Курсовая работа: Усилитель мощности

Тольяттинский политехнический институт

Кафедра «Промышленная электроника»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

“Микроэлектроника и микросхемотехника”

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Студент: Глушенков М. С.

Группа: Э-405

Вариант: 34

Преподаватель: Певчев В.П.

Тольятти, 1998

Содержание

1. Задание на курсовую работу

2. Введение

3. Основание выбора структурной и принципиальной схем

4. Расчет усилителя мощности

4.1 расчет выходного каскада

4.2 расчет предварительного усилителя

4.3 расчет токов в цепях предварительного усилителя

Выводы

Литература.

Приложения

1. Задание на курсовую работу

Разработать усилитель мощности, с использованием операционных усилителей (ОУ), класс работ АБ (вид и спад амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) не имеет значения) и имеющий следующие параметры:

выходная мощность Рвых=1 ВА;

ток нагрузки Iн=1 А;

входное напряжение Uвх=0,1 В;

диапазон частот fН=50 Гц      fВ= 500 Гц;

напряжение питания UП=±12 В.

Графическая часть курсовой работы выполняется на двух листах формата А3, содержащих структурную и принципиальную схему усилителя

2. Введение

С развит и ем м и кроэлектроник и и микросхемотехник и стали появляться новые устройства, построенн ы е на новой технологической основе - интегрально й технологии. Данное нов ш ество по з волило значительно уменьшить габариты проектируем ы х устройств, т.к . на кристале микросхемы пло щ адью не более 2 5 кв. м м можно ра з местить до 10000000 тран з исторов, что поэволяет строить на и х основе сложные, высокоточные устройства с огромными коэффициентами усиления и другими не менее вахными параметрам и. И нтегральная технолог и я после ее и зобретения разо ш лась на два направления, это аналоговые и цифровые интегральные схемы. В аналоговой интегральной схемотехнике широкое применение н а шли так называемые опера ц ионные усилители, получиваие свое название от первоначального их использован и я в устройствах выполняющих как и е-либо математические операции. На самом деле операционные усилители это усил и тели дифференциального напря ж ения с очень больш им коэффициентом усиления по напряжени и (современные ОУ ус и ливают сигнал в десятк и и сотн и тысяч ра з ) и с большим (десятк и мегаом) входным сопротивлением. На операционных ус и лителях, возмо ж но строить разнообра з ные по своему назначений устройства к примеру: интеграторы, диф ф еренциаторы, усил и тели инвертирующие и неинвертирующие, активные фильтри на RC-элементах; и это далеко не полный список устройств в которых применяются операц и онные усилители. Но так ж е как и другие устройства у операционных усилителей есть и сво и недостатки. Они и меют небольшой входной ток смещения, который необходимо ко м пенсировать, не равномерную АЧХ по всей полосе пропускания, и не очень большой по нынешн и м требованиям частотный д и апазон, также в отличие от идеального операц и онного усилителя, реальные имеют не очень большой выходной ток (5. ..5 0 мА). Но не смотря на все эт и недостатк и операц и онные усилители широко применяются в промышленной электроник и в узлах автомат и к и , усилен и я и вычислений, И в качестве примера в данной курсовой работе рассматр и вается схема усилителя мощности с пр и менен и ем операционного усилителя.

3. Основание выбора структурной и принципиальной схем

При проектировании усилителей мощности ставятся две основные задачи: обеспечение требуемой выходной мощности и поддержание данной мощности во всем диапазоне требуемых частот. Исходя из данной поставленной задачи можно получить структурную схему проектируемого усилителя (лист 1 приложения). Она состоит из:

Выходного каскада усилителя мощности

Предварительного усилителя-фильтра

Источника питания

Нагрузки.

Выходной усилитель обеспечивает усиление по току необходимое для получения необходимой мощности на нагрузке. Данный каскад должен удовлетворят следующим требованиям:

Обеспечивать необходимый коэффициент усиления по току.

Иметь большое входное и малое выходное сопротивления.

В полосе пропускания не вносить искажений выше нормы т.е. обеспечить постоянную мощность на нагрузке в полосе частот от fН до fВ .

Иметь параметры, мало зависящие от температуры окружающей среды.

