Каскади попереднього посилення

Основними вимогами, пропонованими до каскадів попереднього посилення (рис.6), є: забезпечення посилення вхідного сигналу по напрузі при мінімальних спотвореннях, а також формування амплітудно–частотної характеристики підсилювача (АЧХ).

Як каскади попереднього посилення, використовуються каскади з загальним емітером (ЗЕ) або загальним витоком (ЗВ). Перед–повагу варто віддавати біполярним транзисторам, як більш надійним і дешевим.

Розрахунок кількості каскадів попереднього посилення варто робити, орієнтуючись на гірший випадок. Це означає, що при розрахунку приймають найменший коефіцієнт підсилення по напрузі, забезпечуваний схемою ЗЕ: Кu mіn = 10. Приймаючи R_вх. усього підсилювача, рівним внутрішньому опорові джерела сигналу, розраховують кількість каскадів попереднього підсилювача по формулі (2)

(2)

де n – кількість каскадів попереднього посилення;

Uвих – напруга на виході попереднього підсилювача, В;

Ег – е.д.с. джерела сигналу, В.

Вихідну напругу попереднього підсилювача Uвих вибирайте в межах 2...3 В. Це дозволить використовувати стандартну напругу живлення ±12 В.

Отриману по формулі (2) кількість каскадів округляють до найближчого цілого непарного числа (у велику сторону).

Далі розрахунок ведіть у наступній послідовності.

5.4 Розрахунок каскадів попереднього посилення і

вхідного каскаду

Перед розрахунком каскадів попереднього посилення рекомендується вибрати тип операційних підсилювачів, що будуть застосовуватися в схемі модулятора. Вибір ведеться по таким параметрам, як:

Uвих m – вихідна напруга, позитивні і негативні напівхвилі повинні бути рівними;

Uвх m – вхідна напруга, повинна бути 5, або більше 5В;

Uж – напруга живлення, повинна бути біполярна і більш ніж 6В;

І вих m – максимальний струм виходу, повинний бути більше 3мА;

Rвих mіn – мінімальний опір навантаження, указується якщо немає І вих m;

І вих m, і повинен бути менш ніж 4Ком;

Rвх – вхідний опір, повинен бути більш ніж 100Ком;

f₁ – частота одиничного посилення, повинна бути багато більше чим 10 fв.

Операційний підсилювач можна вибрати з таблиці 2.

Таблиця 2 – Типи операційних підсилювачів

Тип ОП	К140УД6А	К140УД7А	К140УД8Б	К140УД11	К140УД12	К140УД17
Uж, В	± 15	± 15	± 15	± 15	± 3	± 15
Uвихm, В	± 12	± 10.5	± 10	± 12	± 2	± 10
Iвихm, мА (Rнmin, КОм)	(1000)	(2000)	(2000)
КU × 10^3
Uвх m, В	±10	±5	±10	±5	±2	±5
Rвх, КОм
f1, МГц		0.8
Pс, мВт					0,12
Uж, В	± 15	± 15	± 15	± 15	± 15	± 15
Uвихm, В	± 12	± 12	± 10	± 10	± 10	± 10
Iвихm, мА (Rнmin, КОм)			(2000)	(2000)	(2000)	(2000)
КU × 10^3
Uвх m, В	±5	±5	±10	±10	±5	±5
Rвх, КОм			10×10^6	1×10^5	25×10^3
f1, МГц
Pп, мВт

Вибравши тип операційного підсилювача, можна задатися значенням перемінного резистора (див. рис. 6) з умови:

(3)

де – вхідний опір операційного підсилювача.

Після вибору, задамося значенням резистора R3 з умови:

(4)

Визначимо струми навантаження оконечного каскаду КПП (І_Rvar), струм колектора спокою і струм колектора максимум оконечного каскаду КПП (Ік.сп VT3, Ік.max VT3) по формулах:

(5)

де – вихідна напруга каскадів попереднього підсилювача, В.

(6)

де – напруга живлення каскадів попереднього посилення, В.

