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… 6

2. <span Times New Roman""> 

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

3. <span Times New Roman""> 

Окончательный расчёт оконечного каскада… 9

4. <span Times New Roman""> 

Задание режима АВ. Расчёт делителя… 10

5. <span Times New Roman""> 

Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС…11

6. <span Times New Roman""> 

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 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  =  6.32В

                           2Rн

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 А

                                                        Rн                          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">»

Ki

       Поскольку  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+1

         Из 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 приближений

                                         Kpок

                                     

            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 мВт

           30

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 мА

                                         1+<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                    30

2.4   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 Ом

                                          Iвхvt1                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             50

3.2    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">»1мА

                                            1+<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                  50

3.3  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 кОм

                                                      Iбvt3              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 оу

  где  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*Iбvt3

         Положим 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 Ом

                                          Iд                               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

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике