Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 44
План
Введение 1. Разработка структуры усилителя 2. Разработка и расчет оконечного каскада усилителя мощности 2.1. Выбор первой пары транзисторов 2.1.1. Построение нагрузочной прямой в режиме В 2.1.2. Построение мощностных характеристик 2.1.3. Построение нагрузочной прямой в режиме АВ 2.2. Выбор второй пары транзисторов 2.2.1. Построение нагрузочной прямой в режиме В 2.2.2. Построение нагрузочной прямой в режиме АВ 2.3. Расчет напряжения смещения 2.4. Нелинейные искажения 3. Разработка и расчет предоконечного каскада 3.1. Выбор типа транзистора 3.2. Построение нагрузочных прямых 4. Разработка и расчет промежуточного каскада 4.1. Выбор операционного усилителя 4.2. Расчет масштабирующего усилителя с инвертированием сигнала 5. Разработка и расчет входного каскада 5.1. Выбор операционного усилителя 5.2. Расчет масштабирующего усилителя без инвертирования сигнала 6. Разработка и расчет блока питания 7. Разработка и описание печатной платы. Заключение Список использованной литературы Введение
Несмотря на быстрое развитие усилительной техники, бестрансформаторные усилители мощности по-прежнему играют важную роль. Такие усилители могут быть легко выполнены по интегральной технологии. Именно поэтому современные БМУ представляют собой компактные и экономичные устройства. Кроме того, отсутствие частотно-зависимых элементов в цепях связи позволяет вводить глубокие отрицательные обратные связи не только по переменному, но и по постоянному току, что существенно улучшает характеристики усилителей. Основной функцией усилителей мощности (УМ) является обеспечение в нагрузке заданного значения мощности; усиление по напряжению является второстепенным фактором, в результате УМ являются основными потребителями энергии источников питания. Для обеспечения высокого КПД мощные выходные каскады работают в режиме класса В или АВ. Схемы строят двухтактными на транзисторах различного типа проводимости (комплементарных), включенных по схеме с ОК или с ОЭ. Исходные данные: - мощность, отдаваемая в нагрузку - сопротивление нагрузки - внутреннее сопротивление источника сигнала - диапазон усиливаемых частот - коэффициент частотных искажений - коэффициент гармоник 1
Разработка структуры усилителя
Усиление – это процесс увеличения электрических сигналов колебаний с сохранением их частотного спектра и фазовых соотношений. В настоящее время усилители электрических сигналов применяются практически в любых электронных устройствах, таких как: устройства воспроизведения и записи информации, устройства автоматики, измерительные устройства, вычислительная техника и т.д. Ро
Рисунок 1 - Общая схема усилителя. Процесс усиления электрического сигнала происходит за счет мощности, потребляемой от источника питания. Часть мощности Ро
в усилителе преобразуется в мощность Р2
, т.е. в мощность, выделяемую в нагрузке. Для преобразования мощности Ро
в мощность Р2
затрачивается мощность Р1
, т.е. мощность источника сигнала. Таким образом, усиление – процесс увеличения мощности источника сигнала. В этом данном курсовом проекте проектируется устройство, структурная схема которого изображена на Рисунке 2. Рисунок 2 - Структурная схема проектируемого усилителя. 2. Разработка и расчет оконечного каскада усилителя мощности
Выберем в качестве оконечного каскада двухтактный, бестрансформаторный, каскад на составных биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором. Это позволит нам осуществить непосредственную связь с нагрузкой, а значит, обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов. А т.