CBRR1574 (Проектирование усилителя мощности на основе ОУ)

16

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 выходным R_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 и D , 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 и U_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 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 нагрузке U_н . Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:

U_н² ______ ______________

P_н = ¾¾¾ Þ U_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 расчитать коэффициент усиления по мощности оконечного каскада K_p^ок , который равен произведению коэффициента усиления по току K_i на коэффициент усиления по напряжению K_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 b велико, 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

Pн Pвх = ¾¾ b

5000 мВт = ¾¾¾¾¾ = 160 мВт 30

1. 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 (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^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 R_{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 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

1. Окончательный расчёт оконечного каскада

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