Технология

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  (( <0,4). 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


|          |      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.


смотреть на рефераты похожие на "Проектирование усилителя мощности на основе ОУ"