к. последние являются частотно-зависимыми элементами, то их отсутствие существенно расширит полосу пропускания усилителя. Отсутствие частотно-зависимых элементов позволяет вводить глубокие обратные связи по постоянному току, что улучшает характеристики усилителя. Выберем схему построения оконечного каскада. Для повышения КПД транзисторы оконечного каскада используют в режиме класса В. Тогда оконечный каскад будет состоять из двух симметричных плеч, каждое из которых будет работать параллельно и в противофазе друг другу на общую нагрузку (Рисунок 3). Однако при этом существенно увеличиваются нелинейные искажения. Поэтому выходные каскады обычно используют в режиме АВ (при этом в принципиальную схему добавляется цепь смещения), обеспечивая высокий КПД и малые нелинейные искажения. Такие схемы выполняют на комплиментарных транзисторах. При значительной мощности выходного сигнала (более 5 Вт) или при слишком большом коэффициенте гармоник может возникнуть ситуация, когда для предоконечного каскада тоже может потребоваться режим АВ. В этом случае оконечный каскад выполняют на составных транзисторах. 2.1 Выбор 1ой
пары транзисторов
Первая пара транзисторов составляет свой каскад. Он состоит из двух комплементарных транзисторов V1 и V2, работающих на общую нагрузку а) рассчитаем амплитуду выходного питания: U = (2Pн
Rн
)1/2
; б) выберем напряжение питания: Eп
= Uнм
+ Uост
= 15,49 + 6 = 21,49 , следовательно Eп
= 21 В Uост
= 6 В; в) рассчитываем мощность, рассеиваемую на одном транзисторе: г) ток нагрузки: д) исходя из рассчитанных данных выбираем пару транзисторов: это транзисторы КТ-818В и КТ-819В. КТ-818В - это кремневые мезаэпитаксиально – планарные p-n-p-транзисторы предназначены для применения в ключевых и линейных схемах. Корпус пластмассовый с гибкими выводами или металлический, масса не более 15 г. КТ-819В - это кремневые мезаэпитаксиально – планарные n-p-n-транзисторы предназначены для применения в ключевых и линейных схемах, узлах, блоках аппаратуры. Корпус пластмассовый с гибкими выводами, масса не более 2,5 г. или металлостеклянный, масса не более 15 г. 2.1.1 Построение нагрузочной прямой в режиме В
Будем рассчитывать транзисторы в режиме класса В. Этот режим соответствует условию, когда начальное смещение между базами и эмиттерами транзисторов отсутствует и при отсутствии входного сигнала ток коллекторов близок к нулю. Анализ энергетических характеристик усилителя проводят для одного плеча, считая, что параметры второго плеча идентичны. Строим нагрузочную прямую: 1) Iк
= 0, Uкэ
= Еп
= 21 В 2) Uкэ
= 0, Рисунок 5 - Выходные характеристики транзистора КТ-819В. Нагрузочная прямая на выходных характеристиках каждого из транзисторов проходит через точку В(1) с координатами и точку 4: На входной характеристике транзистора положение рабочей точки определяется в соответствии с положением рабочей точки на выходных характеристиках. Рисунок 6 - Входная характеристика транзистора КТ-819В. Из входной характеристики находим: 2.1.2 Построение мощностных характеристик
На Рисунке 7 представлены мощностные характеристики усилителя в режиме В. Это зависимости мощностей нагрузки, потребляемой от источника питания и рассеиваемой на коллекторах транзисторов, от амплитуды напряжения на нагрузке. Рисунок 7 - Мощностные характеристики усилителя. 2.1.3 Построение нагрузочной прямой в режиме АВ
В режиме класса АВ за счет введения небольшого смещения и задания также небольшого тока покоя транзисторов амплитудная характеристика изменяется и становится более линейной, переходные искажения существенно уменьшаются. Если задать ток покоя равным максимальному току в нагрузке, то получим режим класса А. Однако переходные искажения в достаточной степени уменьшаются, даже если ток покоя составляет незначительную часть максимального тока в нагрузке. Итак, для первой пары транзисторов: Ik
0
= 0,1Iн
m
= 0,1*1,94 = 0,194 A Теперь построим нагрузочную прямую в режиме АВ. Она проходит через точку АВ с координатами Рисунок 8 - Выходные характеристики транзистора КТ-819В. Теперь переносим точки на входную характеристику: Для этих токов находим соответствующие напряжения Uбэ
