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:

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 нарис.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” 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 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_KЭ0) 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 hне 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 hздесь 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_н²______ ______________

P_н =¾¾¾ÞU_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 расчитатькоэффициент усиления по мощности оконечного каскадаK_p^ок , который равен произведениюкоэффициента усиления по току K_i на коэффициент усиления по напряжениюK_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 bвелико, 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

2.3 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 I_б^vt1 :

I_к

I_б = ¾¾¾ , т.к. I_н = I_к^vt1получим :

1+b

I_нI_н1600 мА

I_б^vt1= ¾¾¾»¾¾¾= ¾¾¾¾ = 52 мА

1+b^vt1b^vt130

2.4Определим 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^vt15.2*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 нагрузкиR_{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 паруна 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_вхP_вх160 мВт

P_вх^ок= ¾¾¾»¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2мВт

b^vt3+1b 50

3.2 Определим амплитуду тока базы I_б^vt3транзистора VT3. Поскольку I_к^vt3» I_б^vt1 имеем:

I_к^vt3I_б^vt152 мА

I_б^vt3 = ¾¾¾»¾¾¾ = ¾¾¾»1 мА

1+b^vt3 b^vt3 50

3.3 Определим по входной ВАХ транзистора VT3напряжениена управляющем переходе U_бэ^vt3 (см. рис. 3.4 ). Поскольку U_бэ^vt3 = 0.6 В , для входного напряжения оконечного каскада U_вх^окимеем:

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^ок8В

R_вх^ок =¾¾¾= ¾¾¾= 8 кОм

I_б^vt3 1 мА

Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

R_вх^ок ³R_{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 которыхU_д = 0.6 В

Расчитаем сопротивления делителя R_д1=R_д2= R_д . Для этого зададим ток делителя I_д, который должен удовлетворять условию:

I_д³10*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 R₁и R₂ (см. схему на рис. 6 ).

Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжениюK_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_u1 + 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^эквºR_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 R₁и R₂ , задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от сопротивлений R₁и R₂может быть представлена следующим образом:

R₁

c = ¾¾¾

R₁+R₂

Зададим R₁= 0.1 кОм . Тогда :

1 R₁ 1

¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾Þ 5333 = 1 + 10R₂ÞR₂= 540 кОм

K_{u ос}R₁+R₂5333

6. Оценка влияния параметров усилителя на завал АЧХ в области верхних и нижних частот

Усилитель мощности должен работать в определённой полосе частот ( от ¦_ндо ¦_в ) . Такое задание частотных характеристик УМ означает, что на граничных частотах ¦_ни ¦_в усиление снижается на 3 дБ по сравнению со средними частотами, т.е. коэффициенты частотных искажений М_н и М_всоответственно на частотах ¦_ни ¦_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¦_нt_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¦_вt_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

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.