Разработка усилителя
Содержание
Содержание…………………………………………………… |
2 | ||||||||||||
|
3 | ||||||||||||
1. |
Выбор схемы выходного каскада…………………………....... |
7 | |||||||||||
2.
|
Расчет напряжений питания Е, потребляемой мощности Ро, КПД, мощности на коллекторах оконечных транзисторов Рк… |
8 | |||||||||||
3. |
Выбор оконечных транзисторов,
расчет площади теплоотводов………………………… |
10 | |||||||||||
4. |
Расчет элементов усилителя мощности………………………..... |
12 | |||||||||||
5. |
Выбор ОУ для усилителя мощности, расчет элементов цепи ООС………………………………………………………………… |
16 | |||||||||||
6. |
Расчет предварительного
усилителя .............................. |
18 | |||||||||||
7. |
Проектирование блока питания.………………………………… |
24 | |||||||||||
|
|||||||||||||
Приложения 1. (Спецификация устройства)
Приложение 2. (Схема электрическая принципиальная устройства)
Введение
Усилителями мощности (УМ) называют электронные усилители, выходная мощность которых сравнима с мощностью, потребляемой от источника питания. Усилители мощности являются выходными каскадами многокаскадных усилителей и предназначены для получения в нагрузке Rн заданной мощности Рн. УМ работают в режиме больших сигналов, поэтому при их проектировании основное внимание уделяется энергетическим показателям.
В зависимости от положения точки покоя на статических ВАХ активных приборов УМ делятся на классы. Количественной характеристикой класса усилителя служит угол отсечки θотс - выраженная в градусах половина длительности той части периода усиливаемого сигнала, в течение которой через активный прибор протекает ток.
В современных усилительных устройствах УЭ (усилительные элементы: транзисторы) могут работать в различных режимах: А, В, АВ, С, AD, BD, BE и ABE. Сравнительно большой ряд режимов работы УЭ объясняется как многообразием самих усилителей, так и очень широкой областью их применения.
Из выходных статических ВАХ УЭ следует, что для получения заданной начальной рабочей точки (точки покоя), которая практически определяет режим работы УЭ, необходимо обеспечить определенный режим питания УЭ по постоянному току.
Режим А характеризуется тем, что точка покоя выбирается в средней используемой для работы части нагрузочной ВАХ (нагрузочной прямой) транзистора таким образом, чтобы при движении по линии рабочая точка не попадала в области отсечки коллекторного тока и насыщения, а транзистор в течение всего периода усиливаемых сигналов оставался в активном режиме.
Положение точки покоя на нагрузочной прямой определяется минимальным допустимым током покоя выходной цепи транзистора, который прямо пропорционален выходной мощности и обратно пропорционален КПД и напряжению питания. Крайние положения точки покоя на нагрузочной прямой должны соответствовать выбранной амплитуде входного сигнала, чтобы обеспечивать эффективный энергетический режим УЭ. Верхнее положение точки покоя выбирается на изгибе выходной статической ВАХ при максимальной амплитуде сигнала. Если верхнее положение точки покоя отличается от указанного, ее передвигают и вновь проводят нагрузочную прямую через точку покоя и верхнее ее положение, что несколько изменяет сопротивление нагрузки по переменному току.
Если под действием дестабилизирующих факторов (изменения температуры, напряжения питания, радиации и др.) или в результате неправильно выбранного режима питания УЭ по постоянному току точка покоя нагрузочной прямой сместится вниз, то форма отрицательной полуволны синусоидального тока коллектора исказится, так как ток покоя Iк окажется меньше амплитудного значения тока Ikm.
