Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

Задание на курсовое проектирование по курсу

“Основы электроники и схемотехники”

Студент: Данченков А. В. группа ИИ-1-95.

Тема:”Проектирование усилительных устройств на базе интегральных операционных усилителей”

Вариант №2.

Расчитать усилитель мощности на базе интегральных операционных усилителей с двухтактным оконечным каскадом на дискретных элементах в режиме АВ.

Исходные данные:

Eг, мВRг, кОмPн, ВтRн, Ом
1.51.054.0

Оценить, какие параметры усилителя влияют на завал АЧХ в области верхних и нижних частот.

Содержание

Структура усилителя мощности………………………………………………………….. 3

Предварительная схема УМ (рис.6) …………………………………………………….. 5

Расчет параметров усилителя мощности……………………………………………… 6

1. Расчет амплитудных значений тока и напряжения………………………… 6

2. Предварительный расчет оконечного каскада……………………………….. 6

3. Окончательный расчет оконечного каскада………………………………….. 9

4. Задание режима АВ. Расчет делителя………………………………………….. 10

5. Расчет параметров УМ с замкнутой цепью ООС………………………….. 11

6. Оценка параметров усилителя на завал АЧХ в области ВЧ и НЧ…… 12

Заключение………………………………………………………………………………………. 13

Принципиальная схема усилителя мощности………………………………………. 14

Спецификация элементов…………………………………………………………………… 15

Библиографический список……………………………………………………………….. 16

Введение

В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим – усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприемнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества.

В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности.

В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя мощности (УМ) на основе операционных усилителей (ОУ). В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства, расчет цепей усилителя и параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного устройства.

Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчет и оценить колличество и тип основных элементов – интегральных операционных усилителей. После этого следует выбрать принципиальную схему предварительного усилительного каскада на ОУ и оконечного каскада (бустера). Затем необходимо расчитать корректирующие элементы, задающие режим усилителя ( в нашем случае АВ ) и оценить влияние параметров элементов схемы на АЧХ в области верхних и нижних частот.

Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости входящих в него компонентов.

Структура усилителя мощности

Усилитель мощности предназначен для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности. Усиление напряжения в нем является второстепенным фактом. Для того чтобы усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнить условие R вых = R н.

Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность P н, коэффициент полезного действия h, коэффициент нелинейных искажений K г и полоса пропускания АЧХ.

Оценив требуемые по заданию параметры усилителя мощности, выбираем структурную схему, представленную нарис.1 , основой которой является предварительный усилительный каскад на двух интегральных операционных усилителях К140УД6 и оконечный каскад (бустер) на комплементарных парах биполярных транзисторов. Поскольку нам требуется усиление по мощности, а усиление по напряжению для нас не важно, включим транзисторы оконечного каскада по схеме “общий коллектор” (ОК). При такой схеме включения оконечный каскад позволяет осуществить согласование низкоомной нагрузки с интегральным операционным усилителем, требующим на своем входе высокоомную нагрузку (т. к. каскад “общий коллектор” характеризуется большим входным R вх и малым выходнымR вых сопротивлениями), к тому же каскад ОК имеет малые частотные искажения и малые коэффициенты нелинейных искажений. Коэффициент усиления по напряжению каскада “общий коллектор” Ku £ 1.

Для повышения стабильности работы усилителя мощности предварительный и оконечный каскады охвачены общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. В качестве разделительного элемента на входе УМ применен конденсатор C р. В качестве источника питания применен двухполярный источник с напряжением E к = ± 15 В.

Режим работы оконечного каскада определяется режимом покоя (классом усиления) входящих в него комплементарных пар биполярных транзисторов. Существует пять классов усиления: А, В, АВ, С иD, но мы рассмотрим только три основных: А, В и АВ.

Режим класса А характеризуется низким уровнем нелинейных искажений (K г £ 1%) низким КПД (h <0,4) . На выходной вольт-амперной характеристике (ВАХ) транзистора (см. рис. 2.1 ) в режиме класса А рабочая точка ( I K0 иU K Э0 ) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии и потребление мощности происходит в любой момент. Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения а P н и h не имеют решающего значения.

Режим класса В характеризуется большим уровнем нелинейных искажений (K г £ 10%) и относительно высоким КПД (h <0,7) . Для этого класса характерен I Б0 = 0 ( рис 2.2 ), то есть в режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания. Режим В применяется в мощных выходных каскадах, когда неважен высокий уровень искажений.

Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами классов А и В. Он применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоя транзистор лишь немного приоткрыт, в нем протекает небольшой ток I Б0 (рис. 2.3 ), выводящий основную часть рабочей полуволны U вх на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Так как I Б0 мал, то h здесь выше, чем в классе А, но ниже, чем в классе В, так как все же I Б0 > 0 . Нелинейные искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ, относительно невелики (K г £ 3%) .

В данном курсовом проекте режим класса АВ задается делителем на резисторах R3 – R4 и кремниевых диодах VD1 – VD2 .

