Проектирование силителя мощности на основе ОУ

 Задание на курсовое проектирование по курсу

«Основы электроники и схемотехники»

Студент: Данченков А.В.  группа ИИ-1-95.

Тема:  «Проектирование силительных устройств на базе интегральных операционных силителей»

Вариант №2.

      Расчитать силитель мощности  на базе интегральных операционных силителей с двухтактным оконечным каскадом на дискретных элементах в режиме АВ.

Исходные данные:

      Оценить, какие параметры силителя влияют на завал  АЧХ в области верхних и нижних частот.

Содержание

 Структура силителя мощности .................................................................... 3     

     Предварительная схема М (рис.6) .............................................................. 5

     Расчёт параметров силителя 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 М с замкнутой цепью ООС................................ 11

6.   Оценка параметров силителя на завал АЧХ в области ВЧ и НЧ...... 12

     Заключение .................................................................................................... 13

     Принципиальная схема силителя мощности .............................................. 14

     Спецификация элементов .............................................................................. 15

     Библиографический список .......................................................................... 16

Введение

            В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные силительные стройства. Куда мы не посмотрим - силители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным правлением есть силительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества.

          В зависимости от типа силиваемого параметра силительные  стройства делятся на силители тока, напряжения и мощности.

          В данном курсовом проекте решается задача проектирования силителя мощности (УМ) на основе операционных силителей (ОУ).  В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства,  расчёт цепей силителя и параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного устройства. 

          Для разработки данного силителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить колличество и тип основных элементов - интегральных операционных усилителей. После этого следует выбрать принципиальную схему  предварительного силительного каскада на ОУ и оконечного каскада (бустера).  Затем необходимо расчитать корректирующие элементы, задающие режим силителя ( 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 силителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность стройства по заданным характеристикам, также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости входящих в него компонентов.

Структура силителя мощности

         Усилитель мощности предназначен для передачи больших  мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных силителей. Основной задачей силителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности. силение напряжения в нём является  второстепенным фактом.          Для того  чтобы  усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнить условие R_вых= R_н. 

              Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность P_н, коэффициент полезного действия h, коэффициент нелинейных искажений K_г   и полоса пропускания АЧХ.

         Оценив требуемые по заданию параметры силителя мощности, выбираем структурную схему, представленную на  рис.1 , основой которой является предварительный силительный каскад на двух интегральных операционных силителях  К14УД6  и оконечный каскад (бустер) на комплементарных парах биполярных транзисторов. Поскольку нам требуется силение по мощности, силение 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 R_вх  и малым выходным R_вых сопротивлениями), к тому же каскад ОК имеет малые частотные искажения и малые коэффициенты нелинейных искажений. Коэффициент усиления по напряжению  каскада “общий коллектор”  K_u £ 1.

        Для повышения стабильности работы силителя мощности предварительный и оконечный каскады охвачены общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. В качестве разделительного элемента на входе М применён конденсатор C_р . В качестве источника питания применён двухполярный источник с напряжением              E_к = ± 15 В.

        Режим работы оконечного каскада определяется режимом покоя (классом силения) входящих в него комплементарных пар биполярных транзисторов. Существует пять классов силения: А, В, АВ, С и D, но мы рассмотрим только три основных: А, В и АВ.

        Режим класса А характеризуется  низким ровнем нелинейных искажений (K_г £ 1%) низким КПД  (h <0,4). На выходной вольт-амперной характеристике (ВАХ) транзистора (см. рис. 2.1)  в режиме класса А  рабочая точка ( I_K0 и U_KЭ0) 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 силения класса А  применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения  а  P_н  и h не имеют решающего значения.

        Режим класса В характеризуется  большим ровнем нелинейных искажений (K_г £ 10%) и  относительно высоким КПД  (h <0,7).  Для этого класса характерен I_Б0 = 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 ровень искажений.

         Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами  классов А и В. Он применяется в двухтактных стройствах. В режиме покоя транзистор лишь немного приоткрыт, в нём протекает небольшой                  ток  I_Б0  (рис. 2.3),  выводящий основную часть рабочей полуволны  U_вх  на участок  ВАХ  с относительно малой нелинейностью. Так как I_Б0  мал, то h здесь выше, чем в классе А, но ниже, чем в классе В, так как всё же I_Б0 > 0. Нелинейные искажения силителя, работающего в режиме класса АВ, относительно невелики (K_г £ 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 силителя мощности

           1. Расчёт амплитудных значений тока и напряжения на нагрузке

1.1 Найдём значение амплитуды на нагрузке U_н . Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:

                             U_н²                                           

P_н =   ¾¾¾     Þ    U_н = Ö 2R_н P_н    = Ö 2 * 4 Ом * 5 Вт  =  6.32 В

                           2R_н

1.2  Найдём значение амплитуды тока на нагрузке  I_н  :

_/sub>

                                                                                           U_н                        6.32 В

                           I_н =  ¾¾¾   =    ¾¾¾¾  =  1.16 А_/sub>

                                                        R_н                          4 Ом

2. Предварительный расчёт оконечного каскада

          Для прощения расчёта проведём его сначала для режима В.

 2.1 По полученному значению I_н  выбираем по таблице ( I_{к ДОП} > I_н)  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 P_вх . Для этого нужно сначала расчитать коэффициент силения по мощности оконечного каскада K_p^ок, который равен произведению коэффициента силения по току K_i  на коэффициент силения по напряжению K_u :

K_p^ок = K_i * K_u

        Как известно, для каскада ОК  K_u £ 1, поэтому, пренебрегая K_u , можно записать:

K_p^ок » K_i

        Поскольку  K_i = b+1  имеем:

K_p^ок » b+1

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

         Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

                                                                        P_н

 K_p^ок  = ¾¾

                                                                       P_вх

                                          P_н           

         получим        P_вх =  ¾¾    ,  а с чётом предыдущих приближений

                                         K_p^ок

^/sup>

2.3    Определим амплитуду тока базы  транзистора VT1   I_б^vt1 :

                                I_к

                    I_б = ¾¾¾   ,     т.к.  I_н = I_к^vt1       получим :

                                1+b

                                              I_н                       I_н               1600 мА              

I_б^vt1  = ¾¾¾  » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 52 мА

                                         1+b^vt1                 b^vt1                     30

2.4   Определим по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем

         переходе U_бэ  (cм. рис 3.2)

рис 3.2

        Отсюда находим входное напряжение U_вх^vt1

^/sup>

^/sup>

U_вх^vt1 = U_бэ^vt1 + U_н  = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В^/sup>

^/sup>

2.5    Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера R_вх :^/sup>

                                           U_вх                 U_вх                 7.6 В

R_вх = ¾¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом

                                          I_вх^vt1                I_б^vt1             5.2*10^-3

^/sup>

               Поскольку из-за технологических особенностей конструкции интегрального операционного усилителя  К14УД6 полученное входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (для    К14УД6   минимальное сопротивление нагрузки   R_{min оу} = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы величить входное сопротивление R_вх ). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 I_б^vt1 (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 расчёт оконечного каскада

3.1   Расчитаем входную мощность  P_вх^ок полученного составного оконечного каскада.  Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1   P_вх  мы посчитали в пункте 2.2, получим :

                                              P_вх                 P_вх             160 мВт

P_вх^ок = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2 мВт

                                          b^vt3+1          b             50

3.2    Определим амплитуду тока базы   I_б^vt3  транзистора VT3. Поскольку      I_к^vt3 » I_б^vt1  имеем :

                                              I_к^vt3                  I_б^vt1           52 мА

I_б^vt3 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾ » 1 мА

                                            1+b^vt3              b^vt3                  50

^/sup>

^/sup>

3.3  Определим  по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на правляющем переходе  U_бэ^vt3  (см. рис. 3.4 ). Поскольку U_бэ^vt3 = 0.6 В, для входного напряжения оконечного каскада U_вх^ок имеем:

U_вх^ок = U_н + U_бэ^vt1 + U_бэ^vt1  = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В

рис 3.4

3.4      Определим входное сопротивление оконечного каскада R_вх^ок :

                                                      U_вх^ок         8  В

R_вх^ок =  ¾¾¾ = ¾¾¾ = 8 кОм

                                                       I_б^vt3              1 мА

          Полученное входное сопротивление полностью довлетворяет словию

 R_вх^ок ³ R_{н min оу}

_/sub>

  где  R_{н min оу} = 1кОм (для ОУ  К14УД6).