Предварительный усилитель-фильтр предназначен для усиления входного сигнала по напряжению и ограничения частотного диапазона входного сигнала в пределах требуемого частотного диапазона. Предварительный усилитель должен иметь следующие характеристики:

Обеспечить необходимый коэффициент усиления по напряжению.

Ограничивать частотный диапазон входного сигнала со спадами на краях диапазона не менее 20Дб/дек.

Иметь минимальный коэффициент нелинейных искажений

Источник питания должен обеспечивать требуемые выходные напряжения и токи равные максимальному пиковому значениютока потребляемого усилителем мощности.

Также он должен иметь коэффициент пульсаций не более 1% от номинального выходного напряжения при максимальном токе нагрузки, это необходимо для минимизации искажений вносимых источником питания в выходной сигнал. Нагрузка при расчете данного усилителя считается чисто активной

Исходя из вышеперечисленных требований, предъявляемых к проектируемому усилителю, была выбрана принципиальная схема усилителя.

В качестве выходного каскада усилителя мощности в задании на курсовую работу сказано применить двухтактный эмитерный повторитель работающий в режиме А-В.

Схема двухтактного выходного каскада работающего в режиме А-В приведена на рис. 3.1.

Схема построена на двух комплиментарных транзисторах типа КТ815 и КТ814. Для уменьшения потребляемой мощности каскад питается от однополярного источника напряжения +12В. в схеме применены разделительные конденсаторы С1 и С2 обеспечивающие гальваническую развязку с предварительным усилителем и нагрузкой, а также выполняющих роль фильтра ВЧ со спадом 20 Дб/дек на частотах f<fН. С1 расчитываем исходя из сопротивления нагрузки. С помощью диодов VD1и VD2 создается компенсационное смещение на базах транзисторов для исключния в выходном сигнале искажений типа “ступенька” которая образуется вследствии нелинейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) базово-эмиттерного перехода транзисторов. Резисторы R1 и R2 задают рабочую точку транзисторов и диодов. Для одинакового усиления положительной и отрицательной полуволн входного сигнала необходимо использовать транзисторы с одинаковым коэффициентом передачи тока, а также эти транзисторы должны образовывать комплиментарную пару имея разную структуру.

Принципиальная схема предварительного усилителя-фильтра представлена на рис. 3.2. он построен в виде фильтра Баттерворта (низкой частоты) с коэффициентом усиления по напряжению больше единицы, он задается с помощью резисторов R3 и R4. Ввиду того, что требуемый спад амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) на частотах f >fВ должен быть больше 20 Дб/дек, будет использован фильтр Баттерворта второго порядка, который имеет спад 40 Дб/дек. Элементы С1, С2 и R1 и R2 рассчитываются согласно методу приведенному в [1] для частоты среза fВ . Операционный усилитель (ОУ) питается от двуполярного источника питания ± 12В. В качества ОУ выбран кристал К140УД7, обладающий хорошими частотными характеристиками, большим коэффициентом усиления и малым входным током. Причина выбора будет подробно рассмотрена в п. 4.3.


4. Расчет усилителя мощности

4.1 Расчет выходного каскада

Принципиальная схема усилителя мощности представлена на листе 2 графической части

Начальные данные:

выходная мощность РВЫХ=1 ВА;

ток нагрузки IН=1 А;

входное напряжение UВХ=0,1 В;

диапазон частот fН=50 Гц      fВ= 500 Гц;

напряжение питания UП=±12 В.

RН = UВЫХ /IВЫХ ;                                                  (4.1)

где UВЫХ –выходное напряжение

UВЫХ = РВЫХ / IН = 1/1 =1 (В)                               (4.2)

RН = 1/1=1 (Ом)

Разделительный конденсатор С4 был пасчитан из условия нижней граничной частоты fН=50 Гц

С4=1/(2*p* fН * RН*Ö(МН-1) )                             (4.3)

Где МН – коэффициент искажений вносимый данным конденсатором в схему, для усиления мощности. Примем МН=1,3. Тогда, произведя расчет, получим: С4=3832 (мкФ)

Примем С4: К50-6 4000 мкФ´ 15 В

Максимальное значение напряжения колектор-эммитер на транзисторах:

UКЭ max= ЕПИТ=12 (В)

Максимальный ток коллектора транзисторов определим по формуле

IК max = UВЫХ / RН =1/1 = 1 (А)                                      (4.4)

По последним двум параметрам выбрали транзисторы комплиментарной пары:

VT1- КТ815А               (п-р-п)

VT- КТ814А                 (р-п-р)

Их параметры идентичны и равны:

IК max= 3 (А)

bmin = 100

UКЭ max = 30 (В)

UБЭ = 0,6 (В)

Напряжение покоя на эмиттерах транзисторов равно:

UO = 0.5*ЕПИТ = 0,5*12=6 (В)                                      (4.5)

Амплитуда базового тока:

IБ max = IК max / bmin =1/100 = 10 (тА)                      (4.6)


Базовый ток был выбран по входной ВАХ транзисторов [5] по началу линейного участка характеристики.

