Курсовая работа: Усилитель мощности

Тольяттинский политехнический институт

Кафедра «Промышленная электроника»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

“Микроэлектроника и микросхемотехника”

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Студент: Глушенков М. С.

Группа: Э-405

Вариант: 34

Преподаватель: Певчев В.П.

Тольятти, 1998

Содержание

1. Задание на курсовую работу

2. Введение

3. Основание выбора структурной и принципиальной схем

4. Расчет усилителя мощности

4.1 расчет выходного каскада

4.2 расчет предварительного усилителя

4.3 расчет токов в цепях предварительного усилителя

Выводы

Литература.

Приложения

1. Задание на курсовую работу

Разработать усилитель мощности, с использованием операционных усилителей (ОУ), класс работ АБ (вид и спад амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) не имеет значения) и имеющий следующие параметры:

выходная мощность Рвых=1 ВА;

ток нагрузки Iн=1 А;

входное напряжение U_вх =0,1 В;

диапазон частот f_Н =50 Гц f_В = 500 Гц;

напряжение питания U_П =±12 В.

Графическая часть курсовой работы выполняется на двух листах формата А3, содержащих структурную и принципиальную схему усилителя

2. Введение

С развити ем ми кроэлектрони ки и микросхемотехник и стали появляться новые устройства, построенны е на новой технологической основе - интегральной технологии. Данное новш ество поз воли ло значительно уменьшить габариты проектируемы х устройств , т.к . на кристале микросхемы площ адью не более 2 5 кв. м м мож но раз местить до 10000000 транз исторов, что поэволяет строить на и х основе сложные, высокоточные устройства с огромными коэффициентами усилени я и други ми не менее вахными параметрами. И нтегральная технологи я после ее и зобретени я разош лась на два направления, это аналоговые и цифровые интегральные схемы. В аналоговой интегральной схемотехнике широкое при менение на шли так называемые операц ионные усилители, получиваие свое название от первоначального их использовани я в устройствах выполняющи х каки е-либо математические операции. На самом деле операционные усилители это уси ли тели дифференциального напряж ени я с очень большим коэффициентом усиления по напряж ении (современные ОУ уси ливают сигнал в десятки и сотни тысяч раз ) и с большим (десятки мегаом) входным сопротивлением. На операционных уси ли телях, возмож но строить разнообраз ные по своему назначений устройства к прим еру: интеграторы, дифф еренциаторы, усили тели и нвертирующие и неинвертирующие, активные фильтри на RC-элементах;и это далеко не полный список устройств в которых применяются операци онные усили тели. Но такж е ка к и другие устройства у операционных усилителей есть и свои недостатки . Они и мею т небольшой входной ток смещения, который необходи мо ком пенсировать, не равномерную АЧХ по всей полосе пропускания, и не очень большой по нынешни м требованиям частотный ди апазон, также в отличие от идеального операци онного усилителя, реальные имею т не очень большой выходной ток (5. .. 50 мА). Но не смотря на все эти недостатки операци онные усилители широко применяются в промышленной электроники в узлах автомати ки , уси лени я и вычислени й, И в качестве примера в данной курсовой работе рассматри вается схема усилителя мощности с при менени ем операционного усилителя.

3. Основание выбора структурной и принципиальной схем

При проектировании усилителей мощности ставятся две основные задачи: обеспечение требуемой выходной мощности и поддержание данной мощности во всем диапазоне требуемых частот. Исходя из данной поставленной задачи можно получить структурную схему проектируемого усилителя (лист 1 приложения). Она состоит из:

Выходного каскада усилителя мощности

Предварительного усилителя-фильтра

Источника питания

Нагрузки.

Выходной усилитель обеспечивает усиление по току необходимое для получения необходимой мощности на нагрузке. Данный каскад должен удовлетворят следующим требованиям:

Обеспечивать необходимый коэффициент усиления по току.

Иметь большое входное и малое выходное сопротивления.

В полосе пропускания не вносить искажений выше нормы т.е. обеспечить постоянную мощность на нагрузке в полосе частот от f_Н до f_В .

Иметь параметры, мало зависящие от температуры окружающей среды.

Предварительный усилитель-фильтр предназначен для усиления входного сигнала по напряжению и ограничения частотного диапазона входного сигнала в пределах требуемого частотного диапазона. Предварительный усилитель должен иметь следующие характеристики:

Обеспечить необходимый коэффициент усиления по напряжению.