4. 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 диоды КД-223 (VD1-VD2, см. принципиальную схему), падение напряжения на которых U_д = 0.6 В

          Расчитаем сопротивления делителя R_д1= R_д2= R_д . Для этого зададим ток делителя I_д, который должен довлетворять словию:

I_д  ³ 10*I_б^vt3

         Положим I_д = 3 А  и воспользуемся формулой

                                     Е_к – U_д              (15 – 0.6) В

R_д =  ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом

                                          I_д                               3 А

5. Расчёт параметров М с замкнутой цепью ООС

        Для лучшения ряда основных показателей и  повышения стабильности работы усилителя  охватим предварительный и оконечный каскады М общей 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 силитель К14УД6 его коэффициент силения по напряжению  K_u^оу1  равен 3*10⁴. Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

K_u^оу = K_u^оу1 * K_u^оу2 = 9*10⁸

        Коэффициент силения по напряжению каскадов, охваченных обратной  связью  K_{u ос}  равен:

                             U_{вых ос}                К_u                ( K_u^оу1 * K_u^оу2 * K_u^ок)          1

K_{u ос} = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ » ¾

                                   E_г               1 + cK_u            1 + c( K_u^оу1 * K_u^оу2 * K_u^ок)      c

рис. 3.5

        Изобразим прощённую схему нашего усилителя, заменив оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5 ) (ООС на схеме не показана, но подразумевеется ).  Здесь R_н^экв º R_вх^ок = 8 кОм ;   U_{вых ос} = U_вх^ок = 8 В,          Е_г = 15 В  (из задания ).

                                                   U_{вых ос}         8 мВ

K_{u ос} = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5

                                                       E_г                1.5 мВ

                                                     1            

¾  = K_{u ос} = 5

                                                     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 =  ¾¾¾

        R₁ + R₂

_/sub>

               Зададим R₁ = 0.1 кОм.  Тогда :

                   1            R₁                     1

 ¾¾   = ¾¾¾ =  ¾¾¾ Þ   5 = 1 + 10R₂  Þ  R₂ = 540 кОм

                K_{u ос}      R₁ + R₂            5

_/sub>

6. Оценка влияния параметров силителя  на завал                  АЧХ в области верхних и нижних частот

       силитель мощности должен работать в определённой полосе частот         ( от ¦_н   до ¦_в ).   Такое задание частотных характеристик М означает, что на граничных частотах  ¦_н   и ¦_в  усиление снижается на 3 дБ по сравнению со средними частотами, т.е. коэффициенты частотных искажений М_н и М_в соответственно на частотах  ¦_н   и ¦_в  равены:

                                                                   __

М_н = М_в = Ö 2       (3 дБ)

        В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени t_нс цепи переразряда разделительной ёмкости  С_р  :

М_нс = Ö 1 + (  1 / ( 2p¦_нt_нс ))²   

        Постоянная времени t_нс  зависит от ёмкости конденсатора С_р и сопротивления цепи  переразряда  R_раз :

t_нс = С_р* R_раз

_/sub>

             При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в нашем случае 2) М_н равно произведению М_нс  каждой ёмкости:

М_н = М_нс1 * М_нс2

         Спад АЧХ силителя мощности в области высоких частот (ВЧ) обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и оконечного каскада, так же ёмкомтью нагрузки, если она имеется.  Коэффициент частотных искажений на частоте  ¦_в   равен произведению частотных искажений каждого каскада силителя:

М_{в м} = М_в1 * М_в2 * М_в^ок * М_вн

_/sub>

               Здесь М_в1 , М_в2 , М_в^ок , М_вн  - коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки С_н. Если K_{u оу}  выбран на порядок больше требуемого силения каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( М_в1 = М_в2 = 1).

         Коэффициент искажений оконечного каскада задаётся формулой:

М_в^ок = 1 + ( Ö 1+ (¦_в /¦_b)  - 1)(1 - K_u^oк)

         Здесь ¦_b - верхняя частот выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки М_вн, определяемый влиянием ёмкости нагрузки С_н в области высоких частот зависит от постоянной времени t_вн нагрузочной ёмкости :

М_вн = Ö 1 + (  1 / ( 2p¦_вt_вн ))²   

t_вн = С_н* (R_вых^ум  | | R_н)

_/sub>

          При неправильном введении отрицательной обратной связи в области граничных верхних и нижних частот может возникнуть ПОС ( положительная обратная связь) и тогда стройство из силителя превратится в генератор. Это происходит за счёт дополнительных фазовых сдвигов, вносимых как самим силителем, 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 силителя мощности, так же оценили влияние параметров силителя на завалы  АЧХ в области верхних и нижних частот.

Спецификация элементов

Библиографический список

1.   Д. В. Игумнов, Г.П. Костюнина - “Полупроводниковые стройства                    

     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: “Энерготомиздат”, 1985 г.