В свою очередь, если точка
покоя нагрузочной прямой под
действием дестабилизирующих
Таким образом, чтобы
не допустить искажения
Однако режим А в принципе не в состоянии обеспечить высокий КПД, так как независимо от уровня усиливаемого сигнала УЭ потребляет от источника питания все время примерно одинаковую мощность. Это связано с тем, что коэффициенты использования коллекторного тока и коллекторного напряжения в режиме А всегда меньше единицы ( ). Отсюда КПД транзисторного усилительного каскада, работающего в режиме А, всегда меньше 0,5:
По этой причине режим A в мощных оконечных каскадах, где КПД играет определяющую роль, практически не применяется.. Поскольку в режиме А отсутствует отсечка коллекторного тока, то характеризовать этот режим углом отсечки не принято, хотя с определенной оговоркой можно считать угол отсечки в этом режиме равным π.
В режиме В точка покоя
соответствует закрытому
Рис.1. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе усилителя класса В
В режиме В УЭ работает с отсечкой тока (полпериода пропускает ток, полпериода закрыт. Такой режим принято характеризовать углом отсечки, который равен половине длительности импульса в угловом исчислении. В идеализированных условиях, когда ВАХ УЭ аппроксимируется ломаной прямой, угол отсечки в режиме В равен π/2. Чтобы обеспечить режим В для электронных ламп, полевых транзисторов и биполярных транзисторов, у которых наблюдается неуправляемый обратный ток коллектора, сильно зависящий от температуры, точку покоя не следует выбирать на оси абсцисс. Для идеализированного случая функция, описывающая косинусоидальные импульсы тока с углом отсечки π/2, раскладывается в ряд Фурье, с помощью которого определяется среднее значение тока, протекающего через УЭ:
Из этого выражения следует, что среднее значение тока зависит от амплитуды усиливаемого сигнала. Когда сигнал отсутствует, среднее значение тока равно нулю и УЭ не потребляет энергию от источника питания. В связи с этим потребляемая энергия УЭ в режиме В оказывается на порядок меньше, чем в режиме А.
Кроме того, за счет лучшего использования тока ( коэффициент использования тока ) предельное значение КПД для режима В
ηв = 0,785. Естественно, что при более высоком КПД каскада в УЭ теряется меньшая мощность, он слабее нагревается. Кроме того, при одной и той же рассеиваемой на коллекторе (стоке) мощности полезная мощность на нагрузке может быть больше в пять раз, чем в режиме А.
В режиме В, в несинусоидальном токе велика доля гармоник, что приводит к сильному искажению усиливаемого сигнала. Например, амплитуда второй гармоники в импульсах тока составляет 0,425 от первой. Для подавления значительных четных гармоник при работе УЭ в режиме В необходимо использовать специальные схемотехнические методы – симметричные двухтактные схемы. Они содержат идентичные плечи, УЭ которых открываются сигналом поочерёдно и соединены с нагрузкой таким образом, чтобы из двух токов с углом отсечки , сдвинутых по фазе на π относительно друг друга, в нагрузке получается суммарный синусоидальный ток.
Если угол отсечки больше π/2, но меньше π, то получается промежуточный режим АВ между режимами А и В . Для него характерно положение рабочей точки, при котором начальный коллекторный ток Ikо не столько мал, как в режиме В.
Если в режиме А нелинейные искажения возрастают с увеличением амплитуды усиливаемого сигнала, то в режиме В нелинейные искажения могут появляться и при малых уровнях сигнала, за счет нелинейности начальных участков ВАХ УЭ.
Режим АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ УЭ.
Рис.2. Временные диаграммы сигналов на входе и выходе УМ-АВ
При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений, полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ УЭ. При использовании режима АВ в двухтактном каскаде помимо уменьшения нелинейных искажений можно упростить цепи питания УЭ, что имеет существенное значение для повышения надежности.
Точка покоя на нагрузочной прямой в режиме АВ выбирается выше, чем в режиме В. При этом ток покоя УЭ должен составлять 0,2...0,3 от его максимального значения.
Нелинейные искажения сигнала, вызываемые криволинейностью начального участка входных характеристик транзистора, несколько меньше, чем в режиме В. Экономичность цепи питания усилителя в режиме АВ несколько хуже, чем в режиме В.
