Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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 , 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
|
Pн Pвх = |
5000 мВт = = 160 мВт 30 |
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
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 = = = 3.2 мВт
vt3+1 50
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).
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
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 / ( 2ннс ))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 / ( 2ввн ))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
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.