Реферат: Проектирование усилителя мощности на основе ОУ
Реферат: 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
|
1.5 |
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 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
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
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
Ј
1%)
низким КПД (h
.
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
Ј
10%) и
относительно
высоким КПД
(h
.
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
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
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
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 получаем
b
= 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
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
Окончательный
расчёт оконечного
каскада
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
=
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
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
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 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 = 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
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 + ( Ц
1+ (¦в
/¦b)
- 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
= 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.
|