|  Проектирование усилителя мощности на основе ОУ |
|
|
|
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 £ 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 = ¾¾
Pвх
Pн
получим Pвх = ¾¾ , а с учётом предыдущих приближений
Kpок
|
|
Pн
Pвх = ¾¾
b
|
5000 мВт
= ¾¾¾¾¾ =
160 мВт
30
|
2.3 Определим амплитуду
тока базы транзистора VT1 Iбvt1 :
Iк
Iб = ¾¾¾ , т.к. Iн = Iкvt1
получим :
1+b
Iн Iн 1600 мА
Iбvt1 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 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 = ¾¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом
Iвхvt1 Iбvt1 5.2*10-3
Поскольку из-за технологических особенностей
конструкции интегрального операционного усилителя К140УД6 полученное
входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (для К140УД6
минимальное сопротивление нагрузки Rmin оу = 1 кОм ), поэтому
для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы
увеличить входное сопротивление Rвх ).
Исходя из величины тока базы
транзистора VT1 Iбvt1 (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 Pвхок полученного составного оконечного каскада. Исходя из того, что
мощность на входе транзистора VT1 Pвх мы посчитали в пункте 2.2 , получим :
Pвх
Pвх 160 мВт
Pвхок = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾
= 3.2 мВт
bvt3+1 b 50
3.2 Определим амплитуду
тока базы Iбvt3 транзистора
VT3. Поскольку Iкvt3 » Iбvt1 имеем :
Iкvt3 Iбvt1 52 мА
Iбvt3
= ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾ » 1 мА
1+bvt3 bvt3 50
3.3 Определим
по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на
управляющем переходе Uбэvt3 (см.
рис. 3.4 ). Поскольку Uбэvt3 = 0.6
В , для входного
напряжения оконечного каскада Uвхок имеем:
Uвхок = Uн + Uбэvt1 + Uбэvt1 = (6.32
+ 1.2 + 0.6) В = 8 В
|
|
|
|
рис 3.4
3.4 Определим входное сопротивление оконечного каскада Rвхок :
Uвхок 8 В
Rвхок = ¾¾¾ =
¾¾¾ =
8 кОм
Iбvt3 1 мА
Полученное входное сопротивление полностью
удовлетворяет условию
Rвхок ³ Rн min оу
где Rн min оу = 1кОм (для
ОУ К140УД6).
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 Uд = 0.6 В
Расчитаем сопротивления делителя Rд1= Rд2=
Rд . Для этого зададим ток делителя Iд, который должен удовлетворять условию:
Iд ³ 10*Iбvt3
Положим Iд =
3 А и воспользуемся формулой
Ек – Uд (15
– 0.6) В
Rд = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом
Iд 3 А
5. Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС
Для улучшения ряда основных показателей и
повышения стабильности работы усилителя охватим предварительный и оконечный
каскады УМ 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 усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по
напряжению Kuоу1 равен 3*104 . Общий
коэффицент усиления обоих ОУ равен :
Kuоу = Kuоу1 * Kuоу2 = 9*108
Коэффициент усиления по напряжению каскадов,
охваченных обратной связью Ku ос равен:
Uвых ос Кu ( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) 1
Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ »
¾
Eг 1 + cKu 1 + c( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок) c
|
|
рис. 3.5
Изобразим упрощённую схему нашего усилителя ,
заменив оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5
) (ООС на схеме не показана, но подразумевеется ). Здесь Rнэкв º Rвхок = 8 кОм ; Uвых ос = Uвхок = 8 В , Ег = 15 В (из задания ).
Uвых ос 8000 мВ
Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333
Eг 1.5 мВ
1
¾ = Ku ос =
5333
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
Зададим
R1 =
0.1 кОм . Тогда :
1 R1 1
¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾ Þ
5333 = 1 + 10R2 Þ R2 = 540 кОм
Ku ос R1 + R2 5333
6. Оценка влияния параметров усилителя на
завал АЧХ в области верхних и нижних частот
Усилитель мощности должен работать в определённой
полосе частот ( от ¦н до ¦в
) . Такое задание
частотных характеристик УМ означает, что на граничных частотах ¦н и
¦в усиление снижается на 3 дБ по сравнению со средними
частотами, т.е. коэффициенты частотных искажений Мн и Мв
соответственно на частотах ¦н и ¦в
равены:
__
Мн = Мв = Ö 2 (3 дБ)
В области низких частот (НЧ) искажения зависят от
постоянной времени tнс цепи переразряда разделительной ёмкости Ср
:
_________________
Мнс = Ö 1 + ( 1
/ ( 2p¦нtнс
))2
Постоянная времени tнс зависит от ёмкости
конденсатора Ср и сопротивления цепи переразряда Rраз :
tнс = Ср* Rраз
При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в
нашем случае 2) Мн равно произведению Мнс каждой
ёмкости:
Мн = Мнс1 * Мнс2
Спад АЧХ усилителя мощности в области высоких частот
(ВЧ) обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и оконечного каскада, а
так же ёмкомтью нагрузки, если она имеется. Коэффициент частотных искажений на
частоте ¦в равен произведению частотных искажений каждого
каскада усилителя:
Мв ум = Мв1 * Мв2 * Мвок
* Мвн
Здесь Мв1 , Мв2 , Мвок
, Мвн - коэффициенты частотных искажений
соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки Сн
. Если Ku оу выбран на порядок больше требуемого усиления каскада
на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( Мв1 = Мв2
= 1).
Коэффициент искажений оконечного каскада
задаётся формулой:
_________
Мвок = 1 + ( Ö 1+ (¦в /¦b) - 1)(1 - Kuoк)
Здесь ¦b - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент
частотных искажений нагрузки Мвн , определяемый влиянием
ёмкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от
постоянной времени tвн нагрузочной ёмкости :
__________________
Мвн = Ö 1 + ( 1
/ ( 2p¦вtвн
))2
tвн = Сн* (Rвыхум | | Rн)
При неправильном введении отрицательной обратной
связи в области граничных верхних и нижних частот может возникнуть ПОС (
положительная обратная связь) и тогда устройство из усилителя превратится в
генератор. Это происходит за счёт дополнительных фазовых сдвигов , вносимых как
самим усилителем, 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 усилителя мощности, а так же оценили влияние параметров
усилителя на завалы АЧХ в области верхних и нижних частот.
Спецификация элементов
|
№ п/п
|
Обозначение
|
Тип
|
Кол - во
|
|
1
|
R1
|
Резистор МЛТ-0.5
- 0.1 кОм ± 10 %
|
1
|
|
2
|
R2
|
Резистор МЛТ-0.5
- 540 кОм ± 10 %
|
1
|
|
3
|
Rд
|
Резистор МЛТ-0.5
- 5 Ом ± 10 %
|
2
|
|
4
|
VD1-VD2
|
Диод
полупроводниковый КД223
|
2
|
|
5
|
VT1
|
Транзистор КТ817
|
1
|
|
6
|
VT2
|
Транзистор КТ816
|
1
|
|
7
|
VT3
|
Транзистор КТ315
|
1
|
|
8
|
VT4
|
Транзистор КТ361
|
1
|
|
9
|
DA1-DA2
|
Операционный
усилитель К140УД6
|
2
|
Библиографический список
1.
Д. В. Игумнов, Г.П.
Костюнина - “Полупроводниковые устройства
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: “Энергоатомиздат”, 1985 г.
Страницы: 1, 2
|
© 2009 Все права защищены.
Наверх