(7)

Рисунок 7 – Фрагмент схеми підсилювача

Після розрахунку виберіть відповідний транзистор, з умови:

(8)

Визначите амплітуду струму бази транзистора оконечного каскаду по формулі:

, А (9)

де Інm – амплітуда струму навантаження;

h21еn – коефіцієнт передачі по струму транзистора.

Визначите струм колектора в режимі спокою попереднього каскаду по формулі

, А (10)

де – струм колектора транзистора попереднього каскаду, що відповідає максимумові коефіцієнта передачі по струму h21е. Визначається з довідника по залежності (див. рис. 8) h21еn = f(І_К).

Попередньо можна приймати: для транзисторів середньої потужності = 10...50 мА; для транзисторів малої потужності

= 1...10 мА; для мікро потужних транзисторів = 0.05...1 мА.

Після розрахунку виберіть з довідника відповідний транзистор (з умови (8)). Підставивши у формулу (10) точне значення , перерахуйте .

Далі розрахуйте каскади попереднього посилення від останнього до першого, а також вхідний каскад. Для розрахунків використовуйте формули (5) – (7), (9) – (13).

Резистор, встановлений паралельно переходові база – емітер транзисторів каскадів попереднього посилення розрахуйте по формулі:

(11)

Крім того, опір цього резистора повинний задовольняти умові:

(12)

Примітка: після розрахунку резистора і вибору його номіналу з стандартного ряду (Додаток 1) розрахуйте потужність, що розсіюється на ньому, по формулі

, Вт (13)

де – струм, що протікає через резистор у режимі спокою, А.

Для диференціального каскаду (див. рисунок 5) резистор R1 попередньо приймають рівним – 10Rг. Резистор R3 можна розрахувати по формулі:

(14)

Транзистори VT1 і VT2 диференціальні каскади приймають – однаковими.

5.5 Розрахунок динамічних показників підсилювача без

зворотніх зв'язків

Вхідний опір підсилювача дорівнює вхідному опорові вхідного каскаду:

. (15)

Для диференціального каскаду, уточнене значення вхідного опору можна розрахувати по формулі:

(16)

де Rвх дк – вхідний опір диференціального каскаду, Ом;

Rвх _VT1– вхідний опір транзистора диференціального каскаду, Ом.

Коефіцієнт підсилення по струму визначите по формулі:

, (17)

де k – загальне число каскадів посилення;

m – число вузлів схеми, у яких розгалужується струм;

j – коефіцієнти розподілу струму у вузлах схеми.

Загальне число каскадів посилення визначите по формулі:

k = n + 1. (18)

Коефіцієнти визначите по формулі

, (19)

де – опір резистора в колекторному колі (j – 1)- го каскаду;

h11_Еj – вхідний опір транзистора j–го каскаду.

Зробивши розрахунок K_І по формулі (17), визначте коефіцієнт підсилення по напрузі підсилювача, не охопленого негативним зворотним зв'язком по формулі:

.

(20)

5.6 Розрахунок кіл зворотнього зв'язку

Для стабілізації режиму по постійному струму, завдання необхідного коефіцієнта підсилення, а також зниження коефіцієнта нелінійних спотворювань, варто ввести коло негативного зворотнього зв'язку (НЗЗ) по постійному та перемінному струму. Як приклад на рис.9 приведена схема кола, що здійснює НЗЗ по постійному і

перемінному струму.

Коло містить резистори Rзз1 і Rзз2, що спільно з резистором R (у якості якого виступає, як правило, вхідний опір підсилювача) утворюють коло НЗЗ по постійному струму. Резистори Rзз1 і Rзз3, а також конденсатор Сзз реалізують НЗЗ по перемінному струму. При використанні у якості вхідного каскаду – диференціального підсилювача, резистора Rзз2 може не існувати (реалізація послідовного зворотнього зв'язку). Для такої схеми:

; (21)

; (22)

де – коефіцієнти передачі кола НЗЗ по постійному і перемінному струму, відповідно.

Для температурної стабілізації режиму спокою в попередній підсилювач, побудований за схемою ПГЗ, вводять загальний зворотній зв'язок по постійному струму. Коефіцієнт зворотнього зв'язку розраховується в такий спосіб. Приймаючи температуру навколишнього середовища Та = 20⁰С, знаходять максимальні відхилення

температури.

