Усилитель мощности класса Б КУРСАЧ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА БІОМЕДИЧНОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

















КУРСОВА РОБОТА

 по курсу:         Проектування біомедичної апаратури

на тему:                Підсилювач  потужності класу B               .            



























Київ 2006 р.



Содержание



Введение

3

Расчет усилителя мощности класса B

6

Схема электрическая принципиальная

8

Моделирование в PSpice

9

Практическая часть

11

Выводы

12

Литература

13







































































Введение

            

В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются великим 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 количество и тип основных элементов - интегральных операционных усилителей. После этого следует выбрать принципиальную схему  предварительного усилительного каскада на ОУ.  Затем необходимо рассчитать корректирующие элементы, задающие режим усилителя (в нашем случае режим В ) 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. 

В общем случае структурная схема усилителя мощности может быть представлена на рисунке.





Входная цепь коррекции и согласования совместно с входным транзистором образуют входной каскад, межкаскадная корректирующая цепь (КЦ) и выходной транзистор образуют выходной каскад. При необходимости между входным и выходным каскадом может быть включен один или несколько промежуточных каскадов. Входная цепь коррекции и согласования предназначена для согласования входного сопротивления усилителя мощности с выходным сопротивлением модулятора и формирования заданной амплитудно-частотной характеристики входного каскада. Наибольшее распространение в настоящее время получила реализация входной цепи коррекции и согласования в виде последовательного соединения аттенюатора и КЦ той же структуры, что и межкаскадная КЦ. Межкаскадная КЦ предназначена для формирования заданной амплитудно-частотной характеристики выходного каскада. Согласующе-фильтрующее устройство служит для устранения влияния реактивной составляющей выходного импеданса транзистора на уровень выходной мощности выходного каскада, для реализации оптимального, в смысле достижения выходной мощности, сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора выходного каскада, для обеспечения заданного уровня внеполосных излучений радиопередающего устройства.















Расчет усилителя мощности класса B



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.1.1 , основой которой является предварительный усилительный каскад на операционном усилителе  LM324N  и оконечный каскад (бустер) на двух комплементарных парах биполярных транзисторов(n-p-n BC547C и p-n-p BC557C).

Основной каскад усилителя, показанного на рис. 1.1, выполнен на 4-х транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4 включенных по схеме комплементарных пар эмиттерного повторителя, работающего в режиме В.





Рис.1.1. Схема усилителя мощности класса B



В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов - каждый из них усиливает свою "половинку" сигнала. То есть при наличии входного сигнала транзисторы работаю поочередно – для положительных полуволн работает транзисторы n-p-n (VT1 и VT3), а для отрицательных p-n-p (VT2 и VT4). В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. 

Давайте посмотрим, как у нас обстоит дело с потребляемой мощностью, КПД, и нагревом транзисторов. 

Для начала введем некий коэффициент а – так называемый, коэффициент использования. 

 

то есть отношение выходного напряжения в данный момент к максимальному выходному напряжению. Этот коэффициент показывает загруженность усилителя работой в данный момент. 

Итак, выходная мощность считается по следующей формуле:

                                 

мощность рассеяния рабочего транзистора, приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной): 



потребляемая мощность: 



В нашем случае потребляемая мощность возрастает по мере роста входного сигнала и соответственно, выходной мощности. Максимальная потребляемая мощность при а=1 достигает
            

КПД. Работа транзисторов выходного каскада в режиме усиления тока и напряжения обеспечивает максимальный КПД выходного каскада, поскольку в этом случае напряжение насыщения транзисторов минимально и максимальное значение амплитуды выходного сигнала приближается к напряжению питания. Как и при коррекции искажений с использованием прямой связи, усилитель мощности, построенный по предложенной схеме, должен иметь достаточно глубокую ООС, обеспечивающую малые нелинейные искажения в широком динамическом диапазоне выходных сигналов. Очевидно, что наилучшим образом решить эту задачу позволяют современные, быстродействующие ОУ.

КПД также прирастает с ростом уровня сигнала и достигает 78,5%. 

Посмотрим на искажения. 





Усилители, имеющие схему класса B, страдают одним серьёзным недостатком - они не обладают температурной стабильностью. По мере того, как выходные транзисторы нагреваются, ток коллектора возрастает. Это вызывает выделение дополнительного тепла и возникает вероятность возникновения неконтролируемой положительной обратной связи, что может привести к выходу транзисторов из строя. 

В чистом классе B нас также поджидают очень большие нелинейные или, как их еще называют – переходные искажения 1-го рода. На графике мы можем наблюдать, что вместо того, чтобы синусоиде плавно переходить через ноль, как она это делает во входном сигнале, у нас есть момент, когда сигнал исчезает вообще. Это происходит потому, что транзистору, чтобы открыться и начать работать нужно некоторое пороговое напряжение, подаваемое на базу – для кремниевых биполярных транзисторов оно равно 0,7 вольта. С этими искажениями, не справляется никакая отрицательная обратная связь.













Данным условиям удовлетворяют такие компоненты:

Операционный усилитель: LM324N (Philips);

Транзистор NPN: BC547C (Philips);

Транзистор PNP: BC557C (Philips).



Зная характеристики всех компонентов, включая резисторы (10 кОм, 560 Ом, 47 Ом ), расчитаем выходное напряжение, если  Uвх=1 В

  ?????





















Спецификация элементов





№ п/п

Обозначение

Тип

Кол - во

1

R1

Резистор МЛТ-1 – 3,3 kОм  10 %

1

2

R2,3,4

Резистор МЛТ-1 - 10 kОм  10 %

3

3

R5

Резистор МЛТ-0.5 – 560 Ом   10 %

1

4

R6

Резистор МЛТ - 47 Ом  10 %

1

5

VT1,3

Транзистор BC547C

2

6

VT2,4

Транзистор BC557C

2

7

ОУ

Операционный усилитель LM324N

1

8

С1

Конденсатор – 

1

9

С2

Конденсатор - 100 мкФ

1







































































Литература.



Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 1988. – 488 с.

Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1982. – 512 с.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983 - Т.1, 598 c.

В.И. Щербаков, Г.И. Грездов. Электронные схемы на операционных усилителях. К.: Техніка. 1983 – 213 с.

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.

http://www.chipdocs.com – архив технических описаний к зарубежным компонентам.

http://www.datasheetarchive.com – архив технических описаний к зарубежным компонентам.