Разработка усилителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание 

 

	Содержание………………………………………………………..	2
Введение…………………………………………………………..		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
	Заключение………………………………………………….........    35              Литература.………………………………………………………..   36

 

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 факторов сместится вверх, произойдет искажение  положительной полуволны тока за счет насыщения тока коллектора.

Таким образом, чтобы  не допустить искажения усиливаемого сигнала, необходимо правильно выбрать и стабилизировать точку покоя на нагрузочной прямой, что равнозначно стабилизации режима питания по постоянному току транзистора. При этих условиях режим А обеспечивает малый уровень гармоник. Поэтому он широко применяется в несимметричных однотактных каскадах предварительного усиления, где амплитуда усиливаемого сигнала сравнительно небольшая и не требуются высокие энергетические показатели каскад а.

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 состоянию  транзистора и находится в  области отсечки на границе с  активной областью.

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

η_в = 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  I_kо 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.

 

 

 

 

 

1. 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 мощности  Ро, КПД, мощности на коллекторах  оконечных транзисторов Рк.

 

Напряжения питания  выходного каскада выбирают из условия

                                     Е=Uнm + DU,                                                          (2.1)

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:

(А)            (2.2)

Потребляемая мощность:

(Вт)       (2.3)

Выходная мощность (на нагрузке):

    

(Вт)                    (2.4)

Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных (оконечных) транзисторов:

      

  (Вт)            (2.5)

Коэффициент полезного  действия:

                              

                        (2.6)

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 транзисторов

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