DT_max1 = Тa – Тa_mіn; DT_max2 = Ta_max – Ta (23)

Приймають у якості DТ_max більше з отриманих значень. Для транзистора вхідного каскаду по його вхідній характеристиці визначають DU_бе1 (от DT_max). Якщо вхідної характеристики в довіднику немає, то величину DU_бе1 (от DT_max) можна орієнтовно визначити по формулі:

, В (24)

Задавшись максимальним відхиленням напруги колектора останнього каскаду (у режимі спокою) DU_КЕ.СПmax(DT_max) рівним (0.05– 0.1)В, розраховують необхідний коефіцієнт зворотного зв'язку по постійному струму:

(25)

З іншого боку, ⁼ залежить від опору резисторів у колі НЗЗ (див. формулу(21)). Необхідне значення Rзз = Rзз1 + Rзз2 визначають з (21) та (25). Потім приймають Rзз1=0.1Rзз і Rзз2 = 0.9Rзз (при використанні як вхідний каскад диференціального підсилювача, розбивка не проводиться), розраховують ці опори та вибирають резистори із стандартного ряду.

Якщо вхідний каскад – диференціальний, резистор R1 (див.рис.5), приймають рівним Rзз і уточнюють значення вхідного опору підсилювача по формулі (16).

Необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача розрахуйте по формулі:

(26)

де Rвх – уточнене значення вхідного опору підсилювача, Ом.

При розрахунку кількості каскадів попереднього підсилювача ми вважали, що коефіцієнт підсилення одиночного каскаду Ku=10 і вхідний опір підсилювача дорівнює внутрішньому опору джерела сигналу. Реальний коефіцієнт підсилення підсилювача, охопленого негативним зворотнім зв'язком по перемінному струму Kuзз, визначають по формулі (27):

(27)

де K_Uзз – коефіцієнт підсилення підсилювача із зворотнім зв'язком (необхідний);

K_U – теж, без зворотнього зв'язку (розрахований по формулі (20));

– коефіцієнт передачі вузла зворотного зв'язку по перемінному струму.

Визначивши із (27) необхідне значення , з формули (22) знаходять Rзз 3.

5.7 Способи формування АЧХ попереднього підсилювача

Сигнал, що надходить на вхід підсилювача потужності, повинний бути обмежений по спектру. Ця задача вирішується формуванням АЧХ попереднього підсилювача. Сформувати АЧХ підсилювача можна двома способами: установкою частотно–залежних кіл у прямому тракті посилення, або у колі НЗЗ.

Конденсатори, установлені на вході (С_ВХ див.рис.2 – 5) і виході (С_ВИХ – див. рис.7) ПНЧ, а також конденсатор C_ЗЗ2 (див.рис.9), включений послідовно з резистором R_ЗЗ3, визначають частотні спотворення в області низьких частот, а конденсатор C_ЗЗ1 – в області високих частот.

Для розрахунку ємності конденсаторів розподілите коефіцієнт лінійних спотворень

, (28)

де – відповідно коефіцієнти лінійних спотворень, внесених вхідним, вихідним конденсаторами, а також конденсатором C_ОС2 і C_ОС1 відповідно.

Наприклад, M_Н = 3дБ; M_{н вх} = M_{н вих} = 1.2дБ; M_{н зз} = 0.6дБ. Зважаючи нате, що

, (29)

Прийняті значення потрібно перерахувати по формулі

. (30)

Формули, по яких визначаються коефіцієнти M, мають вигляд

(31)

де постійні часу t розраховують по формулах:

(32)

Після розрахунку ємкостей конденсаторів виберіть стандартні конденсатори з довідника (див.Додаток1). При розрахунку враховуйте вплив НЗЗ (див.п.5.12).

5.8 Розрахунок основних параметрів несучого сигналу

Несучім – називається сигнал, за допомогою якого здійснюється модуляція корисного сигналу низької частоти. Звичайно, як несущий сигнал використовують напругу пилкоподібної форми. До його основних параметрів відносяться (рис.10):

Рисунок 10 – Тимчасові діаграми

– амплітуда U_нес.m;

– частота f_нес;

– коефіцієнт нахилу a.

Амплітуду U_нес.m вибирають рівної (1...2.5) амплітуди модулюючого сигналу U_мод.max. Співвідношення зазначених амплітуд називається коефіцієнтом модуляції, що звичайно лежить у межах (0.4...0.95).

(33)

Частота несущого сигналу f_нес. Повинна в 2...5 разів перевищувати найвищу частоту сигналу, що модулює, f_мод.max (звичайно в якості f_мод.max вибирають f_в підсилювача). Достатнім є вибір fнес. = (2...5)×f_мод.max.

Коефіцієнт нахилу a визначає нелінійні спотворення, внесені вихідним каскадом (ВК) у вихідний сигнал. Як правило, a = 0.1...0.5.

5.9 Вибір схеми модулятора і її розрахунок

На дійсний момент відомо багато варіантів схем модуляторів. Модулятори будують на базі генератора пилкоподібних імпульсів (ГПН) і автоколивовими. Як правило, як активні елементи використовують операційні підсилювачі (ОП). Модулятор на базі ГПН містить компаратор, генератор прямокутних імпульсів і інтегратор (рис.10). Як генератор прямокутних імпульсів використовують мультивібратор, що може бути зібраний на ОП, транзисторах або цифрових мікросхемах. Окрім показаних на рис.11 елементів, у схему також вводять коло балансування нуля ОП, а також стабілізації вихідних параметрів (амплітуди і частоти).

Одним з можливих варіантів побудови генератора пилкоподібної напруги є схема, зображена на рис.12.

Модуляція сигналу виробляється шляхом порівняння на компараторі (DA3) напруги вихідного сигналу, що модулює, (U_вихКПП) з несущим сигналом пилкоподібної форми.

Джерелом пилкоподібного сигналу служить генератор пилкоподібної напруги (ГПН) зібраний на DA2. Джерелом тактових імпульсів для роботи ГПН є несиметричний мультивібратор, зібраний на DA1.

Джерело Ео задає зсув рівня несущого сигналу, а Ез служить джерелом заряду конденсатора С2. Для забезпечення лінійності заряду конденсатора С2, замість джерела Ез можна застосувати джерело струму.

Автоколивний модулятор являє собою RC–генератор, у якого на сигнал зворотного зв'язку накладають модулюючий сигнал (рис.13).

Резистор R1 вибирають із співвідношення (3). Резистори і конденсатори кіл ЗЗ вибирають однаковими. При цьому частота генерації визначається по формулі:

, Гц. (34)

5.10 Узгодження модулятора і вихідного каскаду

Вихідний сигнал модулятора обмежений по потужності. Крім того, напруга живлення вихідного каскаду і модулятора, як правило, різні. Це викликає необхідність установки між виходом модулятора і входом підсилювача потужності спеціального вузла, що погодить.

Для забезпечення гальванічної розв'язки по живленню можна застосовувати імпульсний трансформатор (рис.14). Застосування імпульсного трансформатора забезпечує подачу на вхід керування вихідного каскаду як позитивної, так і негативної напруги. У загальному випадку, блок узгодження являє собою імпульсний підсилювач із двотактним виходом.

5.10.1 Розрахунок імпульсного трансформатора

Приймемо напругу живлення каскаду, що погодить, рівним напрузі живлення попереднього підсилювача, а амплітуду напруги на первинній обмотці погоджуючого трансформатора (ПТ) – = . Тоді коефіцієнт трансформації ПТ:

, (35)

де U_бенасVT – напруга насичення переходу база – емітер вихідного транзистора.

