Выбор схемы усилителя мощности.

Курсовой проект

 

по электронике

 

на тему: Расчет усилителя мощности

 

Вариант 38

 

Студент: Соломенцев М.А.

Факультет: Кибернетика

Группа: КС-43-09

 

Научный руководитель:

Доц. Савицкий В.А.

 

 

Москва

Оглавление

 

1. Задание на курсовое проектирование 3

2. Выбор и обоснование схемы усилителя 4

3. Расчёт выходного каскада 7

3.1 Выбор схемы усилителя мощности 7

3.2 Выбор транзисторов 10

3.3 Выбор ОУ для схемы выходного каскада 13

3.4 Полный расчёт бустера выходного каскада 14

3.5 Построение выходной ВАХ 18

3.6 Оценка усилительных свойств выходного каскада 22

3.6.1 Графический метод 22

3.6.2 Аналитический метод 23

3.6.3 С учетом местной обратной связи 23

3.7 Оценка нелинейных искажений 23

4. Расчёт предварительных усилителей 28

4.1 Выбор ОУ для предварительного усилителя 28

4.2 Расчёт промежуточного каскада 30

4.3 Построение ЛАЧХ каскада 31

5. Полный расчёт схемы усилителя 33

5.1 Оценка усилительных свойств схемы 33

5.2 Расчёт емкостей разделительных конденсаторов 33

5.3 Проверка работы в области ВЧ 34

5.4 Расчёт КПД 35

5.5 Расчёт фильтров в цепях питания ОУ 36

5.6 Электрическая схема и спецификация элементов 37

Список использованной литературы 41

Задание на курсовое проектирование.

 

Выбрать и рассчитать схему усилителя переменного сигнала на основе операционного усилителя с оконечным каскадом на биполярных транзисторах, работающего от источника напряжения с ЭДС генератора мВ и выходным сопротивлением . Усилитель имеет дифференциальный вход и бестрансформаторный выход с выходным напряжением . Схема работает на нагрузку с сопротивлением , зашунтированную конденсатором . В схеме предусмотреть плавную регулировку усиления от 0 до

Коэффициент частотных искажений на граничных частотах и не должен превышать заданных значений и . Усилитель должен работать в диапазоне температур -25...+60°С. Коэффициент нелинейных искажений не должен быть больше 1%.

В схеме усилителя предусмотреть не более двух источников питания, для чего следует рассчитать фильтры в цепях питания с коэффициентом пульсаций не превышающим 1.5%.

 

№ вар.
			4,7			8.5	3,1

 

 

2. Выбор и обоснование схемы усилителя.

 

В разделе проводится общий расчет усилителя мощности с представлением структурной схемы.

Сначала находим выходной ток или ток в нагрузке:

Затем производим вычисление тока генератора:

Рассчитываем коэффициент усиления по току:

Находим требуемый коэффициент усиления по напряжению

Мощность сигнала в нагрузке может быть найдена как

Коэффициент передачи по мощности

Пересчитаем полученные величины в (дБ) из условия 1дБ=20 lg К и получим

Исходя из условия, что на один каскад усиление принимается
20 – 40 (дБ), принимается дБ близкое к максимальному значению и находится необходимое число каскадов N рассчитываемой схемы

Полученный результат округляется в сторону большего значения. Принимаем число каскадов схемы усилителя мощности N =3.

 

Схема включения входного каскада выбирается в зависимости от заданного источника входного сигнала и фазовых соотношений между входным и выходным сигналом. Этот каскад обеспечивает согласование усилителя с источником сигнала. В нашем случае, согласно заданию входной каскад усилителя мощности имеет дифференциальный вход и показан на схеме рис.2.1.

 

 

Рис.2.1. Схема входного дифференциального каскада.

 

 

Схемы промежуточных каскадов также выполнены на операционных усилителях, и являются усилителями с глубокой обратной связью. Вариант схемы промежуточного каскада приведен на рис. 2.2

 

 

Рис.2.2. Схема промежуточного

каскада.

 

Выходной (оконечный каскад) выполнен по схеме бустера напряжения или тока. Элемент обратной связи позволяет обеспечить необходимое усиление. За счет введения отрицательной ОС существенно улучшаются такие показатели работы схемы, как коэффициент нелинейных искажений и стабильность работы каскадов схемы.

 

 

Предполагаемая структурная схема усилителя мощности будет иметь вид (рис.2.3):

 

Г

Н

 

Рис. 2.3. Структурная схема усилителя мощности.