IБо = 10-3 (А)                            UБэо = 0,7 (В)

Далее был расчитан ток покоя коллектора по формуле:

IКо­ = IБо* bmin =10-3 * 100 = 0,1 (А)                      (4.7)

По [6] были выбраны диоды VD1 и VD2 с прямым падением напряжения UVD=0.7 (В) и прямым током равным:

IVD = 1.2* IБ max = 1.2*10-2 = 12 (тА)                    (4.8)

Этим параметрам соответствуют диоды КД522А

Ток через резистор R5 рассчитан из условия

IR5 = IБо + IVD = 12*10-3 + 10-3 = 13*10-3 (А)                 (4.9)

Напряжение на резисторе R5 :

UR5 = EПИТ – UO – UБэо = 12-6-0,7=5,3 (В)                   (4.10)

Сопротивление резистора R5 равно:

R5 = UR5 / IR5 = 5.3/13*10-3 = 387 Ом                           (4.11)

Мощность выделяемая на резисторе R5:


PR5 = IR52 R5 =(13*10-3)2*387 =0.165 (Вт)           (4.12)

Исходя из идентичности плеч каскада приняли сопротивление R6=R5 и выбрали

R5=R6: МЛТ-0,25 390 Ом

Входное сопротивление каскада:

RВХ = R5/2 ll (RH*bmin ) = 66 (Ом)                       (4.13)

Амплитуда входного тока:

IВХmax= IБМ + IR5 = 10-2+13*10-3 =23*10-3 (А)       (4.14)

Амплитуда входного напряжения каскада

UВХmax = IВХ * RВХ + UВЫХ = 23*10-3*66+1=2,083 (В)  (4.15)

Коэффициент усиления выходного каскада по напряжению

KU = UВЫХ / UВхmax = 1 / 2,083 = 0,48                           (4.16)

Емкость конденсатора С3 :

С3=1/(2*p* fН * RВХ*Ö(МН-1) )                                     (4.17)

МН=1,04 – коэффициент вносимых искажений для предварительного усилителя


С3=168*10-6 Ф

Выбираем С3: К50-16 200 мкФ ´ 15 В

Схема выходного каскада усилителя мощности
 


Рис 3.1
 


4.2 Расчет предварительного усилителя

 

Изначально необходимо расчитать коэффициент усиления по напряжению предварительного усилителя по формуле

А = КUобщ / КU                                                                (4.18)

Где КUобщ – коэффициент усиления по напряжению всего усилителя мощности.

КUобщ = UВЫХ / UВХ =1 / 0,1=10                                     (4.19)

А=10 / 0,48 =20,83

Расчет фильтра производим по методике [1] согласно которой сначала выбираем конденсатор С1 из условия:

С1= 10-5 / fСР                                                                                             (4.20)

Где fСР=fВ –частота среза фильтра.

С1=10-5 / 500 = 20*10-9 (Ф)

Выбираем С1: К72П-3 22 (нФ)

Емкость конденсатора С2 расчитывается по формуле:

С2 = (А-1+в2/4с )*С1                                          (4.21)

Где с и в – коэффициенты для фильтра Баттерворта второго порядка (из [таблица 3.1:1]).        в=1,414 ; с=1

С2=0,4*10-6 (Ф)

Выбираем С2: К 70-8 0,4(мкФ)

Сопротивление R1 рассчитаем из условия:


R1 = (1/p*fC C1) / (в+Ö(в2 + 4*с*(А-1-С2/С1 )))=12400 (Ом)                   (4.22)

Выбираем R1: МЛТ –0,125 12 (кОм)

Сопротивление R2 определяется как

R2=1/(c*C1*C2*R1*(2*p*fC)2) = 1021 (Ом)                          (4.23)

Выбираем R2 : МЛТ –0,125 1 (кОм)

Исходя из значения коэффициента усиления А рассчитаем значения сопротивлений резисторов R3 и R4.