рис 2.1 рис 2.2 рис 2.3

Расчет параметров усилителя мощности

1. Расчет амплитудных значений тока и напряжения на нагрузке

1.1 Найдем значение амплитуды на нагрузкеU н. Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:

U н 2 _ _____ ______________

Pн =¾¾¾ÞU н = Ö 2R н P н = Ö 2*4 Ом * 5 Вт = 6.32 В

2R н

1.2 Найдем значение амплитуды тока на нагрузке I н :

U н 6.32 В

I н = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 1.16 А

R н 4 Ом

2. Предварительный расчет оконечного каскада

Для упрощения расчета проведем его сначала для режима В.

2.1 По полученному значению I н выбираем по таблице ( I к ДОП > I н )комплиментарную пару биполярных транзисторов VT1-VT2 : КТ-817 (n-p-n типа)и КТ-816 (p-n-p типа). Произведем предварительный расчет энергетических параметров верхнего плеча бустера (см рис. 3.1 ).

Рис. 3.1

2.2 Найдем входную мощность оконечного каскада P вх. Для этого нужно сначала расчитатькоэффициент усиления по мощности оконечного каскадаKp ок, который равен произведениюкоэффициента усиления по току Ki на коэффициент усиления по напряжениюKu :

Kp ок = Ki * Ku

Как известно, для каскада ОК Ku £ 1 , поэтому, пренебрегая Ku, можно записать:

Kp ок ” Ki

Поскольку Ki = b +1 имеем:

Kp ок ” b +1

Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем b = 30 . Поскольку b велико, можно принять Kp ок = b +1 ” b. Отсюда Kp ок = 30 .

Найдем собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

P н

Kp ок = ¾¾

P вх

P н

получим P вх = ¾¾ , а с учетом предыдущих приближений

Kp ок

P н

P вх = ¾¾

B

5000 мВт

= ¾¾¾¾ ¾ = 160 мВт

30

2.3 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 I б vt1 :

I к

I б = ¾¾¾ , т. к. I н = I к vt1 получим :

1+ b

I н I н 1600 мА

I б vt1 = ¾¾¾ ” ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 52 мА

1+ b vt1 b vt1 30

2.4Определим по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем

Переходе U бэ (c м. рис 3.2 )

Рис 3.2

Отсюда находим входное напряжение U вх vt1

U вх vt1 = U бэ vt1 + U н = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В

2.5 Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера R вх :

U вх U вх 7.6 В

R вх = ¾¾¾= ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом

I вх vt1 I б vt1 5.2*10-3

Поскольку из-за технологических особенностей конструкции интегрального операционного усилителя К140УД6 полученное входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (для К140УД6 минимальное сопротивление нагрузкиRmin оу = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивление R вх ). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 I б vt1 (который является одновременно и коллекторным током транзистора VT3 ) выбираем комплементарную паруна транзисторах КТ-361 (p-n-p типа) и КТ-315 (n-p-n типа).Соответственно схема оконечного каскада примет вид, показанный на рис. 3.3 .

Рис. 3.3

3. Окончательный расчет оконечного каскада

3.1 Расчитаем входную мощность P вх ок полученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1 P вх мы посчитали в пункте 2.2 , получим :

P вх P вх 160 мВт

P вх ок = ¾¾¾”¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2 мВт

B vt3 +1b 50

3.2 Определим амплитуду тока базы I б vt3 транзистора VT3. Поскольку I к vt3 ” I б vt1 имеем:

I к vt3 I б vt1 52 мА

I б vt3 = ¾¾¾ “¾¾¾ = ¾¾¾ “1 мА

1+ b vt3 b vt3 50

3.3 Определим по входной ВАХ транзистора VT3 напряжениена управляющем переходе U бэ vt3 (см. рис. 3.4 ). Поскольку U бэ vt3 = 0.6 В, для входного напряжения оконечного каскада U вх ок имеем:

U вх ок = U н + U бэ vt1 + U бэ vt1 = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В

Рис 3.4

3.4 Определим входное сопротивление оконечного каскада R вх ок :

U вх ок 8В

R вх ок = ¾¾¾ = ¾¾¾ = 8 кОм

I б vt3 1 мА

Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

R вх ок ³ R н min оу

где R н min оу = 1кОм (для ОУ К140УД6 ).

4. Задание режима АВ. Расчет делителя

Для перехода от режима В к режиму АВ на вход верхнего плеча нужно подать смещающее напряжение +0.6 В, а на вход нижнего плеча – -0.6 В. При этом, поскольку эти смещающие напряжения компенсируют друг друга, потенциал как на входе оконечного каскада, так и на его выходе останется нулевым. Для задания смещающего напряжения применим кремниевые диоды КД-223 (VD1-VD2 , см. принципиальную схему ), падение напряжения на которыхU д = 0.6 В

Расчитаем сопротивления делителя R д 1 = R д 2 = R д. Для этого зададим ток делителя I д, который должен удовлетворять условию:

I д ³ 10*I б vt3

Положим I д = 3 А и воспользуемся формулой

Ек – U д (15- 0.6) В

R д = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом ” 5 Ом

I д 3 А

5. Расчет параметров УМ с замкнутой цепью ООС

Для улучшения ряда основных показателей и повышения стабильности работы усилителя охватим предварительный и оконечный каскады УМ общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. Она задается резисторами R1 и R2 (см. схему на рис. 6 ).

Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжениюKu оу1 равен 3*104 . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

Ku оу = Ku оу1 * Ku оу2 = 9*108

Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной связью Ku ос равен:

U вых ос К u ( Ku оу1 * Ku оу2 * Ku ок ) 1

Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ ” ¾

E г 1 + c Ku 1 + c ( Ku оу1 * Ku оу2 * Ku ок ) c

Рис. 3.5

Изобразим упрощенную схему нашего усилителя, заменив оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5 ) (ООС на схеме не показана, но подразумевеется ). Здесь R н экв º R вх ок = 8 кОм ; U вых ос = U вх ок = 8 В, Ег = 15 В (из задания ).

U вых ос 8000 мВ

Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333

E г 1.5 мВ

1

¾ = Ku ос =5333

C

Найдем параметры сопротивлений R1 и R2 , задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от сопротивлений R1 и R2 может быть представлена следующим образом:

R1

C = ¾¾¾

R1 +R2

Зададим R1 = 0.1 кОм. Тогда :

1 R1 1

¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾ Þ 5333 = 1 + 10 R2 Þ R2 = 540 кОм

Ku ос R1 +R2 5333

6. Оценка влияния параметров усилителя на завал АЧХ в области верхних и нижних частот

Усилитель мощности должен работать в определенной полосе частот ( от ¦ н до ¦ в ) . Такое задание частотных характеристик УМ означает, что на граничных частотах ¦ н и ¦ в усиление снижается на 3 дБ по сравнению со средними частотами, т. е. коэффициенты частотных искажений Мн и Мв соответственно на частотах ¦ н и ¦ в равены:

__

Мн = Мв = Ö 2 (3 дБ )

В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени t нс цепи переразряда разделительной емкости Ср :

_________________

Мнс = Ö 1 + ( 1 / ( 2 p ¦ н t нс ))2

Постоянная времени t нс зависит от емкости конденсатора Ср и сопротивления цепи переразряда R раз :

T нс = Ср * R раз

При наличии нескольких разделительных емкостей ( в нашем случае 2) Мн равно произведению Мнс каждой емкости:

Мн = Мнс1 * Мнс2

Спад АЧХ усилителя мощности в области высоких частот (ВЧ) обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и оконечного каскада, а так же емкомтью нагрузки, если она имеется. Коэффициент частотных искажений на частоте ¦ в равен произведению частотных искажений каждого каскада усилителя:

Мв ум = Мв1 * Мв2 * Мвок * Мвн

Здесь Мв1 , Мв2 , Мвок, Мвн – коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и емкости нагрузки Сн. Если Ku оу выбран на порядок больше требуемого усиления каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( Мв1 = Мв2 = 1 ).

Коэффициент искажений оконечного каскада задается формулой:

_________

Мвок = 1 + ( Ö 1+ ( ¦ в / ¦ b ) – 1)(1 – Kuo к )

Здесь ¦ b – верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки Мвн, определяемый влиянием емкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени t вн нагрузочной емкости :

__________________

Мвн = Ö 1 + ( 1 / ( 2 p ¦ в t вн ))2

T вн = Сн * ( R вых ум | | R н )

При неправильном введении отрицательной обратной связи в области граничных верхних и нижних частот может возникнуть ПОС ( положительная обратная связь) и тогда устройство из усилителя превратится в генератор. Это происходит за счет дополнительных фазовых сдвигов, вносимых как самим усилителем, так и цепью обратной связи. Эти сдвиги тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей обратной связью. Поэтому не рекомендуется охватывать общей ООС больше, чем три каскада.

Заключение

В данном курсовом проекте мы расчитали основные параметры и элементы усилителя мощности, а так же оценили влияние параметров усилителя на завалы АЧХ в области верхних и нижних частот.

Спецификация элементов

№ п / пОбозначениеТипКол – во
1R1Резистор МЛТ-0.5 – 0.1 кОм ± 10 %1
2R2Резистор МЛТ-0.5 – 540 кОм ± 10 %1
3R дРезистор МЛТ-0.5 – 5 Ом ± 10 %2
4VD1-VD2Диод полупроводниковый КД2232
5VT1Транзистор КТ8171
6VT2Транзистор КТ8161
7VT3Транзистор КТ3151
8VT4Транзистор КТ3611
9DA1-DA2Операционный усилитель К140УД62

Библиографический список

1. Д. В. Игумнов, Г. П. Костюнина – “Полупроводниковые устройства

непрерывного действия ” – М: “Радио и связь”, 1990 г.

2. В. П. Бабенко, Г. И. Изъюрова – “Основы радиоэлектроники”. Пособие по

курсовому проектированию – М: МИРЭА, 1985 г.

3. Н. Н. Горюнов – ” Полупроводниковые приборы: транзисторы”

Справочник – М: “Энергоатомиздат”, 1985 г.


1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (No Ratings Yet)
Loading...

Зараз ви читаєте: Проектирование усилителя мощности на основе ОУ