На схеме приняты обозначения элементов:

 

Г – Генератор;

1 – Входной каскад; Регулировка усиления предусматривается во входном каскаде;

2 – Промежуточный каскад;

3 – Оконечный каскад – бустер;

Н – Нагрузка в виде сопротивления, зашунтированного конденсатором.

 

Расчет выходного каскада.

Выбор транзисторов.

В подразделе 3.2 производится выбор транзисторов для схемы выходного каскада. Предварительно производится выбор напряжения источника питания.

Напряжение источника питания находится из условия

Из списка номинальных значений напряжений источников постоянного питания выбирается необходимое значение и принимается величина В.

Рассчитываем мощность, потребляемую оконечным каскадом

,

где – средний ток транзисторов при максимальной амплитуде.

Соответственно определяется значение мощности

Далее рассчитываем мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора выходной цепи

При этом .

Выбираем пару комплементарных транзисторов средней мощности, которые должны удовлетворять следующим условиям.

a) (55 мА< 300 мА)

b) (40 В = 40 В)

c) (0.22 Вт < 0.5 Вт)

d) (8.5 кГц < 5 МГц)

 

где , , – предельные параметры транзисторов.

На основании этих условий выбирается пара комплементарных транзисторов КТ502Г, КТ503Г [2, 3]

 

Таблица 3.1

Тип Транзистора
p-n-p	n-p-n
КТ502Г	КТ503Г	0.3		0.5		40-120

 

 

Рис. 3.4. Графики зависимости коэффициента передачи от тока коллектора для транзисторов КТ502Г и КТ503Г.

 

 

Таблица 3.2

Тип

кОм

МОм

Ом

МГц

Внутр. Коррекция

К140УД8

0.5

0.2

0.15

1.0

+

 

Функциональная и принципиальная электрические схемы данного ОУ представлены на рисунке 3.5.

 

 

R=10 кОм

3

4

1

8

5

7

2

6

+

_

 

Рис. 3.5. Электрическая схема операционного усилителя типа К574УД1.

Полный расчет бустера.

В подразделе 3.4 проводим полный расчет схемы выходного каскада, электрическая схема которого изображена на рисунке 3.3.

Сопротивление резистора выбираем из условия максимального тока, потребляемого операционным усилителем

Определим токи через транзисторы

где ток обычно принимается равным 1 мА в классе усиления АВ.

Напряжения на базах транзисторов задаются параметрическими стабилизаторами , (рис. 3.1) и определяем выбранными из [4] стабилитронами или светодиодами. Обычно значение напряжения на диоде равно 0.7 В.

Сопротивления резисторов , выбираем из условия обеспечения режима АВ в транзисторах выходной цепи

Принимаются номинальные значения сопротивлений

Мощность, рассеиваемая каждым из транзисторов равна

 

На основании проведённых расчётов выбирается пара комплементарных транзисторов , удовлетворяющих следующим требованиям:

a) (50 мА > 5.42 мА)

b) (40 В = 40 В)

c) (0.15 Вт > 0.14 Вт)

d) (250 МГц > 8.5 кГц)

 

Принимаются транзисторы КТ361В, КТ315В [2, 3], параметры которых приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3

Тип Транзистора
p-n-p	n-p-n
КТ361В	КТ315В	0.05		0.15		20-700

 

Рис. 3.6. Графики зависимости коэффициента передачи от тока коллектора для транзисторов КТ361В и КТ315В.

Сопротивление резистора бустера напряжения зависит от входного тока ОУ и находится из выражения следующим образом. Так как обычно коэффициент усиления выходного каскада УМ лежит в пределах 3 – 5, то принимаем .

Тогда В и с учетом входного тока ОУ находим сопротивление резистора Ом. Найденное значение сопротивления имеет большое значение. С учетом условия, что для ОУ, выпускаемых отечественной промышленностью, это сопротивление лежит в пределах (5 10) (кОм), принимается номинальное значение сопротивления резистора кОм.

Тогда с учетом местной обратной связи в схеме выходного каскада УМ находим сопротивление

Принимаем номинальное значение сопротивления кОм.

Рассчитываем сопротивление резистора

Принимаем номинальное значение сопротивления кОм.

Диоды и выбираются в соответствии с условиями:

где токи базы транзисторов , .

допустимые диапазоны изменения тока стабилитрона.