Ограничивать частотный диапазон входного сигнала со спадами на краях диапазона не менее 20Дб/дек.

Иметь минимальный коэффициент нелинейных искажений

Источник питания должен обеспечивать требуемые выходные напряжения и токи равные максимальному пиковому значениютока потребляемого усилителем мощности.

Также он должен иметь коэффициент пульсаций не более 1% от номинального выходного напряжения при максимальном токе нагрузки, это необходимо для минимизации искажений вносимых источником питания в выходной сигнал. Нагрузка при расчете данного усилителя считается чисто активной

Исходя из вышеперечисленных требований, предъявляемых к проектируемому усилителю, была выбрана принципиальная схема усилителя.

В качестве выходного каскада усилителя мощности в задании на курсовую работу сказано применить двухтактный эмитерный повторитель работающий в режиме А-В.

Схема двухтактного выходного каскада работающего в режиме А-В приведена на рис. 3.1.

Схема построена на двух комплиментарных транзисторах типа КТ815 и КТ814. Для уменьшения потребляемой мощности каскад питается от однополярного источника напряжения +12В. в схеме применены разделительные конденсаторы С1 и С2 обеспечивающие гальваническую развязку с предварительным усилителем и нагрузкой, а также выполняющих роль фильтра ВЧ со спадом 20 Дб/дек на частотах f<f_Н . С1 расчитываем исходя из сопротивления нагрузки. С помощью диодов VD1и VD2 создается компенсационное смещение на базах транзисторов для исключния в выходном сигнале искажений типа “ступенька” которая образуется вследствии нелинейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) базово-эмиттерного перехода транзисторов. Резисторы R1 и R2 задают рабочую точку транзисторов и диодов. Для одинакового усиления положительной и отрицательной полуволн входного сигнала необходимо использовать транзисторы с одинаковым коэффициентом передачи тока, а также эти транзисторы должны образовывать комплиментарную пару имея разную структуру.

Принципиальная схема предварительного усилителя-фильтра представлена на рис. 3.2. он построен в виде фильтра Баттерворта (низкой частоты) с коэффициентом усиления по напряжению больше единицы, он задается с помощью резисторов R3 и R4. Ввиду того, что требуемый спад амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) на частотах f >f_В должен быть больше 20 Дб/дек, будет использован фильтр Баттерворта второго порядка, который имеет спад 40 Дб/дек. Элементы С1, С2 и R1 и R2 рассчитываются согласно методу приведенному в [1] для частоты среза f_В . Операционный усилитель (ОУ) питается от двуполярного источника питания ± 12В. В качества ОУ выбран кристал К140УД7, обладающий хорошими частотными характеристиками, большим коэффициентом усиления и малым входным током. Причина выбора будет подробно рассмотрена в п. 4.3.

4. Расчет усилителя мощности

4.1 Расчет выходного каскада

Принципиальная схема усилителя мощности представлена на листе 2 графической части

Начальные данные:

выходная мощность Р_ВЫХ =1 ВА;

ток нагрузки IН=1 А;

входное напряжение U_ВХ =0,1 В;

диапазон частот f_Н =50 Гц f_В = 500 Гц;

напряжение питания U_П =±12 В.

R_Н = U_ВЫХ /I_ВЫХ ; (4.1)

где U_ВЫХ –выходное напряжение

U_ВЫХ = Р_ВЫХ / I_Н = 1/1 =1 (В) (4.2)

R_Н = 1/1=1 (Ом)

Разделительный конденсатор С4 был пасчитан из условия нижней граничной частоты f_Н =50 Гц

С4=1/(2*p* f_Н * R_Н *Ö(М_Н -1) ) (4.3)

Где М_Н – коэффициент искажений вносимый данным конденсатором в схему, для усиления мощности. Примем М_Н =1,3. Тогда, произведя расчет, получим:С4=3832 (мкФ)

Примем С4: К50-6 4000 мкФ´ 15 В

Максимальное значение напряжения колектор-эммитер на транзисторах:

U_{КЭ max} = Е_ПИТ =12 (В)

Максимальный ток коллектора транзисторов определим по формуле

I_{К max} = U_ВЫХ / R_Н =1/1 = 1 (А) (4.4)

По последним двум параметрам выбрали транзисторы комплиментарной пары:

VT1- КТ815А (п-р-п)

VT- КТ814А (р-п-р)

Их параметры идентичны и равны:

I_{К max} = 3 (А)

b_min = 100

U_{КЭ max} = 30 (В)

U_БЭ = 0,6 (В)

Напряжение покоя на эмиттерах транзисторов равно:

U_O = 0.5*Е_ПИТ = 0,5*12=6 (В) (4.5)

Амплитуда базового тока:

I_{Б max} = I_{К max} / b_min =1/100 = 10 (тА) (4.6)

Базовый ток был выбран по входной ВАХ транзисторов [5] по началу линейного участка характеристики.

I_Бо = 10^-3 (А) U_Бэо = 0,7 (В)

Далее был расчитан ток покоя коллектора по формуле:

I_Ко­ = I_Бо * b_min =10^-3 * 100 = 0,1 (А) (4.7)

По [6] были выбраны диоды VD1 и VD2 с прямым падением напряжения U_VD =0.7 (В) и прямым током равным:

I_VD = 1.2* I_{Б max} = 1.2*10^-2 = 12 (тА) (4.8)

Этим параметрам соответствуют диоды КД522А

Ток через резистор R5 рассчитан из условия

I_{R 5} = I_Бо + I_VD = 12*10^-3 + 10^-3 = 13*10^-3 (А) (4.9)

Напряжение на резисторе R5 :

U_{R 5} = E_ПИТ – U_O – U_Бэо = 12-6-0,7=5,3 (В) (4.10)

Сопротивление резистора R5 равно:

R5 = U_{R 5} / I_{R 5} = 5.3/13*10^-3 = 387 Ом (4.11)

Мощность выделяемая на резисторе R5:

P_{R 5} = I_{R 5} ² R5 =(13*10^-3 )² *387 =0.165 (Вт) (4.12)

Исходя из идентичности плеч каскада приняли сопротивление R6=R5 и выбрали

R5=R6: МЛТ-0,25 390 Ом

Входное сопротивление каскада:

R_ВХ = R5/2 ll (R_H *b_min ) = 66 (Ом) (4.13)

Амплитуда входного тока:

I_{ВХ max} = I_БМ + I_{R 5} = 10^-2 +13*10^-3 =23*10^-3 (А) (4.14)

Амплитуда входного напряжения каскада

U_{ВХ max} = I_ВХ * R_ВХ + U_ВЫХ = 23*10^-3 *66+1=2,083 (В) (4.15)

Коэффициент усиления выходного каскада по напряжению

K_U = U_ВЫХ / U_{Вх max} = 1 / 2,083 = 0,48 (4.16)

Емкость конденсатора С3 :

С3=1/(2*p* f_Н * R_ВХ *Ö(М_Н -1) ) (4.17)

М_Н =1,04 – коэффициент вносимых искажений для предварительного усилителя

С3=168*10^-6 Ф

Выбираем С3: К50-16 200 мкФ ´ 15 В

4.2 Расчет предварительного усилителя

Изначально необходимо расчитать коэффициент усиления по напряжению предварительного усилителя по формуле

А = К_{U общ} / К_U (4.18)

Где К_{U общ} – коэффициент усиления по напряжению всего усилителя мощности.

К_{U общ} = U_ВЫХ / U_ВХ =1 / 0,1=10 (4.19)

А=10 / 0,48 =20,83

Расчет фильтра производим по методике [1] согласно которой сначала выбираем конденсатор С1 из условия:

С1= 10^-5 / f_СР (4.20)

Где f_СР =f_В –частота среза фильтра.

С1=10^-5 / 500 = 20*10^-9 (Ф)

Выбираем С1: К72П-3 22 (нФ)

Емкость конденсатора С2 расчитывается по формуле:

С2 = (А-1+в² /4с )*С1 (4.21)

Где с и в – коэффициенты для фильтра Баттерворта второго порядка (из [таблица 3.1:1]). в=1,414 ; с=1

С2=0,4*10^-6 (Ф)

Выбираем С2: К 70-8 0,4(мкФ)

Сопротивление R1 рассчитаем из условия:

R1 = (1/p*f_C C1) / (в+Ö(в² + 4*с*(А-1-С2/С1 )))=12400 (Ом) (4.22)

Выбираем R1: МЛТ –0,125 12 (кОм)

Сопротивление R2 определяется как

R2=1/(c*C1*C2*R1*(2*p*f_C )² ) = 1021 (Ом) (4.23)

Выбираем R2 : МЛТ –0,125 1 (кОм)

Исходя из значения коэффициента усиления А рассчитаем значения сопротивлений резисторов R3 и R4.