- Выбор и обоснование схемы выходного
каскада
Схема усилителя мощности приведена на рис.1. Вид отрицательной обратной связи – параллельная.
Рис.1.1 Усилитель мощности
Операционный усилитель DA обеспечивает заданное значение напряжения на нагрузке, а усилитель мощности как правило имеет коэффициент Ku£1 и усиливает сигнал ОУ по току и, следовательно, по мощности. В тех случаях, когда выходное напряжение ОУ меньше Uнm, выходной каскад должен иметь Ku³1, и для этого содержать транзисторы, включенные по схеме ОЭ.
Рис. 1.2 Типовая схема выходного каскада
2. Расчет напряжений
питания Е, потребляемой
Напряжения питания выходного каскада выбирают из условия
где DU равно сумме минимального напряжения на источнике тока
Iо (1-2В) и напряжений Uбэ транзисторов. Типовые значения DU =(3¸5)В и должны уточняться для каждой схемы ВК.
Е = Uнm + DU = 6,25 + 3 = 9,25(В)
На рис.2.1 построены линии нагрузки выходных (оконечных) транзисторов.
Рис 2.1 Линии нагрузки полевых транзисторов
Рассчитаем энергетические параметры усилителя класса АВ:
Среднее значение потребляемого тока:
Потребляемая мощность:
Выходная мощность (на нагрузке):
Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных (оконечных) транзисторов:
Коэффициент полезного действия:
Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных транзисторов, имеет максимум:
(Вт) (2.7)
при (В).
Строим зависимости мощностей Ро, Рн, Рк и КПД от максимального напряжения на нагрузке Uнм.
Рис 2.2 Зависимости Ро, Рн, Рк от Uнм.
Рис 2.3 Зависимость КПД от Uнм.
3. Выбор оконечных транзисторов, расчёт площади теплоотвода
Выходные транзисторы выбираем по предельно-допустимым параметрам :
( 3.1 )
По справочнику подбираем пару комплементарных транзисторов, имеющих близкие параметры :
Таблица 3.1. Предельные электрические
параметры оконечных
Параметры |
VT4 КТ819Б (n-p-n) |
VT5 КТ818Б (p-n-p) |
|Uкэмакс|, В |
40 |
40 |
Iкмакс, А |
15 |
15 |
Ркмакс, Вт |
60 |
60 |
βмин |
20 |
20 |
Тпмакс, град |
125 |
125 |
Согласно Рис.1.2., это будут транзисторы VT4 ( КТ819Б ) и VT5 ( КТ818Б ).
Рассчитаем площадь
теплоотвода для транзистора VT
Общее тепловое сопротивление:
где Тс = (35 ¸ 40) 0С –температура окружающей среды,
DТ = (5¸10) 0С - температурный запас.
Общее тепловое сопротивление складывается из составляющих :
RТ = RТП–К + RТКТ + RТТС
,
где RТК-Т – тепловое сопротивление корпус транзистора - теплоотвод,
RТТС – тепловое сопротивления теплоотвод – окружающая среда,
RТПК - тепловое сопротивления коллекторный переход – корпус.
Выберем RТК-Т = 0,2 град/Вт.
где - коэффициент, зависящий от условий теплообмена радиатора с окружающей средой.
Согласно формуле ( 3.2 ) определяем:
RТТ-С = RТ - RТПК + RТКТ = 47.72 – 1,67 – 0,2 = 45.85 град/Вт.
Но, тогда площадь теплоотвода равна:
Так как параметры VT4 и VT5 одинаковые, то площадь теплоотвода равна транзистора VT5 равна 21.81 см².
Суммарная площадь теплоотводов для двух транзисторов:
см².