Выбираем стабилитроны КС175А [4], имеющие

1) ток потребления до 20 (А)

2) рабочее напряжение (3 20) (В)

Сопротивления резисторов и находятся как

и принимаем в соответствии с номинальными значениями сопротивлений (кОм).

Конденсатор служит для коррекции частотной характеристики бустера и выбирается из выражения

 

где один из параметров транзистора выходного каскада ОУ (обычно 120 – 150), принимается для транзисторов при ;

постоянная времени в области верхних частот

 

После расчетов принимается конденсатор, имеющий емкость номинального значения пФ.

 

Таблица 3.5

(мкА)	(мА)
			4.6	10.9
			4.4	11.4
			4.3	11.6
			4.3	11.6
			4.3	11.6
			4.4	11.4
			4.5	11.1
			4.6	10.9
			4.6	10.9

 

Откладывая значение напряжения источника питания на оси абсцисс, необходимо провести нагрузочную линию, угол наклона которой зависит от величины сопротивления нагрузки. Начальный ток коллектора следует принять 1 мА. Для этого тока находится значение .

Семейство выходных ВАХ транзистора показано на рис. 3.8.

 

Рис.3.8. Семейство выходных ВАХ транзистора.

 

 

Построенное семейство выходных ВАХ транзистора в оконечном каскаде понадобится для оценки усилительных свойств выходной цепи схемы и для расчета нелинейных искажений.

 

 

Графический метод.

С помощью входной и выходной характеристик графически определяем коэффициент усиления ,

где определяются из графиков на рис. 3.8, 3.9.

На рис. 3.9 показана входная характеристика мощных транзисторов выходной цепи бустера [2].

Рис. 3.9. Входная характеристика транзистора.

Из рис.3.8. находятся значения токов базы и , которые на рис. 3.9. определяют для обеспечения выходного напряжения .

 

Аналитический метод.

 

Если транзисторы работают в схеме включения с общим эмиттером, то коэффициент передачи по напряжению может быть найден согласно выражению

Где входное сопротивление транзистора, находится из входной характеристики (рис.3.9) при входном токе.

- соответствует току нагрузки (рис.3.4).

 

 

Таблица 3.6

		0.55	0.5506
		0.61	0.6125
		0.65	0.655
		0.66	0.6675
		0.68	0.69
		0.69	0.7025
		0.7	0.715
		0.7	0.7175
		0.71	0.73
		0.72	0.741

 

 

Используя данные таблицы 3.5 строится сквозная характеристика

вида (рис. 3.10).

 

Рис. 3.10. Сквозная характеристика выходной цепи бустера.

 

Разбивая обрезок на четыре равные части определяются пять значений токов: . С учетом асимметрии плеч, задавшись коэффициентом асимметрии

, уточним найденные ранее пять значений токов плеч.

По полученным пяти значениям токов плеч выходного каскада рассчитываются значения амплитуд четырёх высших гармоник тока коллектора.

 

 

 

 

 

 

 

 

Проводится проверка найденных значений токов гармоник по формуле:

 

 

 

 

 

Коэффициент нелинейных искажений или коэффициент 1-ой гармоники сигнала выходного каскада рассчитывается следующим образом:

 

Рассчитанное значение коэффициента нелинейных искажений находится в пределах допустимых значений 20% – 85%.

 

С учётом частотных свойств операционного усилителя и наличия глубокой отрицательной обратной связи в выходном каскаде значение коэффициента нелинейных искажений должно быть пересчитано

 

где и - коэффициенты гармоник без ООС и с ООС,

F - глубина ООС, равная:

 

 

Полученное значение коэффициента нелинейных искажений удовлетворяет требованиям задания:

 

 

 

4. Расчет предварительного усилителя.

Схема УМ должна обеспечивать необходимое усиление, рассчитанное во втором разделе с суммарным коэффициентом усиления . В подразделе 3.6.3 найдено значение коэффициента передачи по напряжению оконечного каскада . На оставшиеся два каскада (входной и промежуточный) усиление должно составлять

Условно принимаем равное усиление в относительных единиц на каждый из каскадов с коэффициентом передачи по напряжению , где N- число каскадов, найденное в 2-ом разделе.

 

Расчёт входного каскада.

