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 условиеRвых= Rн . Основными показателями
усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная
мощностьPн , 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 К140УД6и 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 входнымRвх 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 конденсаторCр . В
качестве источника питания применён двухполярный источник с
напряжениемEк = ± 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
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
токIБ0 (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
каскадаKpок , 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 получаемb = 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 К140УД6полученное входное
сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (дляК140УД6
минимальное сопротивление нагрузки Rmin оу = 1 кОм ), поэтому для
построения оконечного каскада выбираем составную схему включения
(чтобы увеличить входное сопротивлениеRвх ). 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 Pвхокполученного составного оконечного
каскада. Исходя из того, что мощность на входе транзистораVT1 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 диодыКД-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
УМобщей 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
усилительК140УД6 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
связьюKu 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
нагрузкиСн . 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 нагрузкиМвн , 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.
Проектирование усилителя мощности на основе ОУ
119
0
9 минут
Понравилась работу? Лайкни ее и оставь свой комментарий!
Для автора это очень важно, это стимулирует его на новое творчество!