Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

TYPE=RANDOM FORMAT=PAGE>17

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:

E>г>> ,> мВ	R>г , >кОм	P>н , >Вт	R>н , >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 R_>вых>= R_{>н .} >

_> >Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность P_>н> , коэффициент полезного действия h , коэффициент нелинейных искажений K_>г >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 R_>вх> и малым выходным R_>вых >сопротивлениями), к тому же каскад ОК имеет малые частотные искажения и малые коэффициенты нелинейных искажений. Коэффициент усиления по напряжению каскада “общий коллектор” K_>u>_> >£ 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 C_>р>_> >. 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 (K_>г> £ 1%) низким КПД (h <0,4). На выходной вольт-амперной характеристике (ВАХ) транзистора (см. рис. 2.1) в режиме класса А рабочая точка ( I_>K0 >и U_>K>_>Э0>) 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 P_>н > и h не имеют решающего значения.

Режим класса В характеризуется большим уровнем нелинейных искажений (K_>г> £ 10%) и относительно высоким КПД (h <0,7). Для этого класса характерен I_>Б0 >= 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 I_>Б0 > (рис. 2.3), выводящий основную часть рабочей полуволны U_>вх > на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Так как I_>Б0 > мал, то h здесь выше, чем в классе А , но ниже, чем в классе В , так как всё же I_>Б0 >> 0. Нелинейные искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ , относительно невелики (K_>г> £ 3%) .

В данном курсовом проекте режим класса АВ задаётся делителем на резисторах R_>3 >- R_>4 > и кремниевых диодах VD_>1>-VD_>2 >.

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 U_>н >. Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:

U_>н>² ______ ______________

P_>н >= ¾¾¾ Þ U_>н> = Ö 2R_>н >P_>н>_> >= Ö 2 * 4 Ом * 5 Вт = 6.32 В

2R_>н>

1.2 Найдём значение амплитуды тока на нагрузке I_>н >:

_> >U_>н >6.32 В

_> >I_>н >= ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 1.16 А

R_>н >4 Ом

2. Предварительный расчёт оконечного каскада

Для упрощения расчёта проведём его сначала для режима В.

2.1 По полученному значению I_>н >выбираем по таблице ( I_{>к ДОП} >> I_>н>) 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 P_>вх >. Для этого нужно сначала расчитать коэффициент усиления по мощности оконечного каскада K_>p>^ок , который равен произведению коэффициента усиления по току K_>i >на коэффициент усиления по напряжению K_>u >:

K_>p>^ок = K_>i> * K_>u>

Как известно, для каскада ОК K_>u>_> >£ 1 , поэтому, пренебрегая K_>u>_> >,_> >можно записать:

K_>p>^ок » K_>i>

Поскольку K_>i>_> >= b+1 имеем:

K_>p>^ок » b+1

Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем b = 30. Поскольку b велико, можно принять K_>p>^ок = b+1 » b. Отсюда K_>p>^ок = 30 .

Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

P_>н>

K_>p>^ок = ¾¾

P_>вх>

P_>н>

получим P_>вх >= ¾¾ , а с учётом предыдущих приближений

K_>p>^ок

P>н> P>вх >= ¾¾ b

5000 мВт = ¾¾¾¾¾ = 160 мВт 30

Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 I_>б>^vt1 :

I_>к>

I_>б> = ¾¾¾ , т.к. I_>н >= I_>к>^vt1 получим :

1+b

I_>н>_> >_> >I_>н>_> >_> >_> >1600 мА_> >_> >

I_>б>^vt1 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 52 мА

1+b^vt1 b^vt1 30

2.4 Определим по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем

переходе U_>бэ >_> >(cм. рис 3.2)

рис 3.2

Отсюда находим входное напряжение U_>вх>^vt1

U_>вх>^vt1 = U_>бэ>^vt1 + U_>н > = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В

2.5 Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера R_>вх>_> >:

U_>вх >_> >_> >_> >U_>вх >_> >7.6 В

R_>вх>_> >= ¾¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом

I_>вх>^vt1 I_>б>^vt1 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 R_>min >_>оу >= 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивление R_>вх>_> >). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 I_>б>^vt1 (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 P_>вх>^ок полученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1 P_>вх > мы посчитали в пункте 2.2 , получим :

P_>вх>_> >P_>вх>_> >160 мВт

P_>вх>^ок = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2 мВт

b^vt3+1 b 50

Определим амплитуду тока базы I_>б>^vt3 транзистора VT3. Поскольку I_>к>^vt3 » I_>б>^vt1 имеем :

I_>к>^vt3 I_>б>^vt1 52 мА

I_>б>^vt3 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾ » 1 мА

1+b^vt3 b^vt3 50

3.3 Определим по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на управляющем переходе U_>бэ>^vt3 (см. рис. 3.4 ). Поскольку U_>бэ>^vt3 = 0.6 В , для входного напряжения оконечного каскада U_>вх>^ок имеем:

U_>вх>^ок = U_>н >+ U_>бэ>^vt1 + U_>бэ>^vt1 = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В

рис 3.4

3.4 Определим входное сопротивление оконечного каскада R_>вх>^ок :

U_>вх>^ок 8 В

R_>вх>^ок = ¾¾¾ = ¾¾¾ = 8 кОм

I_>б>^vt3 1 мА

Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

R_>вх>^ок ³ R_>н >_>min >_>оу>

где R_>н >_>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 U_>д> = 0.6 В

Расчитаем сопротивления делителя R_>д>_>1>=_> >R_>д>_>2>= R_>д >. Для этого зададим ток делителя I_>д>, который должен удовлетворять условию:

I_>д>_> >_> >³ 10*I_>б>^vt3

Положим I_>д>_> >= 3 А и воспользуемся формулой

Е_>к> – U_>д >_> >(15_> >– 0.6) В

R_>д> = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом

I_>д >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 R_>1>_> >и R_>2 >_> >(см. схему на рис. 6 ).

Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжению K_>u>^оу1 равен 3*10⁴ . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

K_>u>^оу = K_>u>^оу1 * K_>u>^оу2 = 9*10⁸

Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной связью K_>u >_>ос > равен:

U_{>вых ос} >_> >_> >К_>u> ( K_>u>^оу1_> >* K_>u>^оу2 * K_>u>^ок) 1

K_>u>_{> ос} >= ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ » ¾

E_>г >1 + cK_>u>_> >_> >_> >_> >1 + c( K_>u>^оу1_> >* K_>u>^оу2 * K_>u>^ок) 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 R_>н>^экв º R_>вх>^ок = 8 кОм ; U_{>вых ос}> = U_>вх>^ок = 8 В , Е_>г> = 15 В (из задания ).

U_{>вых ос} >8000 мВ

K_>u>_{> ос} >= ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333

E_>г >1.5 мВ

1

¾ = K_>u>_{> ос}> = 5333

c

Найдём параметры сопротивлений R_>1>_> >и R_>2 >, задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от сопротивлений R_>1>_> >и R_>2>_> >может быть представлена следующим образом:

R_>1>

c = ¾¾¾

R_>1>_> >+ R_>2>

_> >Зададим R_>1>_> >= 0.1 кОм . Тогда :

1 R_>1>_> > 1

¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾ Þ 5333 = 1 + 10R_>2>_> >Þ R_>2>_> >= 540 кОм

K_>u>_{> ос}> R_>1>_> >+ R_>2>_> >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 М_>н> и М_>в> соответственно на частотах ¦_>н>_> >и ¦_>в > равены:

__

М_>н> = М_>в >= Ö 2 (3 дБ)

В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени t_>нс >цепи переразряда разделительной ёмкости С_>р> :

_________________

М_>нс> = Ö 1 + ( 1 / ( 2p¦_>н>t_>нс >))²

Постоянная времени t_>нс > зависит от ёмкости конденсатора С_>р> и сопротивления цепи переразряда R_>раз >:

t_>нс> = С_>р>* R_>раз>

_> >При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в нашем случае 2) М_>н> равно произведению М_>нс > каждой ёмкости:

М_>н> = М_>нс1 >* М_>нс2>

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:

М_{>в ум}> = М_>в1 >* М_>в2 >* М_>в>^ок * М_>вн>

_> >Здесь М_>в1 >, М_>в2 >, М_>в>^ок , М_>вн >- коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки С_>н> . Если K_>u>_{> оу} > выбран на порядок больше требуемого усиления каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( М_>в1 >= М_>в2> = 1).

Коэффициент искажений оконечного каскада задаётся формулой:

_________

М_>в>^ок = 1 + ( Ö 1+ (¦_>в>_> >/¦_>b>) - 1)(1 - K_>u>^oк)

Здесь ¦_>b> - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки М_>вн> , определяемый влиянием ёмкости нагрузки С_>н> в области высоких частот зависит от постоянной времени t_>вн >нагрузочной ёмкости :

__________________

М_>вн> = Ö 1 + ( 1 / ( 2p¦_>в>t_>вн >))²

t_>вн> = С_>н>* (R_>вых>^ум | | R_>н>)

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	R>1>	Резистор МЛТ-0.5 - 0.1 кОм ± 10 %	1
2	R>2>	Резистор МЛТ-0.5 - 540 кОм ± 10 %	1
3	R>д>	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.