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 условиеRвых= Rн . Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощностьPн , коэффициент полезного действия h , 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 К140УД6и 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 входнымRвх 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 Ј 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 конденсаторCр . В качестве источника питания применён двухполярный источник с напряжениемEк = ± 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 Ј 1%) низким КПД (h
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 токIБ0 (рис. 2. 3), выводящий основную часть рабочей полуволны Uвх на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Так как IБ0 мал, то h 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 Ј 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 = ѕѕѕ Ю Uн = Ц 2Rн Pн = Ц 2 * 4 Ом * 5 Вт = 6. 32 В 2Rн 1. 2 Найдём значение амплитуды тока на нагрузке Iн : Uн 6. 32 В Iн = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 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 каскадаKpок , который равен произведению коэффициента усиления по току Ki на коэффициент усиления по напряжению Ku : Kpок = Ki * Ku
Как известно, для каскада ОК Ku Ј 1 , поэтому, пренебрегая Ku , можно записать: Kpок » Ki Поскольку Ki = b+1 имеем: Kpок » b+1
Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаемb = 30. Поскольку b велико, можно принять Kpок = b+1 » b. Отсюда Kpок = 30 . Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения Pн Kpок = ѕѕ Pвх Pн получим Pвх = ѕѕ , а с учётом предыдущих приближений Kpок Pн Pвх = ѕѕ b 5000 мВт = ѕѕѕѕѕ = 160 мВт 30 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 : Iк Iб = ѕѕѕ , т. к. Iн = Iкvt1 получим : 1+b Iн Iн 1600 мА Iбvt1 = ѕѕѕ » ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 52 мА 1+bvt1 bvt1 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 = ѕѕѕ = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 150 Ом Iвхvt1 Iбvt1 5. 2*10-3
Поскольку из-за технологических особенностей конструкции интегрального операционного усилителя К140УД6полученное входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (дляК140УД6 минимальное сопротивление нагрузки Rmin оу = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивлениеRвх ). 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 Pвхокполученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что мощность на входе транзистораVT1 Pвх мы посчитали в пункте 2. 2 , получим : Pвх Pвх 160 мВт Pвхок = ѕѕѕ » ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 3. 2 мВт bvt3+1 b 50
Определим амплитуду тока базы Iбvt3 транзистора VT3. Поскольку Iкvt3 » Iбvt1 имеем : Iкvt3 Iбvt1 52 мА Iбvt3 = ѕѕѕ » ѕѕѕ = ѕѕѕ » 1 мА 1+bvt3 bvt3 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 = ѕѕѕ = ѕѕѕ = 8 кОм Iбvt3 1 мА
Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию Rвхок і 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 диодыКД-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 і 10*Iбvt3 Положим Iд = 3 А и воспользуемся формулой Ек – Uд (15 – 0. 6) В Rд = ѕѕѕѕ = ѕѕѕѕѕѕ = 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 УМобщей 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 усилительК140УД6 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 связьюKu ос равен:
Uвых ос Кu ( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) 1 Ku ос = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = ѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕѕ » ѕ Eг 1 + cKu 1 + c( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) c 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 є Rвхок = 8 кОм ; Uвых ос = Uвхок = 8 В , Ег = 15 В (из задания ). Uвых ос 8000 мВ Ku ос = ѕѕѕ = ѕѕѕѕ = 5333 Eг 1. 5 мВ 1 ѕ = Ku ос = 5333 c
Найдём параметры сопротивлений R1 и R2 , задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от сопротивлений R1 и R2 может быть представлена следующим образом: R1 c = ѕѕѕ R1 + R2 Зададим R1 = 0. 1 кОм . Тогда : 1 R1 1 ѕѕ = ѕѕѕ = ѕѕѕ Ю 5333 = 1 + 10R2 Ю 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 = Ц 2 (3 дБ)
В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени tнс цепи переразряда разделительной ёмкости Ср : _________________ Мнс = Ц 1 + ( 1 / ( 2p¦нtнс ))2
Постоянная времени tнс зависит от ёмкости конденсатора Ср и сопротивления цепи переразряда Rраз : tнс = 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 нагрузкиСн . 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 + ( Ц 1+ (¦в /¦b) - 1)(1 - Kuoк)
Здесь ¦b- верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузкиМвн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени tвн нагрузочной ёмкости : __________________ Мвн = Ц 1 + ( 1 / ( 2p¦вtвн ))2 tвн = 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.