Шишлаков В.Ф. Проектирование электронных усилительных устройств систем автоматического управления

Подождите немного. Документ загружается.

Полученные результаты показаны на рис. 3.8, где номера графиков

соответствуют условиям 1–6. Из полученной таким образом области

выбираем R

= 75 Ом; R

= 15 Ом.

Варианты 3 и 4

Схема усилительного каскада варианта 3 показана на рис. 3.9, а ва-

рианта 4 – на рис. 3.10, где R

нi

– входное сопротивление следующего

каскада усиления; А и В – точки подключения следующего каскада. Эк-

вивалентная расчетная схема одного плеча одинакова для обоих вари-

антов каскадов и показана на рис. 3.11.

1. Условие достаточности входного напряжения определяем исходя

из предположения, что транзистор находится в состоянии насыщения,

тогда:

()

вх max бэ н э з

UIRK

≥+

(3.25)

где K

зi

= 1,1...1,3 – коэффициент запаса по напряжению; U

вх max

– на-

пряжение на входе усилительного каскада, соответствующее напряже-

нию выхода операционного усилителя (из паспортных данных); U

бэ

= U

бэ.нас

= 0,5...1 В (при отсутствии справочных данных); I

нi

– ток на-

ИП

–U

ИП

Рис. 3.9

грузки усилительного каскада, соответствующий входному току следу-

ющего каскада усиления, определенному в предыдущих расчетах.

Следует иметь в виду, что значение , используемое в формуле (3.25),

зависит от схемы предыдущего каскада усиления.

Если каскаду по варианту 3 предшествует каскад по варианту 1 или

каскаду по варианту 4 предшествует каскад по варианту 2, то

ИП

–U

ИП

Рис. 3.10

выхОУ max

вх max

где K

= 1,5 – коэффициент, учитывающий потери напряжения.

Если каскаду по варианту 3 предшествует каскад по варианту 4 или

каскаду по варианту 4 предшествует каскад по варианту 3, то

ИП

вх max

где K

= 1,2 – коэффициент, учитывающий потери напряжения.

Из соотношения (3.25) следует ограничение на максимально допус-

тимое значение R

вх

= U

вых

ИП

вх

Рис. 3.11

вх max

бэ.нас

−

≤

(3.26)

2. Условие ограничения тока базы транзистора допустимым значе-

нием следует из соотношения

вх max бэ э э

UUIR

(3.27)

где I

= I

(β + 1).

Тогда из (3.27) получаем

()

вх max бэ.нас

бз з б.доп

β1

IK K I

−

=≤

(3.28)

где I

б.доп

– максимально допустимое значение тока базы (из паспортных

данных транзистора).

Из соотношения (3.28) следует ограничение на максимально допус-

тимое значение R

()

вх max бэ.нас

эз

б.доп

β1

−

≥

(3.29)

3. Условие требуемого входного сопротивления каскада получаем из

соотношения

()

бэ вх

вх вх.треб

бэвх

RR R

RRR

=≥

(3.30)

где

вх max

вх.треб

б.доп

=−

входное сопротивление каскада;

бэ

вх

=−

вход-

ное сопротивление транзистора, определяемое по входной характерис-

тике I

бэ

) либо приближенно

бэ.нас

вх

б.нас

Из соотношения (3.30) следует функциональная зависимость

= R

)

()

эвх вх.треб

RR R

≥

+−

(3.31)

4. Условие обеспечения требуемой термостабилизации для схемы

(рис. 3.12) аналогично формуле (3.10). Так как рассматриваемые кас-

кады усиления являются промежуточными, то в (3.10) надо поло-

жить R

внОУ

= 0, тогда окончательно получаем функциональную зави-

симость R

= R

)

()

бэ

кб0

0,026...0,052

ln 3...11 .

≤+

(3.32)

5. Условие обеспечения требуемого тока в нагрузке следует из соот-

ношения

()

ИП к н к э кэ.нас

IR R R U=+++

(3.33)

где R

нi

– сопротивление нагрузки усилительного каскада, соответству-

ющее входному сопротивлению последующего каскада усиления,

определенному в предыдущих расчетах; I

= I

нi

, здесь K

зi

= 1,1...1,3 –

коэффициент запаса по току.

Из соотношения (3.33) следует функциональная зависимость R

= R

)

ИП кэ.нас

кн э

н з

i i

RRR

−

=−−

(3.34)

которая определяет предельно возможное значение резистора R

, при

котором R

является неотрицательным.

6. Условие ограничения значения обратного напряжения U

бэ

имеет

вид

()

н э1 бэ.нас з бэ max доп

IR U K U

+≤

(3.35)

где U

бэ max доп

– максимально допустимое значение напряжения база–

эмиттер (из паспортных данных транзистора).

Из соотношения (3.35) следует ограничение на максимально допус-

тимое значение сопротивления R

бэ max доп

бэ.нас

−

≤

(3.36)

Таким образом, расчет сопротивлений усилительного каскада, пока-

занного на рис. 3.11, сводится к построению области допустимых зна-

чений, ограниченной неравенствами (3.26), (3.29), (3.31), (3.32), (3.34),

(3.36), а также максимально допустимым значением сопротивления, сто-

ящего в цепи базы транзистора, выбранного типа R

бmaxдоп

, и выбору

любых значений R

и R

из данной области.

