Основные принципы и этапы проектирования корректирующего мощного усилителя

САМАРА 2009

Составитель В.И. Михайков
УДК 534.86

Анализ и оптимизация корректирующего мощного усилителя на основе операционных усилителей: Метод. указания / Самарский гос. аэрокосмический ун-т. Сост. В.И. Михайков. Самара, СГАУ 2009 – 15 с.

Кратко изложена теория и методы расчёта корректирующих звеньев усилительных каскадов. Даны рекомендации по моделированию и оптимизации схемы корректирующего усилителя с помощью ПЭВМ.
Методические указания рекомендуются для студентов, обучающихся по специальностям 201500, 200700 и 131000 по курсам «Усилительные устройства БРЭА», «Схемотехника аналоговых электронных устройств» и «Общая электротехника и электроника», выполнены на кафедре радиотехнических устройств.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного аэрокосмического университета имена академика С.П. Королёва.

Рецензент: С.А. Маркелов

Общие сведения

Практически трудно назвать те радиотехнические устройства, в которых не использовались бы усилители. В то же время в радиотехнических устройствах осуществляются те или иные преобразования сигналов, многие из которых связаны с изменением их спектра. Эти преобразования достигаются, следовательно, изменением (или коррекцией) частотной характеристики канала прохождения. Один измногих вариантов реализации указанных воздействий на сигнал заключается в использовании корректирующих усилителей, в которых совмещены функции усиления сигнала и изменения его спектрального состава. Следует заметить, что большинство радиотехнических устройств являются управляющими для каких-либо исполнительных узлов. Эти узлы обычно состоят из пассивных элементов и, следовательно, имеют низкое входное сопротивление. В указанном случае корректирующий усилитель, который стоит в оконечном каскаде устройства, должен иметь мощный выход. На основании вышесказанного можно сделать вывод, что выбор корректирующего мощного усилителя в качестве объекта курсового проектирования весьма актуален. Haгрузкой же этого усилителя могут являться такие исполнительные узлы, как, например, индуктивная катушка, колеблющая диффузор динамика или отклоняющая якорь электромагнитного реле, активное сопротивление, изменяющееся в широких пределах у нити накала лампы светомузыкальной установки, а также многие другие узлы бытовой и промышленной аппаратуры.

В данной работе рассматривается проектирование корректирующего мощного усилителя, составленного из наиболее простых узлов. При этом анализируется влияние этих узлов только на два таких параметра корректирующих усилителей, как форма частотной характеристики и коэффициент нелинейных искажений. Цель такого упрощения - анализ степени влияния отдельных узлов на основные характеристики и выявление недостатков, присущих узлам при их упрощениях, которые могут быть в дальнейшем устранены определенными изменениями схемы. В то же время, проделав анализ в данной работе, в дальнейшем становится гораздо легче в любой сложной схеме выделить основные и вспомогательные цепи и проанализировать уже их влияние на характеристики всей схемы.

При выполнении курсового проекта начальный этап сводится к расчету приближенных значений номиналов элементов, входящих в схему. Делается это для сокращения времени работы с ЭВМ в диалоговом режиме за счет выбора и подстановки в программу некоторых уже готовых "опорных" значений параметров элементов. Величины "опорных" значений варьируются в процессе оптимизации при осуществлении машинного анализа. В курсовой работе проводится только машинный анализ, который является составной частью более сложного процесса - машинного проектирования. По сути дела затрагивается только начало в освоении и развитии машинного проектирования, использование которого уже в настоящее время позволяет разработчикам исключить такой ёмкий по времени и затратам этап, как макетирование. Опыт использования систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе быстродействующих ЭВМ показывает возможность точного моделирования работы, например, большой интегральной схемы сложного устройства при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Современные ЭВМ и соответствующие программные средства позволяют получить высокую достоверность работы машинной модели по сравнению с реальным устройством.

Машинный анализ в данном курсовом проектировании ведется с использованием пакета прикладных программ Electronics Workbench 5.0. В процессе анализа проектируемая схема оптимизируется для обеспечения заданных параметров. При этом первоначально выбранные "опорные" значения номиналов элементов студенты варьируют и определяют коэффициенты их влияния на характеристики усилителя. Осуществление указанных процедур возможно только после внимательного ознакомления с особенностями работы пакета Electronics Workbench 5.0.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО МОЩНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Обычно задача на проектирование ставится следующим образом: требуется составить схему, которая обеспечивает с заданной степенью точности получение определенных особенностей формы частотной характеристики и работает на мощную (по отношению к операционному усилителю (ОУ)) нагрузку при наличии на выходе нелинейных искажений не выше заданного уровня.