: Рисунок 9 - Входная характеристика транзистора КТ-819В. Найдем амплитудные значения : Откуда получаем: Рассчитав максимальные значения входного тока 2.2 Выбор 2ой
пары транзисторов
Для второй пары транзисторов составного каскада входные параметры первого являются выходными, то есть для выбора транзисторов используем следующие данные: Eп
= Uнм
+ Uост
= 14,84 + 6 = 20,84 , следовательно Eп
= 21 В Uост
= 6 В; Исходя из рассчитанных данных выбираем пару транзисторов: это КТ-629А и КТ-630А. КТ-629А - это кремниевые эпитаксиально–планарные p-n-p-транзисторы предназначены для использования в быстродействующих импульсных и других неремонтируемых гибридных схемах, микромодулях, узлах и блоках, имеющих герметичную защиту от действия солнечного света, влаги и так далее, для аппаратуры широкого применения. Оформление бес корпусное, на диэлектрической подложке. Масса не более 0,02 г. КТ-630А - это кремневые планарные n-p-n-транзисторы используются в быстродействующих импульсных и других схемах. Корпус металлический, герметичный, с гибкими выводами, масса не более 2 г. 2.2.1 Построение нагрузочной прямой в режиме В
Строим нагрузочную прямую: 1) Iк
= 0, Uкэ
= Еп
= 21 В 2) Uкэ
= 0, Выходные характеристики: Нагрузочная прямая на выходных характеристиках каждого из транзисторов проходит через точку В(1) с координатами и точку 4: Рисунок 10 - Выходные характеристики транзистора КТ-630А. На входной характеристике транзистора положение рабочей точки определяется в соответствии с положением рабочей точки на выходных характеристиках. Рисунок 11 - Входная характеристика транзистора КТ-630А. 2.2.2 Построение нагрузочной прямой в режиме АВ
Теперь построим нагрузочную прямую в режиме АВ для второй пары транзисторов. Она проходит через точку Затем переносим точки на входную характеристику: Рисунок 12 - Выходные характеристики транзистора КТ-630А. Для этих токов находим соответствующие напряжения Uбэ
: Рисунок 13 - Входная характеристика транзистора КТ-630А. Найдем амплитудные значения: Откуда получаем: Рассчитав максимальные значения входного тока 2.3 Расчет напряжения смещения
Для режима АВ посчитаем напряжение смещения: Исходя из полученного напряжения смещения выбираем диоды, которые компенсируют его. Выберем три универсальных диода КД519А. 2.4 Нелинейные искажения
Транзисторы в УМ работают при значительных амплитудах сигнала, поэтому усилителям мощности присущи значительные нелинейные искажения. В режиме класса В усилители являются экономичными, но обладают повышенными искажениями, которые определяются, во-первых, существенной нелинейностью входных характеристик транзисторов, во-вторых, неидентичностью как входных, так и выходных характеристик и, в-третьих, нелинейной зависимостью тока коллектора от тока базы. В схеме с ОК уменьшение нелинейных искажений достигается за счет 100%-ной отрицательной обратной связи по напряжению. Построения амплитудной характеристики каскада ОК, работающего в режиме В соответствует уравнениям: Rc
=0 ; Rн
=8Ом Для токов коллектора найдем Uн
: Для токов базы и соответствующим им Построение амплитудной характеристики для режима АВ: Эта характеристика более линейна вблизи начала координат по сравнению с режимом В. Для токов коллектора найдем Uн
: Для токов базы и соответствующим им Теперь посчитаем коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике в режиме В: Теперь посчитаем коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике в режиме АВ: Рисунок 14 - Амплитудная характеристика оконечного каскада. 3. Разработка и расчет предоконечного каскада
При необходимости получения больших выходных токов существенно возрастает ток, потребляемый базовыми цепями транзисторов УМ от предварительного каскада. Предварительные каскады, как правило, являются усилителями напряжения, работающими в режиме класса А. Предоконечный каскад предназначен для согласования оконечного каскада на составных комплиментарных транзисторах, работающих в режиме класса АВ, с выходом ОУ А2. Предоконечный каскад построен на биполярном транзисторе n-p-n типа, который включен по схеме с ОЭ в цепь смещения оконечного каскада вместо резистора R4 (Рисунок 15). Рисунок 15 - Принципиальная схема предоконечного и оконечного каскадов. 3.1 Выбор типа транзистора
