Проектирование усилителя мощности на основе ОУ
Работа из раздела: «
Технология»
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
( , 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 (( <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 ( не имеют решающего значения.
Режим класса В характеризуется большим уровнем нелинейных
искажений (Kг ( 10%) и относительно высоким КПД (( <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 (
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 = ((( ( Uн = ( 2Rн Pн = ( 2 * 4 Ом * 5 Вт = 6.32 В
2Rн
1.2 Найдём значение амплитуды тока на нагрузке Iн :
Uн 6.32 В
Iн = ((( = (((( = 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 = (+1 имеем:
Kpок ( (+1
Из технической документации на транзисторы для нашей
комплементарной пары получаем ( = 30. Поскольку ( велико, можно принять
Kpок = (+1 ( (. Отсюда Kpок = 30 .
Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения
Pн
Kpок = ((
Pвх
Pн
получим Pвх = (( , а с учётом предыдущих приближений
Kpок
| | 5000 мВт |
|Pн |= ((((( = 160 мВт |
|Pвх = ((|30 |
| | |
|( | |
3 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 :
Iк
Iб = ((( , т.к. Iн = Iкvt1 получим :
1+(
Iн Iн
1600 мА
Iбvt1 = ((( ( ((( = (((( = 52 мА
1+(vt1 (vt1
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 = ((( = ((( = (((( = 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
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 = ((( ( ((( = (((( = 3.2 мВт
(vt3+1 ( 50
2 Определим амплитуду тока базы Iбvt3 транзистора VT3. Поскольку
Iкvt3 ( Iбvt1 имеем :
Iкvt3 Iбvt1
52 мА
Iбvt3 = ((( ( ((( = ((( ( 1 мА
1+(vt3 (vt3
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 = ((( = ((( = 8 кОм
Iбvt3 1
мА
Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию
Rвхок ( 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 ( 10*Iбvt3
Положим Iд = 3 А и воспользуемся формулой
Ек – Uд (15 – 0.6) В
Rд = (((( = (((((( = 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 = ((( = (((( = ((((((((((( ( (
Eг 1 + (Ku 1 + ((
Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) (
| |
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 ( Rвхок = 8 кОм ; Uвых ос =
Uвхок = 8 В , Ег = 15 В (из задания ).
Uвых ос 8000 мВ
Ku ос = ((( = (((( = 5333
Eг
1.5 мВ
1
( = Ku ос = 5333
(
Найдём параметры сопротивлений R1 и R2 , задающих обратную связь.
Зависимость коэффициента обратной связи ( от сопротивлений R1 и R2 может
быть представлена следующим образом:
R1
( = (((
R1 + R2
Зададим R1 = 0.1 кОм . Тогда :
1 R1 1
(( = ((( = ((( ( 5333 = 1 + 10R2 ( 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 = ( 2 (3 дБ)
В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной
времени (нс цепи переразряда разделительной ёмкости Ср :
_________________
Мнс = ( 1 + ( 1 / ( 2((н(нс ))2
Постоянная времени (нс зависит от ёмкости конденсатора Ср и
сопротивления цепи переразряда Rраз :
(нс = Ср* Rраз
При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в нашем
случае 2) Мн равно произведению Мнс каждой ёмкости:
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 + ( ( 1+ ((в /(() - 1)(1 - Kuoк)
Здесь (( - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент
частотных искажений нагрузки Мвн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки
Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени (вн нагрузочной
ёмкости :
__________________
Мвн = ( 1 + ( 1 / ( 2((в(вн ))2
(вн = 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.