Для забезпечення гарного насичення транзистора приймемо, що при максимальній тривалості імпульсу

(36)

Струм намагнічування ПТ не перевищує 10% від амплітуди струму бази. З цих розумінь варто вибрати магнитопровод ПТ, геометричні параметри якого задовольняють умовам

(37)

де Sm – перетин магнето проводу, м²;

lm – середня довжина магнітної лінії, м;

І_бmVT – амплітуда струму бази силового транзистора, А;

U_бэнасVT – напруга насичення база – емітер силового транзистора, В;

DB – збільшення індукції в магнітопроводі ПТ за час імпульсу, Тл;

m – магнітна проникність матеріалу магнітопровода;

m₀ = 4p10^–7 – константа;

S1 – перетин проводу первинної обмотки, мм²;

Jдоп – припустима щільність струму в провіднику обмотки, А/мм².

Як матеріал магнитопровод вибирайте ферит. Для феритів DB = 0.25 – 0.35 Тл, m = 100 – 10000. Щільність струму виберіть рівної Jдоп = 3А/мм².

Вибравши магнитопровод, уточнюють кількість витків первинної обмотки по формулі:

(38)

Отримане в результаті розрахунку кількість витків варто округлити до найближчого найбільшого цілого, що задовольняє коефіцієнту трансформації, а потім визначити кількість витків і перетин проводу вторинної обмотки:

W2 = W1/Kтр, віт. (39)

. (40)

5.10.2 Розрахунок демпфіруючого кола

Кола, утворені діодами VD1, VD2 і резисторами R3, R6, забезпечують швидке розмагнічування трансформаторів TV1, TV2. Індуктивність первинної обмотки і резистор утворюють постійну часу котра повинна підкорятися умові:

(41)

де L – індуктивність первинної обмотки ПТ, Гн;

t_п.mіn – мінімальна тривалість паузи сигналу, с.

З вираження (42) можна визначити t_п.mіn:

(42)

Визначимо індуктивність первинної обмотки ПТ:

, (43)

де L_ТР – індуктивність первинної обмотки ПТ, мгн;

Sс – перетин магнитопровода, см²;

lср – середня довжина магнітної лінії, см.

Виходячи із (41) – (43) визначите значення резистора:

,Ом (44)

5.11 Розрахунок вихідного каскаду

Схема вихідного каскаду визначається режимом його роботи, а також іншими показниками (к.к.д., можливість схемотехничної реалізації та ін.). Приклади схем приведені в [5–8]. Там же розглянуті їхні переваги та недоліки, а також особливості розрахунку.

На рис.15 приведена одна з найбільш розповсюджених схем вихідного каскаду – напівмостова двотактна.

Вона містить два ідентичних плечі, кожне з яких містить транзистор, зворотній діод і джерело живлення. Навантаження (Rн) включено між загальною крапкою плечей та загальним проводом схеми через Г – образний LC – фільтр (L_фC_ф).

Коефіцієнт модуляції m визначається по формулі:

, (45)

де E – напруга живлення вихідного каскаду;

амплітуда напруги на навантаженні:

(46)

де Pн, Rн – відповідно потужність навантаження і його опір.

Амплітудне значення струму навантаження визначимо по формулі:

(47)

Амплітуда струму в індуктивності LC – фільтра вибирається на (20–30)% більше амплітуди струму навантаження, тобто

,А (48)

Індуктивність реактора фільтра вибирають із співвідношення

, Гн (49)

де f_нес – частота несущого сигналу.

Отримане після розрахунку по формулі (49) значення L округляють до найближчого цілого числа. Після цього перераховують коефіцієнт Kі по формулі:

. (50)

Ємність конденсатора фільтра обчислюють по формулі:

,Ф (51)

де K_f – коефіцієнт нелінійних спотворень.

Струм індуктивності фільтра поперемінно протікає через ключові елементи – транзистори і діоди. Отже, можна визначити амплітудні значення струму колектора вихідного транзистора й анодного струму діода як:

,А (52)

Далі роблять вибір транзисторів і діодів із співвідношень, що випливають

, , (53)

де Ікm.доп, Іаm.доп – припустимі (паспортні) значення струму колектора транзистора та струму анода діода відповідно, А;

Uке.доп, Uак.доп – припустимі (паспортні) значення напруги колектор – емітер транзистора і анод – катод діода, В;

t вим – час вимикання транзистора (діода), с;

k – коефіцієнт фронту імпульсу напруги, вибирається рівним 5 – 10.

