|
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 , мВ Rг , кОм Pн , Вт Rн , Ом 1.5 1.0 5 4.0
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
Расчёт параметров усилителя мощности
...................................................... 6
1. Расчёт амплитудных значений
тока и напряжения .............................. 6
2. Предварительный расчёт
оконечного каскада ...................................... 6
3. Окончательный расчёт
оконечного каскада ......................................... 9
4. Задание режима АВ. Расчёт
делителя .................................................. 10
5. Расчёт 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
радиоприёмнике, 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, расчёт цепей усилителя и
параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного
устройства.
Для
разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт
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 нём является второстепенным фактом.
Для того чтобы усилитель отдавал в нагрузку максимальную
мощность, необходимо выполнить условие Rвых= Rн .
Основными показателями
усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность Pн , коэффициент полезного действия h , коэффициент нелинейных
искажений Kг и полоса пропускания АЧХ.
Оценив требуемые по заданию параметры усилителя мощности, выбираем
структурную схему , представленную на рис.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 своём входе высокоомную нагрузку (т.к. каскад “общий коллектор” характеризуется большим входным Rвх и малым выходным Rвых 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 применён конденсатор Cр . В качестве источника
питания применён двухполярный источник с напряжением Eк = ± 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 и D , но
мы рассмотрим только три основных: А, В
и АВ.
Режим класса
А характеризуется низким уровнем нелинейных искажений (Kг £ 1%)
низким КПД (h <0,4). На
выходной вольт-амперной характеристике (ВАХ) транзистора (см. рис. 2.1) в режиме класса А рабочая точка ( IK0 и UKЭ0) 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
всё 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 Pн и h не имеют решающего значения.
Режим
класса В характеризуется большим уровнем нелинейных искажений (Kг £ 10%) и относительно высоким КПД (h <0,7). Для этого класса характерен IБ0 = 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 нём протекает
небольшой ток IБ0 (рис.
2.3), выводящий основную часть
рабочей полуволны Uвх на
участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Так как IБ0 мал, то h здесь
выше, чем в классе А , но ниже, чем
в классе В , так как всё же IБ0 > 0. Нелинейные
искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ , относительно невелики (Kг £ 3%) .
В
данном курсовом проекте режим класса АВ задаётся
делителем на резисторах R3 - R4 и кремниевых диодах VD1-VD2 .
рис 2.1 рис 2.2 рис
2.3
Расчёт параметров усилителя мощности
1.
Расчёт амплитудных значений тока и напряжения на нагрузке
1.1 Найдём значение амплитуды на нагрузке Uн . Поскольку в задании дано действующее значение
мощности, применим формулу:
Uн2 ______ ______________
Pн = ¾¾¾ Þ Uн = Ö 2Rн Pн = Ö 2 * 4 Ом * 5 Вт = 6.32 В
2Rн
1.2 Найдём значение амплитуды тока на
нагрузке Iн :
Uн 6.32 В
Iн = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 1.16 А
Rн 4 Ом
2. Предварительный расчёт оконечного каскада
Для упрощения расчёта проведём его сначала
для режима В.
2.1 По полученному значению Iн выбираем по таблице ( Iк ДОП > Iн) комплиментарную пару
биполярных транзисторов VT1-VT2 : КТ-817 (n-p-n типа) и КТ-816 (p-n-p типа). Произведём
предварительный расчёт энергетических параметров верхнего плеча бустера
(см
рис. 3.1).
Рис. 3.1
2.2 Найдём входную
мощность оконечного каскада Pвх . Для этого нужно сначала
расчитать коэффициент усиления по мощности оконечного каскада Kpок , который равен произведению коэффициента усиления по
току Ki на коэффициент усиления по напряжению Ku :
Kpок = Ki * Ku
Как
известно, для каскада ОК Ku £ 1 , поэтому,
пренебрегая Ku , можно записать:
Kpок » Ki
Поскольку Ki = b+1 имеем:
Kpок » b+1
Из технической документации на транзисторы
для нашей комплементарной пары получаем b = 30. Поскольку b велико, можно принять Kpок = b+1 » b. Отсюда
Kpок = 30 .
Найдём собственно выходную
мощность бустера. Из соотношения
Pн
Kpок = ¾¾
Pвх
Pн
получим Pвх = ¾¾ , а с учётом предыдущих
приближений
Kpок
Pн Pвх = ¾¾ b 5000 мВт = ¾¾¾¾¾ = 160 мВт 30
2.3 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 :
Iк
Iб = ¾¾¾ , т.к. Iн = Iкvt1 получим :
1+b
Iн Iн 1600 мА
Iбvt1 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 52 мА
1+bvt1
bvt1
30
2.4 Определим
по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем
переходе
Uбэ (cм. рис 3.2)
рис 3.2
Отсюда находим входное напряжение Uвхvt1
Uвхvt1 = Uбэvt1 + Uн = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В
2.5
Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера Rвх :
Uвх Uвх 7.6 В
Rвх = ¾¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом
Iвхvt1 Iбvt1 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 нагрузки Rmin оу = 1 кОм ), поэтому для построения
оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное
сопротивление Rвх ). Исходя
из величины тока базы транзистора VT1 Iбvt1 (который является
одновременно и коллекторным током транзистора VT3 ) выбираем комплементарную пару на 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 расчёт
оконечного каскада
3.1 Расчитаем входную мощность Pвхок полученного составного
оконечного каскада. Исходя из того, что
мощность на входе транзистора VT1 Pвх мы посчитали
в пункте 2.2 , получим :
Pвх
Pвх 160 мВт
Pвхок = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2 мВт
bvt3+1 b 50
3.2 Определим амплитуду тока базы Iбvt3 транзистора VT3.
Поскольку Iкvt3
» Iбvt1 имеем :
Iкvt3
Iбvt1 52 мА
Iбvt3 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾ » 1 мА
1+bvt3 bvt3 50
3.3 Определим по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на управляющем переходе Uбэvt3 (см. рис. 3.4 ). Поскольку Uбэvt3 = 0.6 В , для входного напряжения
оконечного каскада Uвхок имеем:
Uвхок = Uн + Uбэvt1 + Uбэvt1 = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В
рис 3.4
3.4
Определим входное сопротивление оконечного каскада Rвхок :
Uвхок 8 В
Rвхок = ¾¾¾ = ¾¾¾ = 8 кОм
Iбvt3
1 мА
Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет
условию
Rвхок ³ Rн min оу
где Rн min оу = 1кОм (для ОУ К140УД6).
4. Задание режима АВ. Расчёт 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 которых Uд = 0.6 В
Расчитаем сопротивления
делителя Rд1= Rд2= Rд . Для этого зададим ток
делителя Iд, который должен удовлетворять условию:
Iд ³ 10*Iбvt3
Положим Iд = 3 А и воспользуемся формулой
Ек – Uд (15 – 0.6) В
Rд = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом
Iд 3 А
5. Расчёт 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 задаётся резисторами R1 и
R2
(см. схему на рис.
6 ).
Исходя из технической документации на интегральный
операционный усилитель К140УД6 его
коэффициент усиления по напряжению Kuоу1 равен 3*104 . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :
Kuоу = Kuоу1 * Kuоу2 = 9*108
Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных
обратной связью Ku ос равен:
Uвых ос
Кu ( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) 1
Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ » ¾
Eг 1 + cKu 1 + c( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) c
рис. 3.5
Изобразим упрощённую схему нашего усилителя , заменив
оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5 ) (ООС на
схеме не показана, но подразумевеется ).
Здесь Rнэкв º Rвхок = 8 кОм ; Uвых ос = Uвхок = 8 В , Ег = 15
В (из задания ).
Uвых ос 8000 мВ
Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333
Eг
1.5 мВ
1
¾ = Ku ос = 5333
c
Найдём 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 + 10R2 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 определённой 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 tнс цепи переразряда
разделительной ёмкости Ср :
_________________
Мнс = Ö 1 + ( 1 / ( 2p¦нtнс ))2
Постоянная времени tнс зависит от ёмкости конденсатора Ср и сопротивления цепи
переразряда Rраз :
tнс = Ср*
Rраз
При наличии нескольких
разделительных ёмкостей ( в нашем случае 2) Мн равно произведению Мнс каждой
мкости:
Мн = Мнс1 * Мнс2
Спад АЧХ усилителя мощности
в области высоких частот (ВЧ) обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ
и оконечного каскада, а так же ёмкомтью 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 ёмкости 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 задаётся
формулой:
_________
Мвок = 1 + ( Ö 1+ (¦в /¦b) - 1)(1 - Kuoк)
Здесь ¦b - верхняя частота выходных
транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки Мвн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки Сн в области высоких частот
зависит от постоянной времени tвн нагрузочной ёмкости :
__________________
Мвн = Ö 1 + ( 1 / ( 2p¦вtвн ))2
tвн = Сн*
(Rвыхум | | Rн)
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 счёт 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/п Обозначение Тип Кол - во 1 R1 Резистор МЛТ-0.5 - 0.1 кОм ± 10 % 1 2 R2 Резистор МЛТ-0.5 - 540 кОм ± 10 % 1 3 Rд Резистор МЛТ-0.5 - 5 Ом ± 10 % 2 4 VD1-VD2 Диод полупроводниковый КД223 2 5 VT1 Транзистор КТ817 1 6 VT2 Транзистор КТ816 1 7 VT3 Транзистор КТ315 1 8 VT4 Транзистор КТ361 1 9 DA1-DA2 Операционный усилитель К140УД6 2
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.
Проектирование усилительных схем на базе инструментальных усилителей. Расчет корректирующей ёмкости в усилителях мощности звуковой частоты. Усилитель тока на К УД схема принципиальная Иркутск Россия Иркутске. Двухтактный усилитель мощности на операционном усилителе. Реферат по теме проектирование воспитательной системы ОУ. Показать схемы предварительного и оконечных усилителей. Курсовые работы по Электронные приборы и устройс тва. Работа комплиментарных транзисторов усилителя НЧ. Усилителе мощьности на поерационном усилителе. Структура и параметры электронного усилителя. Усилители мощности с операционниками. Проектирование усилителей мощности. Усилитель мощности на операционном. Усилитель мощности схемы и расчет. Проектирование усилителя курсовой.
|
|
|
