Каталог :: Технология

: 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

1.51.054.0
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 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 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 K pок = 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= R д2= Rд . Для этого зададим ток делителя Iд, который должен удовлетворять условию: Iд ³ 10*Iбvt3 Положим Iд = 3 А и воспользуемся формулой ЕкUд (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 K u 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 Rвх ок = 8 кОм ; Uвых ос = Uвх ок = 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 М в соответственно на частотах ¦н и ¦в равены: __ Мн = Мв = Ö 2 (3 дБ) В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени t нс 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) М н 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 , Мв ок , Мвн - коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки С н . 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+ (¦вb) - 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.