13.8. Расчет цепей питания каскадов усилителя

При организации цепей питания каскадов усилителя стремятся уменьшить число питающих напряжений с целью упрощения блока питания усилителя. Для этого каскады предварительного усилителя питают от одного ИП через фильтры (см. рис. 13.1 – 13.4). В качестве фильтров используются R-С-цепи. Схема фильтра представлена на рис. 13.18.

Фильтр в цепи питания КПУ выполняет четыре функции:

1. Понижение напряжения питания следующего (i + 1)-го КПУ Ei+1 до значения Еi, необходимого для питания i-го каскада.

2. Сглаживание пульсаций напряжения источника питания.

3. Ослабление паразитной межкаскадной обратной связи через общий источник питания до допустимой величины (развязка по цепи питания).

4. Через CФi организуется цепь для протекания переменных составляющих токов входной и выходной цепей каскада.

Расчет сопротивления RФi производится в следующей последовательности.

1. Определяется средний за период усиливаемого сигнала ток ICP, протекающий через RФi. Он равен сумме средних за период усиливаемого сигнала токов i-го и всех предыдущих КПУ, замыкающихся через ИП:

Поскольку КПУ работают в режиме А, средний ток через ИП каскада IСРj равен току, протекающему через ИП в режиме покоя IПj. Этот ток, в свою очередь, равен сумме токов, протекающих по цепям каскада в режиме покоя.

Для КПУ по схемам с ОК и ОЭ IП = IД + IбП + IКП, для КПУ по схеме с ОИ IП = IД + IСП.

2. Рассчитывается величина RФi по формуле

Расчет конденсатора фильтра СФi производится отдельно на сглаживание пульсаций и на развязку и из двух полученных значений выбирается наибольшее.

Расчет СФi на сглаживание пульсаций производится в следующей последовательности.

1. Напряжение питания Е с выхода сетевого ИП содержит переменную составляющую, обусловленную неидеальным сглаживанием пульсаций выпрямленного напряжения фильтром на выходе выпрямителя. Переменное напряжение на выходе ИП называется напряжением фона, его амплитуда обозначается UФm.

Определяется напряжение UФmДОП. Этот параметр используется при выборе или расчете ИП. Расчет UФmДОП производится для каскада УМ, т.к. каскад УМ питается непосредственно от ИП без применения сглаживающих фильтров.

Для ОТУМ UФmДОП определяется по формуле

где RВЫХ.ТР – омическое сопротивление выходной цепи транзистора в режиме покоя,  DC – динамический диапазон усиливаемого сигнала;  - напряжение собственных шумов на выходе источника сигнала в режиме холостого хода. Если в техническом задании не указан диапазон изменения еГ, то принимают DС = 1000.

Для ДТУМ режима АВ в формулу (13.30) вместо RН» подставляют RН»ПЛ, а под RВЫХ.ТР  понимают омическое сопротивление выходной цепи транзистора в точке на нагрузочной прямой по  переменному току, соответствующей IК = IKmax / 2.

Аналогично определяется UФmДОП  в случае ДУМ режима АВ, отличие состоит в том, что вместо UКЭ» подставляется UHm.

Напряжение UФmДОП  не должно превышать 0,05Е, даже если расчет по формуле (13.30) дает большее значение (в этом случае принимают UФmДОП = 0,05Е), т.к. появляется паразитная модуляция сигнала, увеличивающая вносимые усилителем нелинейные искажения.

2. Для всех КПУ определяется напряжение фона, действующее на входе каскада при отсутствии фильтрующих цепей. Напряжение UФmДОП поступает через цепь питания каскада с определенным  коэффициентом передачи b на его вход. Коэффициент передачи b определяется для входного каскада  по формуле

где  - сопротивление входной цепи транзистор
а по переменному току (определяется типом КПУ), R2 – нижнее по схеме сопротивление входного делителя каскада (для КПУ любого типа);   - верхнее по схеме сопротивление входного делителя каскада (для КПУ любого типа).

Сопротивление RBX.TP  определяется для КПУ:

с ОЭ:    RВХ.ТР = h11Э;

с ОК:            

с ОИ:   RBX.TP = RВХ.ПТ.

Для i-го КПУ, подключенного к выходу (i – 1)-го каскада с OK, bi определяется по формуле

где     

Для i-го КПУ, подключенного к выходу (i – 1)-го каскада с ОЭ, bi определяется по формуле (13.32), в которую подставляются:

Для i-го КПУ, подключенного к выходу (i – 1)-го каскада с ОИ, bi определяется по формуле (13.32), в которую подставляются:

Искомое напряжение UФ.ВХi определяется по формуле  UФ.Вхi = bi×UФmД. Напряжение UФ.ВХi  не должно превышать допустимой величины

3. Для всех КПУ определяются коэффициенты сглаживания по формуле

4. Рассчитываются емкости конденсаторов СФ. Расчет начинают с ближайшего к зажимам ИП фильтра, например Ф(n-1) (см. рис. 13.1), Ф(n-2) (см. рис. 13.2). Для этого фильтра емкость СФi определяется по формуле

где wП = 2pfП – круговая частота пульсаций напряжения UФ.  Как правило,  в сетевых ИП применяются  двухполупериодные выпрямители, для  которых  частота  пульсаций f П = 100 Гц.

Если ФСi < 1, расчет по формуле (13.33) невозможен, это означает, что дополнительного сглаживания пульсаций для i-го каскада не требуется. В этом случае емкость конденсатора СФi может быть выбрана любой величины.

Для всех остальных фильтров методика расчета СФi несколько отличается от описанной выше. Так как фильтры включены в цепь ИП последовательно, сглаживание пульсаций i-м фильтром определяется не только собственным коэффициентом сглаживания ФСi , но и величинами коэффициентов ФС(i+1) , ФС(i+2)  фильтров, стоящих по схеме ближе к зажимам ИП, поэтому для всех остальных фильтров схемы рассчитывается так называемый дополнительный коэффициент сглаживания по формуле:

Емкость СФi рассчитывается по формуле (13.33), при этом в нее вместо ФСi подставляется ФСiДОП.

Если ФСi  < 1, расчет по формуле (13.33) невозможен, это означает, что дополнительного сглаживания пульсаций для i-го каскада не требуется. В этом случае емкость конденсатора СФi также может быть выбрана любой величины.

Для усилителей, работающих от автономных ИП, расчет СФ на сглаживание пульсаций не производится, т.к. пульсации напряжения питания в этом случае отсутствуют.

Расчет СФi на развязку производится в следующей последовательности.

1. Определяется напряжение паразитной обратной связи через общий ИП (ПОС) на зажимах ИП по формуле

где IВЫХm – амплитуда выходного тока УМ, замыкающегося через ИП (для ОТУМ  IВЫХm = IKmax – IКП;  для ДТУМ и ДУМ IВЫХm = IKmax; ZИП – выходное сопротивление источника питания, зависит от его типа. Если в ИП применяется компенсационный ста

билизатор напряжения, то ZИП = (0,05 ¸ 0,2) Ом, если на выходе ИП включен R-C- или L-C-фильтр, то ZИП » 1 / (2pfH×СФ ), где СФ составляет, как правило, (500 ¸ 2000) мкФ.                                

2. Для всех КПУ определяются требуемые коэффициенты деления bТРЕБ по формуле

где МН.Фi = 1,02  ¸ 1,03 – допустимый коэффициент частотных искажений, выделенный на цеп