Исходя из такой постановки задачи, проектируемую схему можно представить из двух блоков: усилителя-корректора и усилителя мощности.

Усилитель-корректор состоит из нескольких узлов, число которых определяется количеством наклонных участков на частотной характеристике. Большинство корректоров реализуется на неинвертирующих цепях. Их преимущество состоит в том, что они позволяют отделить от усилителя источник сигнала, который при этом может быть не обязательно с низкоомным выходом. Принципиальная схема отдельного узла и методика предварительного расчета его элементов даны в разд. 3 и 4.

При машинном анализе оптимизация усилителя-корректора сводится к подбору значений элементов для обеспечения допусков на отклонение формы частотной характеристики от заданной; определению коэффициентов влияния элементов на положение точек ее перегиба, крутизну наклонов, коэффициент передачи на равномерном участке; а также выбору подстроечных элементов.

Усилитель мощности в общем случае представляет собой двухтактный эмиттерный повторитель, который выполняет функцию усилителя тока, и подключенный к его входу ОУ, который выполняет функцию усилителя напряжения (рис. 1, а). Выбор значений ре­зисторов R1 и R2 определяет коэффициент усиления по напряжению как K_u=(l+R2/R1) (частный случай - ОУ работает как буфер с K_u=l при замыкании его выхода на инвертирующий вход, т.е. R2=0, R1=∞). Коэффициент усиления по току определяется через пара­метр β транзисторов VT1 и VT2, в качестве которых для увеличе­ния данного коэффициента могут использоваться также составные эмиттерные повторители. Кроме того, выбираются эти транзисторы из условия обеспечения необходимой мощности рассеивания. Основным недостатком указанной схемы является то, что в выходном сигнале присутствуют характерные искажения типа "ступенька" (рис. 1, б). Для снижения таких искажений наиболее часто используют следующие два способа.

Первый заключается в том, что работу транзисторов переводят в режим А-В, задавая начальное смещение в цепи базы. Реализация такого способа требует введения дополнительных цепей, обеспечивающих постоянство тока через резисторы R для фиксированного падения на них постоянного напряжения (рис. 1, в), а также цепей термостабилизации, что в совокупности значительно усложняет схему.

Второй способ заключается в том, что весь усилитель мощности охватывают глубокой отрицательной обратной связью (рис. 1, г).

При машинном анализе осуществляется сравнение коэффициента нелинейных искажений для различных вариантов схемы, изображенных на рис. 1, а и рис. 1, г.

Оптимизация сводится к подбору параметров элементов для достижения коэффициента нелинейных искажений не выше заданного и получению заданного общего усиления всей проектируемой схемы.

В общем случае при более законченном проектировании устройств следует учитывать много сопутствующих условий и дополнительных требований. Назовем только некоторые из них.

Проектируемую схему предполагается эксплуатировать в условиях действия дестабилизирующих факторов, диапазон изменения которых известен. Например, задается номинальная температура и диапазон ее изменения. При этом характеристики устройства при действии дестабилизирующих - факторов не должны выходить из допустимых областей.

Уровень входного сигнала в процессе работы может изменяться. Поэтому в схеме необходимо обеспечить определенный динамический диапазон, который при малых сигналах ограничивается шумами схемы, а при больших сигналах - нелинейными искажениями.

На схемотехнику устройства существенно влияют технологические условия, которые налагают ограничения на номиналы и число элементов, режимы включения и т. д. Так, при гибридно-пленочной технологи исполнения схем допустимые значения сопротивлений R и емкостей С должны лежать в определенных границах: Cmin<C<Cmax, Rmin<R<Rmax. Число емкостей желательно минимизировать, а напыленные ёмкости - заземлять.

а

б

в

г

Рисунок 1

Нередко на проектируемое устройство приходится налагать ограничения по потребляемой мощности. В бортовой аппаратуре такие ограничения оказываются очень жёсткими.

Корректирующие усилители обычно относятся к числу прецизионных устройств. Поэтому после сборки схема, как правило, настраивается. Процесс этот должен быть удобным и легко выполнимым.

В принципе могут возникать и другие дополнительные требования. Все они являются ограничивающими условиями, при которых должен быть оптимизирован определенный критерий качества, например, стоимость устройства, его масса, габаритные размеры и т.д.