Xreferat.com » Рефераты по технологии » Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

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 , 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


  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 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 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 Ј 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 Ј 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 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 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 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 получаем b = 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


  1. 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

Похожие рефераты: