Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

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:

|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 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. 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

| | 5000 мВт |

|Pн |= ((((( = 160 мВт |

|Pвх = ((|30 |

| | |

|( | |

3 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

3. Окончательный расчёт оконечного каскада

1 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

2 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).

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 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

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 = ( 2 (3 дБ)

В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной

времени (нс цепи переразряда разделительной ёмкости Ср :

_________________

Мнс = ( 1 + ( 1 / ( 2((н(нс ))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 / ( 2((в(вн ))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

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.