Реферат Проектирование усилителя мощности на основе ОУ
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
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
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 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 выходнымR
вых 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 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 иD
, 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 иU
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 Pн 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 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 нагрузкеU
н . Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:
U
н
2
_
_____
______________
Pн = ¾¾¾ Þ Uн
=
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 Iн 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 Kpок , который равен произведению коэффициента усиления по току Ki на коэффициент усиления по напряжению Ku :
Kp
ок
= Ki
*
Ku
Как известно, для каскада ОК Ku
£
1 , поэтому, пренебрегая Ku
, можно записать:
Kp
ок
»
Ki
Поскольку Ki
=
b
+1 имеем:
Kp
ок
»
b
+1
Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем b
= 30
.
Поскольку b
велико, можно принять Kp
ок
=
b
+1
»
b
. Отсюда Kpок
= 30 .
Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения
Pн
Kp
ок
=
¾¾
P
вх
P
н
получим P
вх
=
¾¾ , а с учётом предыдущих приближений
Kp
ок
| P н P вх = ¾¾ b | 5000 мВт = ¾¾¾¾ ¾ = 160 мВт 30 |
2.3 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
(c
м
.
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 Rmin
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
3.
Окончательный расчёт оконечного каскада
3.1 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
3.2 Определим амплитуду тока базы Iб
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
Iб
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).
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 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
Ек – 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 R1 и R2
(см. схему на рис. 6 ).
Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжению Ku
оу1 равен 3*104 . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :
Ku
оу
=
Ku
оу1
*
Ku
оу2
= 9*108
Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной связью Ku
ос равен:
U
вых ос
К
u
( Ku
оу1
*
Ku
оу2
*
Ku
ок
) 1
Ku
ос
=
¾¾¾
=
¾¾¾¾
=
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
»
¾
Eг
1 +
c
Ku
1 +
c
( Ku
оу1
*
Ku
оу2
*
Ku
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 , Ег = 15 В (из задания ).
U
вых ос
8000 мВ
Ku
ос
=
¾¾¾
=
¾¾¾¾
= 5333
E
г
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 + 10
R2
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 Мв 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
/ ( 2
p
¦
н
t
нс
))2
Постоянная времени t
нс
зависит от ёмкости конденсатора Ср и сопротивления цепи переразряда R
раз
:
t
нс
= Ср*
R
раз
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 + (
Ö
1+ (
¦
в
/
¦
b
) - 1)(1 - Kuo
к
)
Здесь ¦
b - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки Мвн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени t
вн нагрузочной ёмкости :
__________________
Мвн =
Ö
1 + ( 1
/ ( 2
p
¦
в
t
вн
))2
t
вн
= Сн* (
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 | R1 | Резистор МЛТ-0.5 - 0.1 кОм ± 10 % | 1 |
| 2 | R2 | 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
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.
