Реферат: 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 усилительныхустройств на базе интегральных операционных усилителей»
Вариант №2.
Расчитать усилитель мощности набазе интегральных операционных усилителей с двухтактным оконечным каскадом надискретных элементах в режиме АВ.
Исходныеданные:
Eг,мВ
Rг , кОм
Pн, Вт
Rн, Ом
1.5
1.0
5
4.0
Оценить, какие параметры усилителя влияютна завал АЧХ в области верхних и нижнихчастот.
Содержание
Структура усилителя мощности… 3
Предварительная схема УМ (рис.6)… 5
Расчёт параметров усилителя мощности… 6
1. <span Times New Roman"">
Расчёт амплитудных значений тока и напряжения… 62. <span Times New Roman"">
Предварительный расчёт оконечного каскада...................................... 63. <span Times New Roman"">
Окончательный расчёт оконечного каскада… 94. <span Times New Roman"">
Задание режима АВ. Расчёт делителя… 105. <span Times New Roman"">
Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС…116. <span Times New Roman"">
Оценка параметров усилителя на завал АЧХ в области ВЧ и НЧ… 12Заключение…13
Принципиальная схема усилителя мощности… 14
Спецификация элементов…15
Библиографический список… 16
Введение
В настоящее время в технике повсеместно используютсяразнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим — усилители повсюдуокружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере истанке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Этиустройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества .
Взависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока,напряжения и мощности.
Вданном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя мощности (УМ)на основе операционных усилителей (ОУ). В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбораструктурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в составустройства, расчёт цепей усилителя ипараметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученногоустройства.
Дляразработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёти оценить колличество и тип основных элементов — интегральных операционныхусилителей. После этого следует выбрать принципиальную схему предварительного усилительного каскада на ОУи оконечного каскада (бустера). Затемнеобходимо расчитать корректирующие элементы, задающие режим усилителя ( внашем случае АВ ) и оценить влияние параметров элементов схемы на АЧХ в областиверхних и нижних частот.
Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что припроектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы ихпараметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданнымхарактеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергиипитания и себестоимости входящих в него компонентов.
Структура усилителя мощности
Усилитель мощности предназначен для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомнуюнагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей.Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможнобольшей мощности. Усиление напряжения в нём является второстепенным фактом. Для того чтобы усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнитьусловие Rвых= Rн .
Основными показателямиусилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность Pн, коэффициент полезного действия <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">h
, коэффициент нелинейныхискажений Kг и полоса пропускания АЧХ.Оценив требуемые по заданию параметры усилителя мощности, выбираемструктурную схему, представленную на рис.1, основой которой является предварительный усилительный каскад на двухинтегральных операционных усилителях К140УД6 и оконечный каскад (бустер) на комплементарных парах биполярныхтранзисторов. Поскольку нам требуется усиление по мощности, а усиление понапряжению для нас не важно, включим транзисторы оконечного каскада по схеме“общий коллектор” (ОК). При такой схеме включения оконечный каскад позволяетосуществить согласование низкоомной нагрузки с интегральным операционнымусилителем, 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 малыечастотные искажения и малые коэффициенты нелинейных искажений. Коэффициентусиления по напряжению каскада“общий коллектор” Ku<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">£
1.Для повышения стабильности работы усилителя мощностипредварительный и оконечный каскады охвачены общей последовательнойотрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. В качестве разделительногоэлемента на входе УМ применён конденсатор Cр. В качестве источникапитания применён двухполярный источник с напряжением Eк = <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">±
15 В.Режимработы оконечного каскада определяется режимом покоя (классом усиления)входящих в него комплементарных пар биполярных транзисторов. Существует пятьклассов усиления: А, В, АВ, С и D, номы рассмотрим только три основных: А, Ви АВ.
Режим класса А характеризуется низким уровнем нелинейных искажений (Kг<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">£
1%)низким КПД (<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">h<0,4). Навыходной вольт-амперной характеристике (ВАХ) транзистора (см. рис. 2.1) в режиме класса А рабочая точка ( IK0 и UKЭ0) располагаетсяна середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов невыходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямопропорциональны изменениям тока базы. При работе в режиме класса А транзистор всё время находится в открытом состоянии и потребление мощности происходит в любоймомент. Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимыминимальные искажения а Pн и <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">hне имеют решающего значения.Режимкласса В характеризуется большим уровнем нелинейных искажений (Kг<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">£
10%) и относительно высоким КПД (<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">h<0,7). Для этого класса характерен IБ0 = 0 ( рис 2.2), то есть в режиме покоятранзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания. Режим В применяется в мощных выходныхкаскадах, когда неважен высокий уровень искажений.Режимкласса АВ занимает промежуточноеположение между режимами классов А и В. Он применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоятранзистор лишь немного приоткрыт, в нём протекает небольшой ток IБ0 (рис.2.3), выводящий основную частьрабочей полуволны Uвх научасток ВАХ с относительно малой нелинейностью. Так как IБ0 мал, то <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">h
здесьвыше, чем в классе А, но ниже, чемв классе В, так как всё же IБ0 > 0. Нелинейныеискажения усилителя, работающего в режиме класса АВ, относительно невелики (Kг<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">£3%) .Вданном курсовом проекте режим класса АВ задаётсяделителем на резисторах R3 — R4 и кремниевых диодах VD1-VD2 .
