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 



Расчёт амплитудных значений тока и напряжения .............................. 6

Предварительный расчёт оконечного каскада ...................................... 6 

Окончательный расчёт оконечного каскада ......................................... 9

Задание режима АВ. Расчёт делителя .................................................. 10 

Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС ................................ 11

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



                                     

            Pн

Pвх  =    

             

      5000 мВт

=   = 160 мВт

           30 









   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







Окончательный расчёт оконечного каскада





  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



   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).





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









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 / ( 2ннс ))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 / ( 2ввн ))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





  















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.