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 нарис.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 выходнымRвых 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 иD , 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 иUKЭ0) 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 hне 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 hздесь 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 нагрузкеUн . Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:
Uн2______ ______________
Pн =¾¾¾ÞUн= 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).
Рис. 3.1
2.2 Найдём входную мощность оконечного каскада Pвх . Для этого нужно сначала расчитатькоэффициент усиления по мощности оконечного каскадаKpок , который равен произведениюкоэффициента усиления по току Ki на коэффициент усиления по напряжениюKu :
Kpок = Ki* Ku
Как известно, для каскада ОК Ku£ 1 , поэтому, пренебрегая Ku,можно записать:
Kpок» Ki