Расчет усилителя мощности. 4

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение  высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

 

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ  ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

 

 

 

Курсовой проект

 

по электронике

 

на тему: Расчет усилителя мощности

вариант 19

 

 

 

Студент: Медянцев К.М.

                     Факультет: Кибернетика

            Группа:КС-41-10

 

(подпись, дата)

 

Научный руководитель

Доц. Савицкий В.А.

 

Москва 2012 г.

 

Оглавление

                                                                                                                                                      Страницы

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                                  12

3.4. Полный расчёт бустера  выходного каскада_______________13

3.5. Построение выходной  ВАХ____________________________17

3.6. Оценка усилительных  свойств выходного каскада_________19

3.6.1. Графический метод___________________________ 20

3.6.2. Аналитический метод _________________________21

3.6.3. С учетом местной  обратной связи                              21

3.7. Оценка нелинейных  искажений                                                  21

4. Расчёт предварительных усилителей                                                     26

4.1. Расчёт входного каскада                                                              26

4.2. Расчёт промежуточного каскада                                                 28

4.3. Построение ЛАЧХ 2-го каскада ________________________29

5.Полный расчёт схемы усилителя                                                            30

5.1. Оценка усилительных  свойств схемы                                        30

5.2. Расчёт емкостей разделительных  конденсаторов                     30

5.3. Проверка работы в  области ВЧ                                                   31

5.4. Расчёт КПД                                                                                   32

5.5. Расчёт фильтров в  цепях питания ОУ ___________________32

5.6. Электрическая схема и спецификация элементов  _________33

Список использованной литературы ____________________________36

 

1.Задание на курсовое  проектирование.

Задание

на курсовое проектирование по курсу   ЭЛЕКТРОНИКА

для студента  Медянцева К.М. группы КС-41-10

вариант 19

 

Выбрать и рассчитать схему усилителя  переменного сигнала на основе операционного  усилителя с оконечным каскадом на биполярных транзисторах, работающего от источника напряжения с ЭДС генератора Е_Г=0.5 мВ и выходным сопротивлением R_Г. Усилитель имеет дифференциальный вход и бестрансформаторный выход с выходным напряжением U_{ВЫХ.макс}. Схема работает на нагрузку с сопротивлением R_Н, зашунтированную конденсатором С_Н. В схеме предусмотреть плавную регулировку усиления от 0 до U_{ВЫХ.макс.}

Коэффициент частотных искажений на граничных  частотах f_Н и f_В не должен превышать заданных значений М_Н и М_В. 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 %

 

Таблица 1.1

№	UВЫХ макс  В	RН Ом	RГ кОм	Сн пФ	fН Гц	fВ кГц	Мн;Мв дБ
19	25	240	5,6	47	75	9,2	3,1

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор  и обоснование схемы усилителя

 

Во 2-ом разделе РПЗ проводится общий  расчет усилителя мощности с представлением структурной схемы.

Сначала находится выходной ток или ток  в нагрузке:

= 104,2 (мА), где

Затем производится вычисление тока генератора:

= =0,0893 (мкА)

Рассчитывается  коэффициент усиления по току:

= =

Находится требуемый коэффициент усиления по напряжению

 = =

Мощность  сигнала в нагрузке может быть найдена как

= =1,3021(Вт)

Соответственно, коэффициент передачи по мощности

= =58345*

 

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

=20*lg(50000)=94(дБ), =20*lg(1166900)=121.3(дБ), =10*lg(50000*1166900)=107,7(дБ).

Исходя  из условия, что на один каскад усиление принимается  
20 – 40 (дБ), принимается К_{u i}=32дБ близкое к максимальному значению и находится необходимое число каскадов N рассчитываемой схемы

 

= =2,9375

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. 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

1

2

Н

3

 

 

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.

 

 

 

 

3. Расчет выходного каскада

3.1. Выбор схемы усилителя мощности

Рассмотрим 3схемы усилителя  мощности[1]:

1. Инвертирующий УМ с бустером напряжения, управляемый с выхода ОУ(рис.3.1) 
2. Инвертирующий УМ с бустером напряжения, управляемый по цепям питания ОУ(рис.3.2)

3. Неинвертирующий УМ с токовым бустером по схеме повторителя с квазикомплементарной симметрией(рис.3.3)

Рис.3.1 Инвертирующий УМ с бустером напряжения, управляемый с выхода ОУ

Бустер напряжения на рис.3.1 управляется выходным сигналом ОУ. Транзисторы Т₁-Т₄ включены по схеме с ОЭ. Диоды Д₃,Д₄ обеспечивают смещение на базы транзисторов Т₃,Т₄.Коллекторной нагрузкой транзисторов Т₃,Т₄ являются входные сопротивления мощных оконечных транзисторов Т₁,Т₂.Резистор R₅ обеспечивает последовательную ООС по напряжению  в бустере, повышает стабильность работы и снижаем нелинейные искажения. Конденсатор С_кор компенсирует фазовые искажения в бустере. Через резистор R_ос осуществляется общая ООС всего УМ. Схема включения ОУ не зависит от бустера и может быть инвертирующей, или неинвертирующей, или дифференциальной. Нелинейные искажения бустера в основном определяется разбросом параметров комплементарных пар транзисторов Т₁,Т₂ и Т₃,Т₄.