R3 = А*(R1+R2)/(А-1)= 13655 (Ом)                                               (4.23)

Выбираем R3 : МЛТ - 0,125 13 (кОм)

R4 = А*(R1+R2) = 270790 (Ом)                                            (4.24)

Выбираем R4 : МЛТ – 0,125 270 (кОм)

Схема усилителя-фильтра
 

Рис 2.2
 


 

 



4.3 Расчет токов в цепях предварительного усилителя

Для расчета токов выберем ОУ применяемый в предварительном каскаде К140УД7. И оновременно проверим возможность его эксплуатации в данной роли. Его характеристики:

UПИТ =± 12 (В)                                           IВХ = 200 (нА)

RВХ = 3 (МОм)                                           IПОТ=2,8 (мА)

KУ U =50000          fКР =0,8 (МГц)              IВЫХ=30 (мА)

Ввиду того, что входное сопротивление велико входным током ОУ можно пренебречь.

Расчет токов произведем на частоте fВ­ и для нее расчитаем реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2.

ХС1 = 1/(2*p* fВ­*С1) = 16000 (Ом)                                        (4.25)

ХС2 =1/(2*p* fВ­*С1) = 795 (Ом)                                             (4.26)

Для расчета токов составим схему замещения рис 4.3.

На схеме:

UВХ = 0,1 (В);                                   UВЫХ ОУ = UВХ * А = 2,083 (В)

 R1’= R1=12 (кОм);                R2=R2+ХС2 =1000+795=1795 (Ом)

R3’=ХС1=16 (кОм);                 R4’= R3 + R4 = 283 (кОм)

По законам Кирхгофа составим систему уравнений

I1 + I3 – I2 = 0

I1*R1+ I2*R2 = UВХ

I2*R2+ I3*R3=UВЫХ ОУ

I­4*R4= UВЫХ ОУ

 

решив данную систему получили следующие значения токов:

I1= 8 (мкА)           I2= -110 (мкА)              I3= -118 (мкА)

I4= 7,36 (мкА)

Полученные токи, которые в 40 раз превосходят входной ток ОУ, но в 7 раз меньше максимального выходного, позволяют считать расчет верным т.к входной ток ОУ практически не оказывает влияния на токи в цепях предварительного усилителя-фильтра, а выходной ток не превышает максимально допустимый.

Эквивалентная схема для расчета токов
 


 

 

Рис 4.3
 
 



Выводы

Расчитав схему усилителя мощности убедился, в том, что с применением операционных усилителей можно создавать малогабаритные устройства с хорошими характеристиками и малым числом дискретных элементов. Расчитанный усилитель обладает всеми параметрами представленным в задании и обеспечивает на активной нагрузке сопротивлением 1 Ом выходную мощность 1 Вт, при амплитуде входного напряжения 0,1 В, усилитель работает в частотном диапазоне 50…500 Гц и обеспечивает спад АЧХ на границах не менее 20 Дб/дек.

Данный усилитель построен с применением в качестве предъварительного усилителя-фильтра схемы фильтра НЧ Батерворта второго порядка. В качестве выходного каскада был применен двухтактный каскад на комплиментарных транзисторах, работающих в режиме А-В.

Запитывается усилитель от двуполярного источника питания с выходным напряжением ± 12 (В).


Литература

[1] “Интегральная электроника в измерительных устройствах” – Л,: Энергоатомиздат, 1988,- 304 с,: ил

[2] Хоровиц П., Хилл У., “Искуство схемотехники” пер. с англ.-М: Мир, 1983.-Т.1.598 с., ил.

[3] М.Н. Дьяконов, В.И. Кабабанов. – М.: Радио и связь,1983.-576с., ил

[4] А.Л. Булычев, В.Н. Галкин. “Аналоговые интегральные схемы”.- Минск., Беларусь; 1993

[5] “Справочник по транзисторам” / К.М. Брежнева, Е.И. Гатман и др. – М.радио и связь, 1981.-656с., ил

[6] “Диоды”: Справочник/А.В. Баюков, А.А. Зайцев.-М.: энергоатомиздат, 1982.- 744с.,ил