Рис.3.1. Зависимость Тпмакс(Т) оконечных транзисторов
- Расчет элементов усилителя мощности
Резисторы, включенные параллельно эмиттерным переходам предоконечных транзисторов, предотвращают режим обрыва базы выходных транзисторов при запирании предоконечных транзисторов и выбираются в пределах 100-500 Ом:
|
Выбираем R3=R4=510 Ом, МЛТ- 0.5 - 510 Ом ±5%. |
Определяем входной ток выходных транзисторов VT2-3:
Выбираем предоконечные транзисторы по предельно-допустимым параметрам:
(А)
Ukemax ³ 2Е=18.5 (В)
Выбираем комплементарную пару n-p-n и p-n-p транзисторов , имеющих близкие параметры VT2: КТ660А (n-p-n) и VT3: КТ639A (p-n-p)
Uкэмакс2=45 В |
Iкмакс2=0.8 А |
Ркмакс2 =1 Вт |
βмин2=100 |
Uотп2=0,5 В |
Uкэмакс3=45 В |
Iкмакс3=1,5 А |
Ркмакс3 =1 Вт |
Βмин3=100 |
Uотп3=0,5 В |
После выбора предоконечных транзисторов определяем входной ток усилителя мощности:
Определяем = 0.7 В
(мA),
Напряжение Uke транзистора VT1 устанавливают равным:
Uke1=Uсм = UБЭотп2 + UБЭотп4+ UБЭотп3 + UБЭотп5
Uke1=Ucm=0,5+0,5+0,5+0,5=2 (В)
Транзистор VT1 включен по схеме с коллекторной стабилизацией – с отрицательной обратной связью по напряжению Uke. Напряжение на нем:
Определив требуемое значение Uсм и задавшись R2=1кОм, рассчитываем R1. В качестве R1 выбираем подстроечные резисторы примерно удвоенного номинала, чтобы иметь возможность перекрыть погрешности расчетов, вызванные неопределенностью учитываемых характеристик транзисторов.
(кОм)
Выбираем R2 - МЛТ резистор из ряда Е24 :
МЛТ- 0.125 - 1 кОм ±5%.
Выбираем R1- подстроечный резистор из ряда Е24 [6]:
СП3 – 38а – 0.125 – 2,2
кОм
Источники тока Io обеспечивают режим стабилизации Uсм и их величина должна быть: Io ³ I .
Выбор источника тока:
Схема источника тока приведена на рисуноке 4.1. Ток Io – это ток коллектора VT1, включенного по схеме с фиксированным потенциалом базы (резисторы R1-R2), эмиттерной стабилизацией (R3) и термокомпенсацией (VD1). Потенциал базы UБ для сохранения активного режима транзистора должен удовлетворять условию:
Uб ³ Uнm+0.5×Uсм.
Uб ³ 6.25+0.5×2=7.25 (В)
Рис. 4.1 Схема источника тока.
Заменяем диод VD1 на транзистор VT1` с такими же параметрами, как у транзистора VT1.
Рис.4.2 Схема источника тока с применением транзистора вместо диода.
Выбираем транзистор VT1 по предельным параметрам:
Ukemax >2×E = 18.5 (В)
Рkmax> E×Io =9.25 =9.25(мВт)
Выбираем транзисторы:
VT1: КТ373В (n-p-n)
VT6: КТ373В (n-p-n)
VT7: КТ373В (n-p-n)
VT8: КТ373В (n-p-n)
VT9: КТ373В (n-p-n)
Параметры выбранного транзистора:
Uкэмакс1=30 В |
Iкмакс1=50 мА |
Ркмакс1 =150 мВт |
βмин1=100 |
Выбираем ток делителя:
Idel = (5¸10)×Iob = (5¸10)×Io/b=
Определив требуемое значение Iдел, рассчитываем резисторы:
Выберем Uб=8 В.
(кОм)
(кОм)
(Ом)
Выбираем R5, R6, R7 - МЛТ резисторы из ряда Е24:
R6: МЛТ- 0.125 – 110 кОм ±5%.
R5: МЛТ- 0.125 – 1 кОм ±5%.
R7: МЛТ- 0.125 - 560 Ом ±5%.