Для предоконечного каскада входные параметры второй пары составного каскада являются выходными, то есть для выбора транзисторов используем следующие данные: Eк
=2Еп
,следовательно Eк
= 42 В Исходя из рассчитанных данных выбираем транзистор: это КТ-601А - кремневые планарные n-p-n-транзисторы предназначенные для работы в радиовещательных и телевизионных приемниках, в усилительной аппаратуре и других устройствах. Корпус герметичный, металлический, с гибкими выводами, пластмассовый. Масса транзистора не более 2 г. 3.2.1 Построение нагрузочных прямых
1) Строим нагрузочную прямую по постоянному току: а) Iк
= 0, Uкэ
= Ек
= 42 В б) Uкэ
= 0, 2) Строим нагрузочную прямую по переменному току: а) б) IK
=0 Рисунок 16 - Выходные характеристики транзистора КТ-601А. Затем переносим точки на входную характеристику: Рисунок 17 - Входная характеристика транзистора КТ-601А. Для этих токов находим соответствующие напряжения Uбэ
: Выбрав необходимый режим работы транзистора, то есть исходное положение рабочей точки на нагрузочной прямой и определив по характеристикам ток и напряжение смещения базы, необходимо обеспечить во входной цепи транзистора это напряжение смещения. Простейший способ обеспечить это смещение - включить в цепь базы транзистора источник напряжения Uбэ
0
. Iд
>>Iб
; Iд
=(3.. 5)Iб
= 4Iб
0
= 4*118 = 472 мкА; 4. Разработка и расчет промежуточного каскада
Данный каскад будет построен на операционном усилителе. Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока, имеющий высокий коэффициент усиления порядка несколько сотен единиц. В данном каскаде применяем масштабирующий операционный усилитель с инвертируемым сигналом. Рисунок 18 - Принципиальная схема промежуточного каскада. Основной функцией этого усилителя умножение входного сигнала на постоянный коэффициент. В данной схеме операционный усилитель охвачен отрицательной параллельной обратной связью по напряжению. 4.1 Выбор операционного усилителя
Основные параметры операционного усилителя: 1) КU
- коэффициент усиления по постоянному току, чем больше коэффициент, тем ближе операционный усилитель к идеальному. 2) Rвх
– входное сопротивление; 3) Rвых
– выходное сопротивление; 4) 5) Uвых
m
– максимальная амплитуда выходного сигнала 80 %Еп
6) Rн,
min
(1…2) кОм 7) Iн,
max
= (5…10) мА 8) fв
– верхняя граничная частота; 10) есм
– напряжение смещения нуля; 11) Iвх1
, Iвх2
Выберем операционный усилитель К140УД6, у которого Uсм
= 10 мВ, Iвх
= 30 нА, ΔIвх
= 10 нА, Uп
= (5-17)В, Iпот
= 4 мА, Rвх
=1МОм, кос.сф.
=70 Дб, Rн,
min
=1кОм. 4.2 Расчет масштабирующего усилителя с инвертированием сигнала
При анализе усилительных свойств схемы на операционном усилителе будем считать, что так как Также из предыдущего каскада имеем Uвых
= 0,04 В, а Uвх
= 5 мВ, откуда Теперь рассчитаем R1
и R2
: Зададимся произвольным значением R2
при условии R2
>>Rн
min
, Так как Rн
min
= 1 кОм , откуда С другой стороны Пусть I0
= 0,001 мкА, тогда R2
<< Rвх
, Rвх
= 1МОм 5. Разработка и расчет входного каскада
Данный каскад также будет построен на операционном усилителе. Только в отличие от предыдущего каскада мы выбираем масштабирующий усилитель без инвертирующего сигнала. Это каскад согласовывает высокое входное сопротивление сигнала с каскадом, обладающим более меньшим входным сопротивлением. Операционный усилитель охвачен отрицательной последовательной обратной связью по напряжению. Рисунок 19 - Принципиальная схема входного каскада. 5.1 Выбор операционного усилителя
Выберем операционный усилитель К140УД6, у которого Uсм
= 10 мВ, Iвх
= 30 нА, ΔIвх
= 10 нА, Uп
= (5-17)В, Iпот
= 4 мА, Rвх
=1МОм, кос.сф.
