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:

      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

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

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

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

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

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

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 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 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  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  (h <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 h не имеют решающего значения.

        Режим класса В характеризуется  большим уровнем нелинейных искажений (Kг £ 10%) и  относительно высоким КПД  (h <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 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 £ 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 =  ¾¾¾    Þ   Uн = Ö 2Rн Pн    = Ö 2 * 4 Ом * 5 Вт  =  6.32 В

                           2Rн

1.2  Найдём значение амплитуды тока на нагрузке  Iн  :

                                                                                           Uн                        6.32 В

                           Iн =  ¾¾¾  =   ¾¾¾¾  =  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).

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 = b+1  имеем:

Kpок » b+1

         Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем  b = 30.   Поскольку b велико, можно принять Kpок  = b+1 » b.  Отсюда  Kpок  = 30 .

         Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

                                                                       Pн

 Kpок  = ¾¾

                                                                       Pвх

                                          Pн           

         получим        Pвх =  ¾¾    ,  а с учётом предыдущих приближений

                                         Kpок

1	2	3