Реферат: 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:

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 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 своём 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” K_u £ 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 C _р . В качестве источника питания применён 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 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 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 нём 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 всё же I _Б0 > 0 . Нелинейные искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ , относительно невелики (K _г £ 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 нагрузкеU _н . Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:

U _н ² _ _____ ______________

P_н =¾¾¾ÞU _н = Ö 2R _н P _н = Ö 2*4 Ом * 5 Вт = 6.32 В

2R _н

1.2 Найдём 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 расчёт оконечного каскада

Для упрощения расчёта проведём 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). Произведём предварительный расчёт энергетических параметров верхнего плеча бустера (см рис. 3.1 ).

Рис. 3.1

2.2 Найдём входную мощность оконечного каскада P _вх . Для этого нужно сначала расчитатькоэффициент усиления по мощности оконечного каскадаK_p ^ок , который равен произведениюкоэффициента усиления по току K_i на коэффициент усиления по напряжениюK_u :

K_p ^ок = K_i * K_u

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

K_p ^ок » K_i

Поскольку K_i = b +1 имеем:

K_p ^ок » b +1

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

Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

P _н

K_p ^ок = ¾¾

P _вх

P _н

получим P _вх = ¾¾ , а с учётом предыдущих приближений

K_p ^ок

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 нагрузкиR_{min 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 расчёт 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. 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 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

Е_к – U _д (15– 0.6) В

R _д = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом

I _д 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 напряжениюK_u ^оу1 равен 3*10⁴ . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

K_u ^оу = K_u ^оу1 * K_u ^оу2 = 9*10⁸

Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной связью K_{u ос} равен:

U _{вых ос} К _u ( K_u ^оу1 * K_u ^оу2 * K_u ^ок ) 1

K_{u ос} = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ » ¾

E _г 1 + c K_u 1 + c ( K_u ^оу1 * K_u ^оу2 * K_u ^ок ) 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 R _н ^экв º R _вх ^ок = 8 кОм ; U _{вых ос} = U _вх ^ок = 8 В , Е_г = 15 В (из задания ).

U _{вых ос} 8000 мВ

K_{u ос} = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333

E _г 1.5 мВ

1

¾ = K_{u 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 + 10 R₂ Þ R₂ = 540 кОм

K_{u 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 М_н и М_в соответственно на частотах ¦ _н и ¦ _в равены:

__

М_н = М_в = Ö 2 (3 дБ )

В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени t _нс цепи переразряда разделительной ёмкости С_р :

_________________

М_нс = Ö 1 + ( 1 / ( 2 p ¦ _н t _нс ))²

Постоянная времени t _нс зависит от ёмкости конденсатора С_р и сопротивления цепи переразряда R _раз :

t _нс = С_р * R _раз

При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в нашем случае 2) М_н равно произведению М_нс каждой ёмкости:

М_н = М_нс1 * М_нс2

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:

М_{в ум} = М_в1 * М_в2 * М_в ^ок * М_вн

Здесь М_в1 , М_в2 , М_в ^ок , М_вн - коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки С_н . Если K_{u оу} выбран на порядок больше требуемого усиления каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( М_в1 = М_в2 = 1 ).

Коэффициент искажений оконечного каскада задаётся формулой:

_________

М_в ^ок = 1 + ( Ö 1+ ( ¦ _в / ¦ _b ) - 1)(1 - K_u ^{o к} )

Здесь ¦ _b - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки М_вн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки С_н в области высоких частот зависит от постоянной времени t _вн нагрузочной ёмкости :

__________________

М_вн = Ö 1 + ( 1 / ( 2 p ¦ _в t _вн ))²

t _вн = С_н * ( 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 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

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.