=70 Дб, Rн,
min
=1кОм. 5.2 Расчет масштабирующего усилителя без инвертирования сигнала
При анализе усилительных свойств схемы на операционном усилителе будем считать, что так как Также из предыдущего каскада имеем Uвых
= 5 мВ, а Uвх
= 5 мВ, откуда Теперь рассчитаем R1
и R2
: Зададимся произвольным значением R2
при условии R2
>>Rн
min
, Так как Rн
min
= 1 кОм , откуда С другой стороны Пусть I0
= 0,001 мкА, тогда R2
<< Rвх
, Rвх
= 1МОм 6. Разработка и расчет блока питания
Блок источника питания необходим для преобразования переменного напряжения сети (~220 В, 50 Гц) в постоянное напряжение, необходимое для питания всех узлов проектируемого устройства. Схема выпрямителя напряжения представлена на Рисунке 20. Рисунок 20 - Схема выпрямителя напряжения Рисунок 21 - Структура трансформатора ТПП267-127/220-50. Таблица 1. Основные параметры трансформатора ТПП267-127/220-50 Рном
, Вт 11-12, 13-14 15-16, 17-18 19-20, 21-22 Для подключения трансформатора к сети ~220В необходимо соединить выводы первичной обмотки 3 и 7, 1 и 6, а напряжение подавать на выводы 2 и 9. На выходе трансформатора должно быть напряжение, действующее значение которого 1.11Uср
=1.11*40=44.4В, т.к. диодный мост будет выделять постоянную составляющую напряжения, т.е. Uср
. Для получения постоянного напряжения на выходе трансформатора соединим последовательно все вторичные обмотки. Соединим выводы 12 и 15, 16 и 19, 20 и 13, 14 и 17, 18 и 21. Обмотки коммутируются подобным образом для того, чтобы можно было вывести среднюю точку (выводы 13 и 20). Выходное напряжение снимается с выводов 11 и 22. После трансформатора ставится диодный мост. В качестве диодов VD1-VD4 выбираем диоды 2Д220А, параметры которых Iпр
max
=6А, Uобр
max
=400 В, Uпр
=1 В. на выходе диодного моста для сглаживания пульсаций поставим емкость. Для обеспечения коэффициента пульсаций Кп
=0.05 необходима емкость С»600 мкФ. В качестве этой емкости выберем 3 параллельно соединенных алюминиевых оксидно-электрических конденсатора К50-20-100В-220мкФ. На выходе получаем постоянное напряжение Uп1
=±21±1В. от этого напряжения будет питаться усилительный каскад. Для питания остальных узлов устройства необходимы напряжения Uп2
=±10 В и Uп3
=±5 В. Для этого подключим к Uп1
=±21В каскад, изображенный на Рисунке 22. Рисунок 22 - Цепь питания маломощных устройств. Рассчитаем цепь питания, изображенную на Рисунке 22. Выберем стабилитроны VC1 и VC2 – 2С215Ж с напряжением стабилизации 15 В и током стабилизации 4.7мА, VC3 и VC4 – 2С147Г с напряжением стабилизации 5 мА. Сопротивления R3 и R4 выбираем из условия Тогда можно найти емкость С2: Выбираем конденсатор К50-6-16В-50 мкФ±5%. Сопротивления R1 и R2 выбираем из условия: Тогда можно найти емкость C1: Выбираем конденсатор К50-6-16В-50 мкФ±5%. 7. Разработка и описание печатной платы
Основная цель конструирования – создание коммутационного устройства для объединения всех элементов в функциональную схему с обеспечением требуемых технических и электрических параметров в заданном диапазоне характеристик при минимальных затратах. Для этого необходимо выбрать тип печатной платы, определить класс точности, установить конфигурацию и габаритные размеры. При конструировании печатных плат необходимо особое внимание обращать на выбор материала платы. Для печатных плат, эксплуатируемых при малых механических нагрузках, рекомендуется использовать гетинакс, при больших – стеклотексолит. Габаритные размеры, конфигурацию и место крепления печатной платы выбирают в зависимости от того, где эти платы будут использоваться. В нашем случае будем разрабатывать печатные платы простой прямоугольной формы. Размещение элементов конструкции печатных плат рекомендуется условной координатной сеткой. Для удобства расположим каждый отдельный узел на отдельной печатной плате: УМ на одной плате, источник питания на другой. Заключение
В данной работе спроектирован бестрансформаторный низкочастотный усилитель мощности, соответствующий заданным параметрам. В ходе работы разработана принципиальная электрическая схема этого усилителя, с указанием причин выбора именно такой конфигурации. По каждому из каскадов отдельно также дается краткое описание. В данной работе представлен расчет каждого из каскадов усилителя и преведены используемые в процессе расчета характеристики. Также приведен расчет нелинейных искажений, создаваемых оконечным каскадом, работающим в режиме класса АВ. Нелинейные искажения предварительных каскадов очень малы, поэтому при расчете общего коэффициента нелинейных искажений не учитывается. К данному курсовому проекту прилагается чертеж, выполненный на бумаге формата А1 и представляет собой принципиальную электрическую схему спроектированного усилителя, вид разработанной печатной платы со стороны проводящего рисунка и крепление элементов на печатной плате. Список использованной литературы
1. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 744с. 2. Интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. Б.В. Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1983г -528с. 3. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под общ. ред. Н.Н.Горюнова. - М.: Энергия, 1976г -744с. 4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Б.Л.Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981г -656с. 5. Лукашенков А.В. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Лабораторная работа №16. Расчет и исследование бестрансформаторных усилителей мощности. Методические указания. - Тула.: ТулПИ, 1988г -32с. 6. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств. - М.: Высшая школа, 1989г -223с.
|