Разработка усилителя низкой частоты на операционных усилителях и полупроводниковых приборах


Задание: разработать на полупроводниковых приборах и операционных усилителях усилитель низкой частоты со следующими параметрами:

  • -выходная мощность 2 Вт
  • -сопротивление нагрузки 2.5 Ом
  • -полоса усиливаемых частот 0.05 ... 12 КГц
  • -частотные искажения не более 2 Дб
  • -внутреннее сопротивление генератора 15 КОм
  • -ЭДС источника сигнала 0.05 В
  • -температура окружающей среды -20 ... +50 ?С

Поскольку требования к усилителю довольно невысокие, имеет смысл попытаться обойтись максимально простой схемой:

Применим в качестве усилителя по напряжению схему на ОУ, например неинвертирующий усилитель, а в качестве усилителя по току двухтактный эмиттерный повторитель и попробуем прикинуть параметры схемы:

Резисторы R1 и R2 должны обеспечить необходимый коэффициент усиления:

Можно, например, взять R2 =522K, R1 =12K.

Резисторы R3 и R4 должны обеспечивать максимально необходимый базовый ток транзисторов

(при ???=100 ток не более 13 мА, КОм)

Операционный усилитель можно применить например марки К140УД6 в металлостеклянном корпусе (пластмассовый не подходит из за меньшего диапазона допустимых температур).

Проверка на обеспечение необходимой скорости нарастания выходного напряжения:

Требуемая скорость:

К140УД6 обеспечивает скорость нарастания до

Прочие параметры К140УД6:

  • -напряжение питания ????????????В
  • -номинальное напряжение питания ?????В
  • -потребляемый ток 3 мА
  • -напряжение смещения нуля 8 мВ
  • -температурный дрейф напряжения смещения 20 мкВ/?С
  • -сопротивление входа 1 МОм
  • -минимальное сопротивление нагрузки 1 КОм
  • -максимальное выходное напряжение ????В
  • -частота единичного усиления 1 МГц
  • -коэффициент усиления 30000
  • -диапазон температур - 45 ... +85 ?С

Исходя из максимального выходного напряжения и минимального сопротивления нагрузки можно заключить, что максимально допустимый ток выхода равен 12 мА. Отсюда минимальное ?выходных транзисторов:

Ориентируясь на эту величину, а также на допустимый ток эмиттера не менее 1.26 А можно выбрать в качестве выходных транзисторов пару составных усилительных транзисторов большой мощности: КТ829 с любым буквенным индексом (n-p-n) и 2Т825А2-В2 (p-n-p), которые имеют следующие характеристики:

КТ829

-статический коэффициент передачи тока по схеме с ОЭ, не менее:

при Тк = +25 ... +85 ?С 750

при Тк = -40 ?С 100

  • -постоянное напряжение коллектор-эмиттер 45 В
  • -постоянный ток коллектора 8 А
  • -постоянная рассеиваемая мощность коллектора 60 Вт
  • -температура окружающей среды -40 ... +85 ?С
  • -тепловое сопротивление переход-корпус 2.08 ?С/Вт
  • -температура перехода 150 ?С
  • 2Т825
  • -статический коэффициент передачи тока по схеме с ОЭ, не менее:

при Тк = +25 ... +85 ?С 500

при Тк = -40 ?С 100

  • -постоянное напряжение коллектор-эмиттер 60 В
  • -постоянный ток коллектора 15 А
  • -постоянная рассеиваемая мощность коллектора 30 Вт
  • -температура окружающей среды -60 ... +100 ?С
  • -температура перехода 150 ?С

небольшой недостаток коэффициента передачи тока при низких температурах несущественен, так как в процессе работы транзисторы саморазогреются.

Напряжение питания пусть будет номинальным для ОУ: ?15 В, тогда

Ближайшее стандартное значение — 1.8 К

Для исключения усиления постоянной составляющей сигнала и необходимости балансировки ОУ схему следует дополнить разделительными конденсаторами:

Емкость конденсаторов определяется из допустимых частотных искажений на нижних частотах.

Чтобы частотные искажения, создаваемые конденсатором C1 при сопротивлении резистора R равном 510 К, не превышали 0.1 дБ его емкость должна быть не менее 0.54 мкФ.

Чтобы частотные искажения, создаваемые конденсатором C2 при сопротивлении резистора R1 равном 12 К, не превышали 1.9 дБ его емкость должна быть не менее 1.1 мкФ.

Конденсатор С1 здесь исключает прохождение постоянной составляющей сигнала на вход, а конденсатор С2 снижает до единичного коэффициент усиления для постоянной ошибки, возникающей из-за наличия у операционного усилителя напряжения смещения нуля и неполной компенсации в данной схеме токов входов.

Если необходимо исключить усиление высоких частот, в цепь обратной связи нужно ввести еще один конденсатор, который также является дополнительной частотной коррекцией, предупреждающей самовозбуждение усилителя на высоких частотах:

Емкость конденсатора определяется из допустимых частотных искажений на верхних частотах.

При сопротивлении резистора R2 равном 522 К емкость С3 не должна превышать 6.5 пФ, из чего также видно, что при трассировке платы необходимо следить, чтобы эта емкость не образовалась сама собой.

В целях дальнейшего усовершенствования схемы выходной каскад можно дополнить ограничителем тока для защиты от короткого замыкания нагрузки:

Транзистор VT1 — КТ315, VT2 — КТ361. Резисторы R — проволочные, сопротивлением по 0.4 Ома, при этом выходной ток ограничивается на уровне 1.5 А, что не опасно для выходных транзисторов, причем поскольку при повышении температуры пороговое напряжение для транзисторов VT1 и VT2 уменьшается, при перегреве выходных транзисторов ток будет ограничиваться на меньшем уровне.

В режиме короткого замыкания нагрузки выходные транзисторы будут рассеивать мощность каждый.

Эта мощность является максимальной и никогда не достигается в нормальном режиме, поэтому именно на нее следует ориентироваться при тепловом расчете радиаторов.

Расчет радиаторов выходных транзисторов:

Общее тепловое сопротивление: , где

— тепловое сопротивление переход-корпус;

  • — тепловое сопротивление корпус- радиатор где — толщина прослойки полиметилсилоксановой жидкости между транзистором и радиатором, м
  • — удельная тепловая проводимость полиметилсилоксановой жидкости, Вт/м?К
  • — площадь основания транзистора, мІ
  • — тепловое сопротивление радиатор-воздух где ??= 40 Вт/мІ?К — удельная теплоотдача радиатора
  • — площадь поверхности радиатора, мІ

Отсюда

Таким образом окончательная схема имеет вид:

Примечание: усилитель может работать при напряжении питания, пониженном вплоть до ?10 В, при этом транзисторы рассеивают меньшую мощность и можно обойтись меньшими размерами радиаторов

(около 25 смІ при напряжении питания?10 В).

Предложенная схема за счет глубокой ООС малочуствительна к температуре окружающей среды и разбросу параметров транзисторов и операционных усилителей, устойчива к перегрузкам по входу до

(Uпит-4) вольт и к короткому замыканию нагрузки.

 
Оригинал текста доступен для загрузки на странице содержания