Рис.3.2 Инвертирующий УМ с бустером напряжения, управляемый по цепям питания ОУ

Бустер напряжения, показанный на рис.3.2,управляется по цепям питания ОУ. Ток, потребляемый от источников питания, в основном определяется выходным каскадом ОУ, который работает в режиме АВ и будет пропорционален величине выходного сигнала. Поэтому тока питания ОУ можно использовать для управления мощным оконечным каскадом. Благодаря подключению к выходу ОУ резистора R₅ небольшого номинала(R₅= 0,5R_{н min}) через оконечный каскад ОУ, а, следовательно, и в цепи питания ОУ протекает значительный ток, который управляет коллекторным током транзисторов Т₃,Т₄,включенных по схеме ОБ. Это позволяет при небольших сопротивлениях резисторов в коллекторных цепях R₃,R₄ получить значительное по величине напряжение, управляющее мощными выходными транзисторами Т₁,Т₂,включенными по схеме ОЭ. При использовании бустера напряжения выходное напряжение ОУ ограничено и не достигает максимальной величины.

 

Сравнивая схемы  рис.3.1 и 3.2,можно сказать, что управление по цепям питания имеет следующие преимущества:

1. меньше нелинейные искажения, так как каскад, включенный по схеме с ОБ, имеет более линейные характеристики;
2. частотные свойства транзисторов Т₃,Т₄ слабо влияют на полосу пропускания;
3. ОУ в схеме рис.3.2 лучше защищен от короткого замыкания нагрузки бустера и пробоя оконечных транзисторов;
4. несколько упрощает схему отсутствие двух диодов смещения.

Однако управление бустером с выхода ОУ в литературе встречается чаще, так как по остальным параметрам схемы рис. 3.1 и 3.2 близки, и сказывается сила привычки к традиционному способу управления. 
Бустеры напряжения, показанные на рис.3.1 и 3.2,уступают токовым бустерам по величине К_г, но позволяют получить напряжения на нагрузке, превышающее U_{оу max}.

 

                                   Рис.3.3 Неинвертирующий УМ с токовым бустером по схеме повторителя с квазикомплементарной симметрией

Бустер на рис.3.3,собран по схеме эмиттерного повторителя с квазикомплементарной симметрией. В этой схеме в выходном каскаде использованы транзисторы Т₁,Т₂ одного типа проводимости, а транзисторы Т₃,Т₄ различных типов. Для повышения температурной стабильности в этом каскаде, при малых токах нагрузки выходные транзисторы заперты, для чего падение напряжения на резисторах R₁,R₂ от тока покоя транзисторов Т₃,Т₄ составляет 0.4В.Общее падение напряжения на диодах Д₁,Д₂ должно составлять  U=0.7B*2+0.4=1.8B 
Недостаток бустера тока в том, что в отличие от бустера напряжения, он не позволяет получить на нагрузке сигнал, превышающий величины входных токов и напряжений ОУ.

На основании  проведенного обзора, сравнения достоинств и недостатков вышеприведенных  схем, к дальнейшему расчету принимается  схема инвертирующего УМ с бустером напряжения, управляемым по цепям питания ОУ, изображенная на рис.3.2.

3.2. Выбор транзисторов

Производим выбор транзисторов для схемы выходного каскада. Предварительно производим выбор напряжения источника питания.

Напряжение  источника питания находится  из условия

, обычно  U_{кэ min} ≈ 3 ¸ 4 (В).

Из списка номинальных значений напряжений источников постоянного питания выбирается необходимое значение и принимается величина E_п=30(В).

Рассчитывается мощность, потребляемая оконечным каскадом

где I_кср – средний ток транзисторов при максимальной амплитуде.

  (мА)

Соответственно определяется значение мощности (Вт)

 

Далее рассчитывается мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора выходной цепи

=

если  = (Вт)

При этом следует иметь в виду, что 

Выбирается  пара комплементарных транзисторов Т₃, Т₄ средней мощности, которые должны удовлетворять следующим условиям.