Вибравши вихідні транзистори, визначаємо з їхніх довідкових даних коефіцієнт передачі по струму h21э (при струмі колектора, рівному Ікm) і обчислюємо амплітуду струму бази

, А (54)

Для обмеження спектра вихідного сигналу (фільтрації вищих гармонік) на виході підсилювача потужності встановлюють LC – фільтр. Частота зрізу фільтра w_зр. також впливає на коефіцієнт нелінійних спотворень. Для зручності частоту зрізу фільтра виражають у відносних одиницях:

(55)

Вибір величини коефіцієнтів m, q і a здійснюється комплексно на підставі необхідного значення коефіцієнта нелінійних спотворень K_f. У [8] проведений аналіз функції K_f = (m,q, a), у результаті якого були побудовані графіки (рис.16). При виборі параметрів несущого сигналу можна користуватися цими залежностями.

Рисунок 16 – Графіки залежності

5.12 Розрахунок динамічних і енергетичних показників

підсилювача з НЗЗ

Розрахунок проводиться з метою перевірки відповідності характеристик спроектованого підсилювача технічному завданню.

Тому що, всі показники і характеристики підсилювача з НЗЗ залежать від величини петльового коефіцієнту підсилення по перемінному струму, спочатку визначте його величину по формулі

, (56)

де K_U – коефіцієнт підсилення підсилювача без НЗЗ;

– коефіцієнт НЗЗ по перемінному струму.

Далі розрахуйте показники підсилювача з НЗЗ по приведеним нижче формулам.

Коефіцієнт нелінійних спотворень підсилювача охопленого негативним зворотним зв'язком:

, (57)

де K_f – коефіцієнт нелінійних спотворень підсилювача без НЗЗ.

Попередньо визначите K_f, як суму K_f усіх каскадів, використовуючи методики, приведені в Додатку2.

Вхідний опір підсилювача охопленого негативним зворотним зв'язком:

, (58)

для рівнобіжного НЗЗ;

, (59)

для послідовного НЗЗ.

Коефіцієнт лінійних спотворень

. (60)

ККД підсилювача розрахуйте по формулі:

, (61)

де η – К.П.Д. підсилювача, %;

Рн – потужність, що віддається підсилювачем у навантаження, Вт;

Рп – повна потужність, споживана підсилювачем, Вт.

Повна споживана підсилювачем потужність складається з потужності, що віддається в навантаження, і сумарної потужності втрат.

(62)

де – сумарна потужність втрат усього підсилювача, Вт.

У свою чергу складається зі статичних і динамічних втрат.

(63)

Статичні і динамічні втрати також складаються із суми втрат у всіх каскадах підсилювача.

Для розрахунку визначите сумарний струм, споживаний попереднім підсилювачем у режимі спокою по формулі:

, А (64)

де І_0і – струм, споживаний і–м каскадом у режимі спокою, А;

k – загальна кількість каскадів аналогової частини посилення, k = n + 2.

Далі визначите потужність втрат аналогової частини посилення:

(65)

де – напруга живлення каскадів попереднього посилення, В.

Визначите потужність статичних втрат в імпульсній частині підсилювача по формулі:

(66)

де – споживана потужність ОП, Вт;

– струм колектора транзистора погоджуючого каскаду, А;

– напруга колектор – емітер насичення транзистора вихідного каскаду, В;

– струм колектора транзистора вихідного каскаду, А.

Визначимо потужність втрат підсилювача в статичному режимі по формулі:

(67)

При розрахунку повних динамічних втрат у підсилювачі, динамічними втратами в аналоговій частині підсилювача можна зневажити. Основні динамічні втрати в імпульсній частині підсилювача приходяться на погоджуючий та вихідний каскади, які можна розрахувати по формулах:

(68)

(69)

(70)

для активного навантаження, і

(71)

(72)

для активно–індуктивного навантаження.

На підставі проведених розрахунків зробіть корекцію параметрів елементів схеми. Корекцію робіть, якщо параметри спроектованого підсилювача гірше, ніж приведені в ТЗ; а також у випадку відхилення параметрів підсилювача більш, ніж на 10%.

Дата добавления: 2015-07-14