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 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” 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 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 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
=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 каскадаKp
ок
, который равен произведениюкоэффициента усиления по току Ki
на коэффициент усиления по напряжениюKu
:
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 Kp
ок
= 30 .
Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения
P
н
Kp
ок
=
¾¾
P
вх
P
н
получим P
вх
=
¾¾
, а с учётом предыдущих приближений
Kp
ок
P
P
b
|
5000 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
2.4Определим 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 нагрузкиRmin
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
(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
+1b
50
3.2 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
напряжениена 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
8В
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
).
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
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 напряжениюKu
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
E
г
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
* Мв
ок
* Мвн
Здесь Мв1
, Мв2
, Мв
ок
, 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:
_________
Мв
ок
= 1 + (
Ö
1+ (
¦
в
/
¦
b
) - 1)(1 - Ku
o
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.