными усилителями (ОУ) [4-7,14], упрощенно считая, что разработанная в КП принципиальная схема усилителя есть внутренняя схема некоторого специфического ОУ (рис. 14), у которого достигнуты признаки идеального ОУ: достаточно малый входной ток (у идеального ОУ он равен нулю), малое выходное сопротивление (у идеального ОУ оно равно нулю) и разница потенциалов между инвертирующим и неинвертиру-
19
ющим входами при замкнутой ООС равна нулю [10,14]. Для того чтобы правильно замкнуть обратную связь в разработанной принципиальной схеме следует определить тип входа (инвертирующий или неинвертирующий). Надо учитывать и тот фактор, что входное сопротивление усилителя с введенной общей ООС зависит от варианта включения усилителя (в инвертирующем включении оно значительно меньше).
Инвертирую |
Двухтактный |
щий каскад |
усилительный |
на ОУ |
каскад |
Рис. 14. Пример структурной схемы УНЧ с ОУ
Резисторы цепи общей ООС определяют не только коэффициент усиления схемы после введения обратной связи, но и режим работы всего в целом усилителя по постоянному току. Так как через резисторы ООС протекает определенный базовый ток транзисторов входного дифференциального каскада (в этом и состоит отличие реального ОУ от идеального), то на них появляется падение напряжения, величина которого может превысить некоторый предел, вследствие чего на выходе усилителя появляется дисбаланс напряжения (при правильно спроектированной схеме на выходе усилителя должен быть потенциал, равный «земляному» в схемах с двуполярным питанием, или точно соответствующий половине питания в схемах с однополярным питанием). Поэтому сопротивления цепи ООС стараются сделать минимальными, что в некоторых случаях может привести к нежелательному эффекту – уменьшению входного сопротивления усилителя. Компромиссом является выбор падения напряжения на резисторах под действием базового тока – не более 0,1 В.
После рассмотрения вариантов структурной схемы можно приступать к уточненному расчету усилителя.
20
Первым этапом уточненного расчета является выбор схемы оконечного каскада, критическими факторами для выбора схемы являются: выходная мощность PВЫХ , сопротивле-
ние нагрузки RН , напряжение питания U П .
Начинать выбор схемы оконечного каскада следует с наиболее простой, но при необходимости не следует бояться идти на ее усложнение.
Выбор типа выходного каскада должен происходить одновременно с выбором конкретного типа транзисторов оконечного каскада. Критичными факторами выбора транзисторов являются предельно допустимая мощность рассеяния на коллекторе транзистора, предельно допустимый ток коллектора, предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер, частотный диапазон [10-12,15,16]. По каждому из предельно допустимых параметров необходимо иметь запас. В случаях, когда это возможно, например, перечень пригодных для использования транзисторов достаточно велик, запас может составлять сто и более процентов, когда нет – не менее (10…20) %. Немаловажным фактором является величина коэффициента усиления по току транзистора. При величине коллекторного тока, равного амплитудному значению тока в нагрузке (а это, как правило, значительная величина для тока коллектора), значение коэффициента усиления по току резко падает, поэтому при относительно сравнимых параметрах рассматриваемых вариантов транзисторов следует выбирать транзисторы с большим значением коэффициента усиления по току.
Кроме того, нельзя забывать, что в двухтактном каскаде должны работать комплементарные пары транзисторов. Чаще всего эти пары известны, например отечественные КТ814 и КТ815, хотя в справочниках [15,16] комплементарность транзисторов неотражена. Если оба транзистора в двухтактном каскаде идентичны, то передаточная характеристика каскада для положительной и отрицательной полуволны синусоиды входного напряжения будет симметричной. Строгой идентичности передаточных характеристик у обоих плеч двухтактного каскада добиться невозможно, так как свойства p-n-p и n-p-n
21
транзисторов не совпадают, поэтому некоторая асимметрия суммарной характеристики будет наблюдаться и полного подавления четных гармоник не произойдет.
Одновременно при рассмотрении варианта схемы выходного каскада следует обращать внимание на способ (а также схему) формирования (стабилизации) рабочей точки транзисторов оконечного каскада. В выполняемом курсовом проекте схема УНЧ должна обеспечивать режим работы транзисторов в классе АВ или В.
Взавершение расчетной части КП после расчета и составления полной принципиальной схемы усилителя необходимо провести проверку полученных параметров разработанного устройства на предмет выполнения требований ТЗ. Конечно, лучший способ проверки – собрать практически макет устройства и исследовать его параметры с помощью приборов. Однако современные средства схемотехнического моделирования на ЭВМ позволяют проектировать, анализировать и корректировать схемотехнику разработанного усилителя без производства опытного образца. На сегодняшний день существует множество программ, позволяющих осуществить моделирова-
ние: MicroCap, Alpac, CircuitMaker, Electronics Workbench, OrCAD и другие.
2.3.Расчет усилителя
Вкурсовом проектировании для моделирования УНЧ рекомендуется использовать редактор Electronics Workbench.
Electronics Workbench – отличается от других программ схемотехнического моделирования пользовательским интерфейсом. Источники входных сигналов и измерительные приборы изображаются на экране дисплея с максимальным приближением к реальности. Пользователь освобождается от составления заданий на моделирование. В рабочем окне размещаются генераторы сигналов и двухканальный осциллограф, подсоединяемые к необходимым узлам моделируемой электронной схемы – и программа анализирует переходные про-
22
цессы. Если же к схеме подключать анализатор частотных характеристик, то будут рассчитан режим по постоянному току, выполнена линеаризация нелинейных компонентов в рабочей точке и проведен расчет характеристик схемы в частотной области. Диапазон анализируемых частот, коэффициент усиления и характер развертки по оси частот (в линейном или логарифмическом масштабе) устанавливаются с помощью органов управления на лицевой панели приборов посредством манипулятора мышь. Для выполнения моделирования достаточно щелкнуть выключателем. После этого на индикаторах цифровых вольтметров и амперметров будет зафиксирован режим по постоянному току, на экране измерителя отображены частотные характеристики, а на экране осциллографа будут непрерывно изображаться эпюры напряжений до тех пор, пока не будет заполнена буферная память. Моделирование можно прекратить или продолжить, обнулив буферную память.
Исходя из режимов работы выходного каскада все усилители условно разделены на несколько классов: класс А, класс В, «смешанный» класс АВ, класс C, класс D..
Усилитель класса А. Работает в линейном режиме: оба транзистора работают в одинаковых режимах. Это обеспечивает минимум искажений, но вследствие этого – низкий КПД (15-30%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева. Потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности.
Усилитель класса В. К этому классу в основном относятся усилители с выходными транзисторами одинаковой проводимости. Каждый из транзисторов работает в ключевом режиме, т.е. усиливает только свою полуволну сигнала в линейном режиме (например, положительную, если применены транзисторы с n-p-n проводимостью). Для того чтобы усиливалась и отрицательная полуволна сигнала применяется фазоинветор еще на одном транзисторе. Это похоже на два отдельных класса А (для каждой полуволны свой). У усилителя такого класса высокий КПД (порядка 70%). Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, при отсут-
23