Как уже было отмечено во 2-м разделе, входным каскадом УМ является дифференциальный каскад. Произведем его расчет. Схема дифференциального входного каскада представлена на схеме рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема дифференциального входного каскада

Выбор ОУ производится из следующих соображений:

 

Принимается ОУ типа К140УД8 [1], параметры которого представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Тип

кОм

МОм

Ом

МГц

Внутр. Коррекция

К140УД8

0.5

0.2

0.15

1.0

+

 

Функциональная и принципиальная электрические схемы данного ОУ представлены на рисунке 4.2.

R=10 кОм

3

4

1

8

5

7

2

6

+

_

 

Рис. 4.2. Электрическая схема операционного усилителя типа К140УД8.

 

Далее проводится расчет элементов схемы. Рассчитывается сопротивление резисторов и :

Так как рассчитываемая схема является усилителем мощности,, то следует обеспечить согласование сопротивлений не только по выходу, но и по входу. Поэтому принимаются номинальные значения сопротивлений , равные выходному сопротивлению источника сигнала, но лежащие в пределах 5 – 10 кОм. Принимаются номинальные значения сопротивлений резисторов .

 

Сопротивление резистора рассчитывается исходя из ранее принятых значений . Тогда

 

Принимается номинальное значение .

Сопротивление резистора принимается равным :

 

 

При найденных значениях сопротивлений резисторов уточняется коэффициент передачи по напряжению усиления схемы входного каскада по формуле

 

Сопротивления регулировочного резистора принимается из следующего условия:

 

где должно соответствовать табличным данным ОУ.

 

 

Принимается переменное сопротивление номинального значения .

 

Расчёт КПД.

 

Схема выходного каскада УМ работает в режиме класса АВ. Рассчитывается коэффициент полезного действия схемы

 

 

где максимальная мощность полезного сигнала.

 

 

потребляемая мощность при данном режиме.

 

 

 

Полученное значение коэффициента полезного действия не

превышает значения 20%.

 

 

Усилителей.

 

Поскольку напряжение источника питания схемы значительно превышает допустимое напряжение питания операционных усилителей одного и промежуточных каскадов, то избыточное напряжение необходимо «погасить» с помощью фильтров в каждом из каскадов. Целесообразно включить фильтр для каждого ОУ, т.к. включение общего фильтра для всех ОУ потребует резистора с большим значением допустимой мощности ввиду большого проходящего через него тока. Поэтому принимаются фильтры в цепях питания каждого ОУ. Фильтры рассчитываются так, чтобы напряжение питания для каждого было одинаковое . Если ОУ одинаковые, то они имеют одинаковые токи потребления, то проводится расчет одной схемы фильтра, т.е. рассчитываются один резистор и один конденсатор в каждой цепи питания ОУ . На рис. 5.1. изображена схема 3-х каскадов УМ с фильтрами в цепях питания ОУ.

Как уже ранее было отмечено, входной и выходной каскады предварительного усиления УМ построены на ОУ (это видно из схемы рис. 5.1).

Рис. 5.1. Фильтры в цепях питания ОУ.

 

Для схемы принято напряжение источника питания

Расчет сопротивления резистора в фильтрах проводится по формуле

 

 

Принимается сопротивление номинального значения .

Расчет ёмкости конденсатора в фильтре проводится из условия

 

 

 

Принимается емкость номинального значения

 

Таблица 5.1

№	Обозначение	Номинал	Количество
1		Резисторы; 5.6 кОм	2
2		Резисторы; 750 кОм	2
3		Резистор; 10 кОм	1
4		Резисторы; 5.1 кОм	4
5		Резистор; 1 кОм	1
6		Резистор; 5.6 кОм	1
7		Резистор; 5.6 кОм	1
8		Резистор; 750 кОм	1
9		Резистор; 10 кОм	1
10		Резистор; 10 кОм	1
11		Резистор; 8.2 кОм	1
12		Резисторы; 6.2 кОм	2
13		Резисторы; 13 Ом	2
14		Резистор; 10 кОм	1
15		Резистор; 250 Ом	1
16		Резистор; 39 кОм	1
17		Резисторы; 4.7 кОм	2
18		Резистор; 640 кОм	1
19		Конденсаторы; 0.5 мкФ	2
20		Конденсаторы; 8 мкФ	4
21		Конденсатор; 40 пФ	1
22		Конденсатор; 50 пФ	1
23		Диоды; КС175А	2
24		Транзисторы; КТ361В, КТ315В	2
25		Транзисторы; КТ502Г, КТ503Г	2
26		Операционные усилители; К140УД8	3

NC

NC

NC

NC

NC

NC

+U

-U

+U

-U

+U

-U