1.                     (104,2 мА< 0,3А)
2. U                                 (80 В> 60 В)
3.                                    (0.34475 Вт < 0.5 Вт)
4.                                       (9.2 кГц < 5000 кГц)

где I_{к доп}, U_{кэ доп}, – предельные параметры транзисторов.

На основании  этих условий выбирается пара комплементарных  транзисторов KT502Б и КТ503Б, имеющая параметры [1]

Таблица 3.1

Тип транзистора		(А)	(В)	(Вт)	(МГц)	от –  до
p-n-p	n-p-n
KT502Б	KT503Б	0.3	25-80	0.5	5	15-480

 

Рис.3.4 Зависимость статического коэффициента передачи тока от тока эмиттера(КТ502Б p-n-p типа)

Рис.3.5 Зависимость статического коэффициента передачи тока от тока эмиттера(КТ503Б n-p-n типа)

3.3. Выбор операционного усилителя

для схемы выходного каскада

Осуществляем  выбор операционного усилителя для схемы бустера.

Выбор производится из следующих соображений:

• По напряжению £ U_н,
• По току:

Рассчитаем  ток потребления ОУ , исходя из базового тока выходного транзистора схемы. Если считать, что для бустера напряжения

= (мА)

Тогда = = (мА)

Для бустера  тока (рис.3.1) справедливы соотношения:

.В свою очередь

Таким образом, значение оказывает влияние на выбор ОУ для бустера напряжения.

• По частоте усиливаемого сигнала

f > fв, где f =f_Т и fв верхняя граничная частота (из задания),

Исходя  из вышеперечисленных условий, производится выбор ОУ для бустера [1]. Принимается ОУ K140УД5Б, параметры которого представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Тип

UИП В

I потреб мА

Uвых .max. B

RН.min кОм

KУ собствен. коэф. усилне.

Uвх. сф max. B

Iвх. нА

∆Iвх. нА

Rвх. MОм

Rвых. Ом

fT МГц

Внутренняя коррекция

K140УД5Б

±12

12

-4.5

5

1000

±6

10000

5000

0.003

1000

14

-

Функциональная и принципиальная электрические схемы данного ОУ представлены на рисунке 3.6

Рис.3.6. Функциональная и принципиальная электрические  схемы операционного усилителя типа K140УД5Б

3.4. Полный расчет бустера

Производим полный расчет схемы выходного каскада

3.4.1. Расчет схемы бустера напряжения, управляемого по цепям питания  ОУ.

Сопротивление резистора R₇ выбирается из условия максимального

тока, потребляемого операционным усилителем

Определим токи через транзисторы VТ₃, VТ₄

 (мА)

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

Напряжения  на базах транзисторов VТ₁, VТ₂ задаются параметрическими стабилизаторами R₁ VD1 , R₂ VD2 (рис. 3.2) и определяются выбранными стабилитронами или светодиодами. Обычно значение напряжения на диоде равно 0.7 В.

Сопротивления резисторов R₅, R₆ выбираются из условия обеспечения режима АВ в транзисторах выходной цепи

(Ом).

Принимаются номинальные  значения сопротивлений (Ом)

Мощность, рассеиваемая каждым из транзисторов Т₁, Т₂, равна

(Вт).

На основании  проведённых расчётов выбирается пара комплементарных транзисторов VТ₁, VТ₂ . удовлетворяющих следующим требованиям. Числовые значения в скобках обязательны:

1.                      {0,1(А)>0.01122(А)}
2.                                        {50(В)>30(В)}
3.                                       {0.25(Вт)>0,202(Вт)}
4.                                          {100(МГц)>9.2(кГц)}

Принимаются транзисторы малой мощности [2], параметры которых приведены в таблице 3.3.

 

Таблица 3.3

Тип транзистора		(A)	(В)	(Вт)	(МГц)	от – до
p-n-p	n-p-n
KT3107А	KT3102А	0.1	50	0.25	100	100-1000

Рис.3.7 График зависимости коэффициента передачи от тока коллектора для транзистора КТ3102(n-p-n типа)

 

Рис.3.8 График зависимости коэффициента передачи от тока коллектора для транзисторов КТ3107(p-n-p типа)

 

Сопротивление резистора R₁ 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 К_u.УМ = 4. Тогда и с учетом входного тока ОУ I_{вх ОУ}  находится сопротивление резистора R_{1 .} Найденное значение сопротивления может иметь большое значение. С учетом условия, что для ОУ, выпускаемых отечественной промышленностью, это сопротивление лежит в пределах (5 10) (кОм), принимается номинальное значение сопротивления резистора R₁=10(кОм).

Тогда с  учетом местной обратной связи в  схеме выходного каскада УМ находится  сопротивление R₈ 

(кОм)

Принимается номинальное  значение сопротивления 43 кОм .