R8: МЛТ- 0.125 – 110 кОм ±5%.
R9: МЛТ- 0.125 – 1 кОм ±5%.
R10: МЛТ- 0.125 - 560 Ом ±5%.
- Выбор ОУ для усилителя мощности, расчет элементов цепи ООС
Рис. 5.1 Усилитель мощности – применена последовательная ООС по напряжению
Определяем необходимые параметры в операционном усилителе:
(А)
Выбираем DA1: КР1408Д1
Параметры выбранного ОУ:
КР1408Д1 |
Iвых=10мА |
Vuвых=2 В/мкс |
Uсм=50 мВ |
Uвых=20В |
∆Iвх=0,2нА |
f1=0,5MГц |
Кu=70000 |
Iп=5мА |
Необходимое значение глубины обратной связи достигается применением операционных усилителей (ОУ) с большим коэффициентом усиления. Для сохранения значения глубины ООС на частотах десятки килогерц общее усиление замкнутого усилителя рекомендуется выбирать из условия
Кум = ±(1¸3).
Выберем Кум = 1.
6. Расчет предварительного усилителя
Предварительный усилитель должен быть двухкаскадным, причем один из каскадов инвертирующий, а другой – неинвертирующий, в любой последовательности. Общее усиление распределяется примерно поровну между первым и вторым каскадами.
Общее усиление:
а) Подбор ОУ
Рис.6.1. Схема предусилителя
Выберем DA2 и DA3: КР1408Д1
Параметры выбранных ОУ:
Iвых=10 мА |
Vuвых=2 В/мкс |
Uсм=50 мВ |
Uвых=20 В |
∆Iвх=0,2 нА |
f1=0,5MГц |
Кu=70000 |
Iп=5мА |
б) Расчет элементов цепей ООС.
Тогда,
где Кпу – общий коэффициент усиления предусилителя.
Распределим усиление между каскадами предусилителя примерно поровну.
Тогда К1пу=К2пу=64
Рассчитаем первый каскад предусилителя (инвертирующий): Кпу1=64.
Резисторы определим из условия:
Выбираем: тогда (кОм)
R1: МЛТ-0,25-10 кОм
R2: МЛТ-0,25-620 кОм
Коэффициент передачи цепи ОС:
На постоянном токе глубина ОС:
На переменном токе из-за снижения Кu(f) уменьшается глубина обратной связи и изменяется усиление. Граничная частота ОУ:
Граничная частота замкнутого усилителя:
Максимальный коэффициент усиления на верхней частоте:
Глубина ОС:
Усиление:
Рассчитаем второй каскад предусилителя (неинвертирующий): Кпу2=64.
Резисторы определим из условия:
Выбираем: тогда
(кОм)
Коэффициент передачи цепи ОС:
На постоянном токе глубина ОС:
На переменном токе из-за снижения Ku(f) уменьшается глубина обратной связи и изменяется усиление. Граничная частота ОУ.
Граничная частота замкнутого усилителя:
(Гц)
Максимальный коэффициент усиления на верхней частоте:
Глубина ОС:
Усиление:
в) Расчет режима покоя предварительного усилителя с учетом напряжения смещения и входных токов ОУ.
Рассчитаем режим покоя предусилителя: Uсм= 50 (мВ), а Iвх=0,2 (нА).
Для 1-го ПУ:
Остаточное напряжение, приведённое ко входу:
Напряжение ошибки, приведённое к выходу:
(В)
Для 2-го ПУ:
Остаточное напряжение, приведённое ко входу:
Напряжение ошибки, приведённое к выходу:
(В)
г) Расчет разделительных конденсаторов исходя из заданной нижней частоты.
Для удаления постоянной составляющей ошибки на входе ОУ, ставим разделительные конденсаторы.
Производим расчет конденсаторов:
С1: |
К53-14-50В-10мкФ 10%. |
С2: |
К53-14-35В-39пФ 10%. |
