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:

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

Расчёт амплитудных значений тока и напряжения .............................. 6
Предварительный расчёт оконечного каскада ...................................... 6
Окончательный расчёт оконечного каскада ......................................... 9
Задание режима АВ. Расчёт делителя .................................................. 10
Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС ................................ 11
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 Ј 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 Ј 1%) низким КПД (h . 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 Ј 10%) и относительно высоким КПД (h . 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 Ј 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 = ѕѕѕ Ю Uн = Ц 2Rн Pн = Ц 2 * 4 Ом * 5 Вт = 6.32 В

2Rн

1.2 Найдём значение амплитуды тока на нагрузке Iн :

Uн 6.32 В

Iн = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 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 Ј 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 = ѕѕ

Pвх

Pн

получим Pвх = ѕѕ , а с учётом предыдущих приближений

Kpок

Pн

Pвх = ѕѕ

b

5000 мВт

= ѕѕѕѕѕ = 160 мВт

30

Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 :

Iк

Iб = ѕѕѕ , т.к. Iн = Iкvt1 получим :

1+b

Iн Iн 1600 мА

Iбvt1 = ѕѕѕ » ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 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 = ѕѕѕ = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 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

Окончательный расчёт оконечного каскада

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 = ѕѕѕ » ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 3.2 мВт

bvt3+1 b 50

Определим амплитуду тока базы Iбvt3 транзистора VT3. Поскольку Iкvt3 » Iбvt1 имеем :

Iкvt3 Iбvt1 52 мА

Iбvt3 = ѕѕѕ » ѕѕѕ = ѕѕѕ » 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 = ѕѕѕ = ѕѕѕ = 8 кОм

Iбvt3 1 мА

Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

Rвхок і Rн min оу

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

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 і 10*Iбvt3

Положим Iд = 3 А и воспользуемся формулой

Ек – Uд (15 – 0.6) В

Rд = ѕѕѕѕ = ѕѕѕѕѕѕ = 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 = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = ѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕ » ѕ

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 є Rвхок = 8 кОм ; Uвых ос = Uвхок = 8 В , Ег = 15 В (из задания ).

Uвых ос 8000 мВ

Ku ос = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 5333

Eг 1.5 мВ

1

ѕ = 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 = ѕѕѕ

R1 + R2

Зададим R1 = 0.1 кОм . Тогда :

1 R1 1

ѕѕ = ѕѕѕ = ѕѕѕ Ю 5333 = 1 + 10R2 Ю R2 = 540 кОм

Ku ос R1 + R2 5333

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 = Ц 2 (3 дБ)

В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени tнс цепи переразряда разделительной ёмкости Ср :

_________________

Мнс = Ц 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 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 + ( Ц 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 = Ц 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

Д. В. Игумнов, Г.П. Костюнина - “Полупроводниковые устройства

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

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

курсовому проектированию - М: МИРЭА, 1985 г.

Н.Н. Горюнов - “ Полупроводниковые приборы: транзисторы”

Справочник - М: “Энергоатомиздат”, 1985 г.