Пример. Проведем расчет усилительного каскада (см. рис. 3.10) для

следующих исходных данных: напряжение источника питания состав-

ляет 15 В; ток нагрузки каскада (входной ток следующего каскада уси-

ления) I

нi

= 0,15 А; сопротивление нагрузки усилительного каскада (вход-

ное сопротивление следующего каскада) R

нi

= 5 Ом.

В качестве усилителя-сумматора предварительно выбираем опера-

ционный усилитель К140УД9, максимальное напряжение на выходе ко-

торого U

выхОУmax

= 10 В; минимально допустимое значение сопротивле-

ния нагрузки R

нОУmin доп

= 1000 Ом. Поскольку данные о внутреннем

сопротивлении микросхемы отсутствуют, то для расчетов принимаем

внОУ

= 50 Ом.

В соответствии с методикой выбора транзисторов, изложенной в

п. 3.1, для предварительного усилителя выбираем комплиментарную

пару транзисторов КТ502Б, КТ503Б, основные параметры которых при-

ведены в табл. 3.1.

С учетом числовых значений соотношения (3.26), (3.29), (3.31), (3.32),

(3.34), (3.36) принимают следующий вид:

условие 1 (полагаем, что входным для данного является каскад по

варианту 1 или 2, тогда

выхОУmax

вх max

6,67 В

1, 5

===

)

вхmax

бэ.нас

6,67

0,8

1, 2

31,7 Ом;

0,15

−

≤==

условие 2

() ()

вхmax бэ.нас

эз

б.доп

6,67 0,8

0,72 Ом;

β1 0,1801

−

≥==

+⋅+

условие 3

(

вх.max

вх.треб

б.доп

6,67

66,7 Ом;

0,1

===

бэ.нас

вх

0,8

800 Ом

0,001



===





кОм

= 15О м

= 75 Ом

бmaxдоп

20 40 60 80 100

120

Ом

0,1

Ом

20 40 60 80 100 120

Рис. 3.12

()

()()

эвх вх.треб

ээ

эвх вх.треб э э

800 66,7 800 66,7

;

800 66,7 733,3

RR R

RR R R R

+⋅

≥==

+− +− +

условие 4

()

бэээ

кб0

0,035ln 6

0,026...0,052

ln 3...11 62611,58 ;

RRRR

−

≤+=+=+

условие 5

ИП кэ.нас

кн эээ

н з

15 0,6

575;

0,15 1,2

i i

RRRRR

−−

=−−=−−=−

⋅

условие 6

бэmaxдоп

бэ.нас

0,8

1, 2

22,44 Ом.

0,15

−

≤==

Полученные результаты показаны на рис. 3.12, где номера графиков

соответствуют условиям 1–6. Из полученной таким образом области

выбираем R

= 75 Ом; R

= 15 Ом и соответствующее ему значение

= 60 Ом.

3.3. Стыковка каскадов усиления многокаскадного усилителя

Число каскадов проектируемого усилителя зависит от величины

тока нагрузки, на которую работает усилитель, а также и от опреде-

ленного техническим заданием варианта включения транзисторов

оконечного каскада.

Если оконечный каскад усиления построен по схеме с общим эмит-

тером (рис. 3.13, а), то стыковка промежуточных каскадов усиления

друг с другом и с усилителем мощности приведена в табл. 3.2, где

цифрами обозначены номера вариантов усилительных каскадов, рас-

чет схем которых рассмотрен выше; ОУ – операционный усилитель.

Если оконечный каскад усиления построен по схеме с общим кол-

лектором (рис. 3.13, б), то стыковка промежуточных каскадов усиле-

ния друг с другом и с усилителем мощности приведена в табл. 3.3,

где цифрами обозначены номера вариантов усилительных каска-

дов, расчет схем которых рассмотрен выше; ОУ – операционный

усилитель.

123456 7

УО 1––––

мореттимэмищбосамехС

,31.3.сир( а)

УО 24–––

УО134––

УО2434–

УО 13434

Таблица 3.2

Стыковка каскадов усиления многокаскадного усилителя

с оконечным каскадом, построенным по схеме с общим эмиттером

12345 6

УО ––––

мороткеллокмищбосамехС

,31.3.сир( б)

УО 2–––

УО13––

УО 243–

УО1343

Таблица 3.3

Стыковка каскадов усиления многокаскадного усилителя

с оконечным каскадом, построенным по схеме с общим коллектором

ИП

–U

ИП

а)

б)

ИП

–U

ИП

Рис. 3.13

Таким образом формируется принципиальная электрическая схема

разрабатываемого многокаскадного усилителя. Если в результате пос-

ледующих исследований окажется, что динамические свойства усили-

теля соответствуют требованиям технического задания, то полученная

принципиальная схема становится окончательной и для нее выполняет-

ся разводка печатной платы. В противном случае следует провести рас-

чет цепей коррекции и разработать принципиальную электрическую

схему корректирующего устройства, которая включается в состав уси-

лителя.