Проектирование усилителя мощности на основе ОУ
«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
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 ?, 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 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 ? 1%) низким КПД (? <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 ? не имеют решающего значения.
Режим класса В характеризуется большим уровнем нелинейных искажений (Kг ? 10%) и относительно высоким КПД (? <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 ? 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 = ??? ==> Uн = ? 2Rн Pн = ? 2 * 4 Ом * 5 Вт = 6.32 В
2Rн
1.2 Найдём значение амплитуды тока на нагрузке Iн :
Uн 6.32 В
Iн = ??? = ???? = 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 = ?+1 имеем:
Kpок ? ?+1
Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем ? = 30. Поскольку ? велико, можно принять Kpок = ?+1 ? ?. Отсюда Kpок = 30.
Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения
Pн
Kpок = ??
Pвх
Pн
получим Pвх = ??, а с учётом предыдущих приближений
Kpок
PнPвх = ?? ? 5000 мВт= ????? = 160 мВт 30
2.3 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 :
Iк
Iб = ???, т.к. Iн = Iкvt1 получим :
1+?
Iн Iн 1600 мА
Iбvt1 = ??? ? ??? = ???? = 52 мА
1+?vt1 ?vt1 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 = ??? = ??? = ???? = 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
4.
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 = ??? ? ??? = ???? = 3.2 мВт
?vt3+1 ? 50
3.2 Определим амплитуду тока базы Iбvt3 транзистора VT3. Поскольку Iкvt3 ? Iбvt1 имеем :
Iкvt3 Iбvt1 52 мА
Iбvt3 = ??? ? ??? = ??? ? 1 мА
1+?vt3 ?vt3 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 = ??? = ??? = 8 кОм
Iбvt3 1 мА
Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию
Rвхок ? 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= Rд2= Rд. Для этого зададим ток делителя Iд, который должен удовлетворять условию:
Iд ? 10*Iбvt3
Положим Iд = 3 А и воспользуемся формулой
Ек – Uд (15 – 0.6) В
Rд = ???? = ?????? = 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 = ??? = ???? = ??????????? ? ?
Eг 1 + ?Ku 1 + ?( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) ?
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 ? Rвхок = 8 кОм ; Uвых ос = Uвхок = 8 В, Ег = 15 В (из задания ).
Uвых ос 8000 мВ
Ku ос = ??? = ???? = 5333
Eг 1.5 мВ
1
? = Ku ос = 5333
?
Найдём параметры сопротивлений R1 и R2, задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи ? от сопротивлений R1 и R2 может быть представлена следующим образом:
R1
? = ???
R1 + R2
Зададим R1 = 0.1 кОм. Тогда :
1 R1 1
?? = ??? = ??? ==> 5333 = 1 + 10R2 ==> 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 Мв соответственно на частотах ?н и ?в равены:
__
Мн = Мв = ? 2 (3 дБ)
В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени ?нс цепи переразряда разделительной ёмкости Ср :
_________________
Мнс = ? 1 + ( 1 / ( 2??н?нс ))2
Постоянная времени ?нс зависит от ёмкости конденсатора Ср и сопротивления цепи переразряда Rраз :
?нс = 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 + ( ? 1+ (?в /??) - 1)(1 - Kuoк)
Здесь ?? - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки Мвн, определяемый влиянием ёмкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени ?вн нагрузочной ёмкости :
__________________
Мвн = ? 1 + ( 1 / ( 2??в?вн ))2
?вн = 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.
9