Рассчитывается  сопротивление резистора R₃

(кОм)

Принимается номинальное значение сопротивления  =8,2(кОм)

Диоды VD1 и VD2 выбираются в соответствии с условиями:

,

где - токи базы транзисторов VT₁, VT₂.

_=0,63 (мА).

 , -допустимые диапазоны изменения тока стабилитрона.

Выбираются стабилитроны  КС139А [5], имеющие

1. I_ст=10(мА),I_{ст min}=3(мА),I_{ст max}=70(мА)
2. U_ст=3,9(В)

Сопротивления резисторов R₂ и R₄ находятся как

(кОм),

и принимаются в соответствии с номинальными значениями сопротивлений (кОм)

Конденсатор С₁ служит для коррекции частотной характеристики бустера и выбирается из выражения

,

где один из параметров транзистора выходного каскада ОУ (обычно 120 – 150),

 принимается для транзисторов  VТ₁, VТ₂ при I_К =I_Н.для VТ_1,2.

 -постоянная времени в области верхних частот

 

 

После расчетов принимается конденсатор, имеющий емкость номинального значения .

3.5. Построение семейства выходных

вольтамперных характеристик

В подразделе производим построение семейства выходных ВАХ выходных транзисторов оконечного каскада. Строятся они при использовании справочной зависимости коэффициента передачи тока одного из транзисторов выходной цепи [3], принятых в подразделе 3.2, от тока коллектора или тока эмиттера. График зависимости = f (I_к) или = f (I_э) в общем случае имеет вид (рис.3.4)

Для построения семейства  выходных ВАХ транзистора находим значения коэффициентов или h_21э для каждого из значений принятых токов. Обычно принимаются 6 – 8 значений токов. Исходя из найденных величин h_{21э i} при i-ом значении тока определяются значения токов базы . Все значения токов коллектора (эмиттера) и найденные коэффициенты h_21э и токи I_бi заносятся в таблицу 3.4.

 

Таблица 3.4.

Iэ (мА)	h21э	Iбi (мкА)
1	88	11.36
10	133	75.18
20	140	142.85
40	130	307.7
60	118	508.5
100	104	961.54
104.2	102	1021.56

Под углом  наклона к оси абсцисс через  начало координат проводится линия критических режимов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.9 Аппроксимация к построению выходных ВАХ транзистора

Рассчитаем наклон ВАХ (таблица 3.4).

=40(В).Принимаем r_кб=700(кОм).Следует определить приращение коллекторного тока с учетом выражения . С другой стороны . Полученные значения ∆I_к  заносятся в таблицу 3.5.

_{Таблица 3.5}

Iбi(мкА)	Iк(мА)	h21э	∆Iк(мА)
11.36	1	88	5.09
100	14	135	7.71
150	27	137	7.89
300	39	131	7.54
500	59	119	6.86
950	97	104	6
1020	104.2	102	5.88
1050	105	100	5.77

Откладывая  значение напряжения источника питания  на оси абсцисс, необходимо повести 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.3.7.

 

 

 

Рис.3.10. 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.

3.6. Оценка усилительных свойств  выходного каскада

Оцениваем усилительные свойства выходного каскада различными методами.

3.6.1. Графический метод

С помощью входной и выходной характеристик графически определяем коэффициент усиления.

 

 

где , определяются из графиков на рис.3.10, 3.11

На рис. 3.11 показана входная характеристика мощных транзисторов выходной цепи бустера.

 

Рис.3.11. Входная характеристика транзистора

 

 Из рис.3.10 находятся значения токов базы и , которые на рис. 3.11 определяют для обеспечения выходного напряжения .

3.6.2. 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.3.11) при входном токе . Величина определяется графически. В точке тока на касательной к входной характеристике строится треугольник, из которого определяется входное сопротивление по переменному току

 соответствует току нагрузки (рис.3.4).

3.6.3. С учетом местной обратной  связи

Исходя из найденных номинальных  значений сопротивлений резисторов R₈  и R₁ , рассчитывается коэффициент передачи по напряжению бустера

 

Естественно, все рассчитанные значения коэффициентов  передачи по напряжению должны быть неодинаковыми, но 1-ое и 2-ое значения должны быть близкими по величине.

3.7. Оценка нелинейных искажений

Наибольшие искажения в схеме  УМ обусловлены наличием в тракте усиления нелинейных элементов (элементов  с нелинейными характеристиками – транзисторов и др.), а также не симметрией двухтактного выходного каскада. Наибольшие нелинейные искажения вносятся бустером, где амплитуда сигнала максимальна. Коэффициент нелинейных искажений К_НИ = К_гарм в значительной степени зависит от режима работы (класса усиления) схемы бустера, разброса параметров пар комплементарных транзисторов.