рис 2.1 рис2.2 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 значениемощности, применим формулу:
Uн2 <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">_
_____ ______________Pн = <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">¾¾¾
<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">Þ Uн= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Ö2Rн Pн = <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">Ö2*4 Ом * 5 Вт = 6.32В2Rн
1.2 Найдём значение амплитуды тока нанагрузке Iн :
Uн 6.32 В
Iн = <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾
= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">¾¾¾¾ = 1.16 АRн 4 Ом
2. Предварительный расчёт оконечного каскада
Для упрощения расчёта проведём его сначала длярежима В.
2.1 По полученному значению Iн выбираем по таблице ( Iк ДОП > Iн) комплиментарную парубиполярных транзисторов VT1-VT2 : КТ-817 (n-p-nтипа)и КТ-816 (p-n-pтипа). Произведём предварительный расчёт энергетических параметров верхнего плеча бустера(смрис. 3.1).
Рис. 3.1
2.2 Найдём входнуюмощность оконечного каскада Pвх . Для этого нужно сначаларасчитатькоэффициент усиления по мощности оконечного каскадаKpок, который равен произведениюкоэффициента усиления потоку Ki на коэффициент усиления по напряжениюKu :
Kpок= Ki * Ku
Какизвестно, для каскада ОК Ku<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">£
1, поэтому,пренебрегая Ku,можно записать:Kpок<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">»
KiПоскольку Ki= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b
+1 имеем:Kpок<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">»
<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b+1Из технической документации на транзисторыдля нашей комплементарной пары получаем <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b
= 30. Поскольку <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">bвелико, можно принять Kpок = <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b+1 <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">»<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b. Отсюда Kpок = 30.Найдём собственно выходнуюмощность бустера. Из соотношения
Pн
Kpок = <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾
Pвх
Pн
получим Pвх = <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾
, ас учётом предыдущих приближенийKpок
Pн
Pвх = <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾
<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b
5000 мВт
= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾¾
<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾= 160 мВт30
2.3 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 :
Iк
Iб= <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾
, т.к. Iн = Iкvt1 получим :1+<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">b
Iн Iн 1600мА
Iбvt1 = <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾
<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">»<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾= <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾¾= 52 мА1+<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b
vt1 <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">bvt1 302.4 Определим по входной ВАХ транзистора напряжение науправляющем
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 верхнегоплеча бустера Rвх:
Uвх Uвх 7.6 В
Rвх= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾
= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾¾= 150 ОмIвхvt1 Iбvt1 5.2*10-3
Посколькуиз-за технологических особенностей конструкции интегрального операционногоусилителя К140УД6 полученное входное сопротивление(оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (для К140УД6 минимальное сопротивление нагрузки Rmin оу = 1 кОм ), поэтому для построенияоконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входноесопротивление Rвх). Исходяиз величины тока базы транзистора VT1 Iбvt1 (который являетсяодновременно и коллекторным током транзистора VT3 ) выбираем комплементарную паруна 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
3.1 Расчитаем входную мощность Pвхокполученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что мощность на входетранзистора VT1 Pвх мы посчитали в пункте 2.2, получим :
Pвх Pвх 160 мВт
Pвхок= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾
<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">»<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">¾¾¾= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">¾¾¾¾= 3.2 мВт<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b
vt3+1 <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">b 503.2 Определим амплитуду тока базы Iбvt3 транзистора VT3.Поскольку Iкvt3<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">»
Iбvt1 имеем :Iкvt3 Iбvt1 52 мА
Iбvt3 = <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾
<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">»<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾= <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">»1мА1+<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">b
vt3 <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">bvt3 503.3 Определим по входной ВАХ транзистора VT3напряжениена управляющем переходе Uбэvt3 (см. рис. 3.4 ). Поскольку Uбэvt3= 0.6 В, для входного напряженияоконечного каскада Uвхокимеем:
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= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾
= <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾= 8 кОмIбvt3 1 мА
Полученное входное сопротивлениеполностью удовлетворяет условию
Rвхок <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">³
Rн min оугде Rн min оу = 1кОм (для ОУ К140УД6).
4.Задание режима АВ. Расчёт делителя
Для перехода от режима В крежиму 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, таки на его выходе останется нулевым. Для задания смещающего напряжения применимкремниевые диоды КД-223 (VD1-VD2,см. принципиальнуюсхему), падение напряжения на которых Uд= 0.6 В
Расчитаем сопротивленияделителя Rд1=Rд2=Rд . Для этого зададим токделителя Iд, который должен удовлетворять условию:
Iд <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">³
10*Iбvt3Положим Iд= 3 А и воспользуемся формулой
Ек – Uд (15– 0.6) В
Rд= <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">¾¾¾¾
= <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type: symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¾¾¾¾¾¾=4.8 Ом <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">»5 ОмIд 3 А
5. Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС
Для улучшения ряда основных показателейи повышения стабильности работыусилителя охватим предварительный иоконечный каскады УМ общей последовательной отрицательнойобратной связью (ООС) по напряжению.Она задаётся резисторами R1и R2 (см.схему на рис. 6 ).
<spa