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 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 , мВRг , кОмPн , ВтRн , Ом1.51.054.0

Оценить, какие параметры усилителя влияют на завал АЧХ в области верхних и нижних частот. Содержание Структура усилителя мощности 3 Предварительная схема УМ рис.5 Расчт параметров усилителя мощности 1. Расчт амплитудных значений тока и напряжения 2. Предварительный расчт оконечного каскада 3. Окончательный расчт оконечного каскада 4. Задание режима

АВ. Расчт делителя 5. Расчт параметров УМ с замкнутой цепью ООС 6. 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 радиопримнике, 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, расчт цепей усилителя и параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного устройства. Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчт 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 нм 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 свом 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 применн конденсатор Cр . В качестве источника питания применн 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 вс 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

нм 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 вс же IБ0 0. Нелинейные искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ , относительно невелики Kг 3 . В данном курсовом проекте режим класса

АВ задатся делителем на резисторах R3 - R4 и кремниевых диодах VD1-VD2 . рис 2.1 рис 2.2 рис 2.3 Расчт параметров усилителя мощности 1. Расчт амплитудных значений тока и напряжения на нагрузке 1.1 Найдм 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

Найдм значение амплитуды тока на нагрузке Iн Uн 6.32 В Iн 1.16 А Rн 4 Ом 2. Предварительный расчт оконечного каскада Для упрощения расчта проведм 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. Произведм предварительный расчт энергетических параметров верхнего плеча бустера см рис. 3.1. Рис. 3.1 2.2 Найдм 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 . Найдм собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

Pн Kpок Pвх Pн получим Pвх , а с учтом предыдущих приближений Kpок Pн Pвх 5000 мВт 160 мВт 30 2.3 Определим амплитуду тока базы транзистора VT1 Iбvt1 Iк Iб , т.к. Iн Iкvt1 получим 1 Iн Iн 1600 мА Iбvt1 52 мА 1vt1 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 5.210-3 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 3. Окончательный расчт оконечного каскада 3.1

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 vt31 50 3.2 Определим амплитуду тока базы Iбvt3 транзистора VT3. Поскольку Iкvt3 Iбvt1 имеем

Iкvt3 Iбvt1 52 мА Iбvt3 1 мА 1vt3 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. 4. Задание режима АВ. Расчт 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 10Iбvt3 Положим Iд 3 А и воспользуемся формулой Ек Uд 15 0.6 В Rд 4.8 Ом 5 Ом Iд 3 А 5. Расчт 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 задатся 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 3104 . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен Kuоу Kuоу1 Kuоу2 9108 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 упрощнную 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 Найдм 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 6. Оценка влияния параметров усилителя на завал АЧХ в области верхних и нижних частот Усилитель мощности должен работать в определнной 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 мкости Ср Мнс 1 1 2ннс 2 Постоянная времени нс зависит от мкости конденсатора

Ср и сопротивления цепи переразряда Rраз нс Ср Rраз При наличии нескольких разделительных мкостей в нашем случае 2 Мн равно произведению Мнс каждой мкости Мн Мнс1 Мнс2 Спад АЧХ усилителя мощности в области высоких частот ВЧ обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и оконечного каскада, а так же мкомтью 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 мкости 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 задатся формулой Мвок 1 1 в - 11 - Kuoк Здесь - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки Мвн , определяемый влиянием мкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени вн нагрузочной мкости

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 счт 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 ппОбозначениеТипКол - во1R1Резистор МЛТ-0.5 - 0.1 кОм 10 12R2Резистор МЛТ-0.5 - 540 кОм 10 13RдРезистор МЛТ-0.5 - 5 Ом 10 24VD1-VD2Диод полупроводниковый КД22325VT1Транзистор

КТ81716VT2Транзистор КТ81617VT3Транзистор КТ31518VT4Транзистор КТ36119DA1-DA2Операционный усилитель К140УД62 Библиографический список 1. Д. В. Игумнов, Г.П. Костюнина - Полупроводниковые устройства непрерывного действия - М Радио и связь, 1990 г. 2. В. П. Бабенко, Г.И. Изъюрова - Основы радиоэлектроники. Пособие по курсовому проектированию -

М МИРЭА, 1985 г. 3. Н.Н. Горюнов - Полупроводниковые приборы транзисторы Справочник - М Энергоатомиздат, 1985 г.