R3 = А*(R1+R2)/(А-1)= 13655 (Ом) (4.23)

Выбираем R3 : МЛТ - 0,125 13 (кОм)

R4 = А*(R1+R2) = 270790 (Ом) (4.24)

Выбираем R4 : МЛТ – 0,125 270 (кОм)

4.3 Расчет токов в цепях предварительного усилителя

Для расчета токов выберем ОУ применяемый в предварительном каскаде К140УД7. И оновременно проверим возможность его эксплуатации в данной роли. Его характеристики:

U_ПИТ =± 12 (В) I_ВХ = 200 (нА)

R_ВХ = 3 (МОм) I_ПОТ =2,8 (мА)

K_{У U} =50000f_КР =0,8 (МГц) I_ВЫХ =30 (мА)

Ввиду того, что входное сопротивление велико входным током ОУ можно пренебречь.

Расчет токов произведем на частоте f_В­ и для нее расчитаем реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2.

Х_С1 = 1/(2*p* f_В­ *С1) = 16000 (Ом) (4.25)

Х_С2 =1/(2*p* f_В­ *С1) = 795 (Ом) (4.26)

Для расчета токов составим схему замещения рис 4.3.

На схеме:

U_ВХ = 0,1 (В); U_{ВЫХ ОУ} = U_ВХ * А = 2,083 (В)

R1’= R1=12 (кОм); R2=R2+Х_С2 =1000+795=1795 (Ом)

R3’=Х_С1 =16 (кОм); R4’= R3 + R4 = 283 (кОм)

По законам Кирхгофа составим систему уравнений

I₁ + I₃ – I₂ = 0

I₁ *R1+ I₂ *R2 = U_ВХ

I₂ *R2+ I₃ *R3=U_{ВЫХ ОУ}

I­₄ *R4= U_{ВЫХ ОУ}

решив данную систему получили следующие значения токов:

I₁ = 8 (мкА) I₂ = -110 (мкА) I₃ = -118 (мкА)

I₄ = 7,36 (мкА)

Полученные токи, которые в 40 раз превосходят входной ток ОУ, но в 7 раз меньше максимального выходного, позволяют считать расчет верным т.к входной ток ОУ практически не оказывает влияния на токи в цепях предварительного усилителя-фильтра, а выходной ток не превышает максимально допустимый.

Выводы

Расчитав схему усилителя мощности убедился, в том, что с применением операционных усилителей можно создавать малогабаритные устройства с хорошими характеристиками и малым числом дискретных элементов. Расчитанный усилитель обладает всеми параметрами представленным в задании и обеспечивает на активной нагрузке сопротивлением 1 Ом выходную мощность 1 Вт, при амплитуде входного напряжения 0,1 В, усилитель работает в частотном диапазоне 50…500 Гц и обеспечивает спад АЧХ на границах не менее 20 Дб/дек.

Данный усилитель построен с применением в качестве предъварительного усилителя-фильтра схемы фильтра НЧ Батерворта второго порядка. В качестве выходного каскада был применен двухтактный каскад на комплиментарных транзисторах, работающих в режиме А-В.

Запитывается усилитель от двуполярного источника питания с выходным напряжением ± 12 (В).

Литература

[1] “Интегральная электроника в измерительных устройствах” – Л,: Энергоатомиздат, 1988,- 304 с,: ил

[2] Хоровиц П., Хилл У., “Искуство схемотехники” пер. с англ.-М: Мир, 1983.-Т.1.598 с., ил.

[3] М.Н. Дьяконов, В.И. Кабабанов. – М.: Радио и связь,1983.-576с., ил

[4] А.Л. Булычев, В.Н. Галкин. “Аналоговые интегральные схемы”.- Минск., Беларусь; 1993

[5] “Справочник по транзисторам” / К.М. Брежнева, Е.И. Гатман и др. – М.радио и связь, 1981.-656с., ил

[6] “Диоды”: Справочник/А.В. Баюков, А.А. Зайцев.-М.: энергоатомиздат, 1982.- 744с.,ил