Усилитель мощности

Тольяттинский политехнический институт

Кафедра «Промышленная электроника»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

“Микроэлектроника и микросхемотехника”

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Студент: Глушенков М. С.

Группа: Э-405

Вариант: 34

Преподаватель: Певчев В.П.

Тольятти, 1998

Содержание

1. Задание на курсовую работу

3. Основание выбора структурной и принципиальной схем

Разработать усилитель мощности, с использованием операционных усилителей (ОУ), класс работ АБ (вид и спад амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) не имеет значения) и имеющий следующие параметры:

выходная мощность Рвых=1 ВА;

ток нагрузки Iн=1 А;

входное напряжение Uвх=0,1 В;

диапазон частот fН=50 Гц fВ= 500 Гц;

напряжение питания UП=12 В.

Графическая часть курсовой работы выполняется на двух листах формата А3, содержащих структурную и принципиальную схему усилителя

выходная мощность РВЫХ=1 ВА;

ток нагрузки IН=1 А;

входное напряжение UВХ=0,1 В;

диапазон частот fН=50 Гц fВ= 500 Гц;

напряжение питания UП=12 В.

RН = UВЫХ /IВЫХ ; (4.1)

где UВЫХ -выходное напряжение

UВЫХ = РВЫХ / IН = 1/1 =1 (В) (4.2)

RН = 1/1=1 (Ом)

Разделительный конденсатор С4 был пасчитан из условия нижней граничной частоты fН=50 Гц

С4=1/(2** fН * RН*(МН-1) ) (4.3)

Где МН - коэффициент искажений вносимый данным конденсатором в схему, для усиления мощности. Примем МН=1,3. Тогда, произведя расчет, получим: С4=3832 (мкФ)

Примем С4: К50-6 4000 мкФ 15 В

Максимальное значение напряжения колектор-эммитер на транзисторах:

UКЭ max= ЕПИТ=12 (В)

Максимальный ток коллектора транзисторов определим по формуле

IК max = UВЫХ / RН =1/1 = 1 (А) (4.4)

По последним двум параметрам выбрали транзисторы комплиментарной пары:

VT1- КТ815А (п-р-п)

VT- КТ814А (р-п-р)

Их параметры идентичны и равны:

IК max= 3 (А)

_min = 100

UКЭ max = 30 (В)

UБЭ = 0,6 (В)

Напряжение покоя на эмиттерах транзисторов равно:

UO = 0.5*ЕПИТ = 0,5*12=6 (В) (4.5)

Амплитуда базового тока:

IБ max = IК max / min =1/100 = 10 (тА) (4.6)

Базовый ток был выбран по входной ВАХ транзисторов [5] по началу линейного участка характеристики.

IБо = 10-3 (А) UБэо = 0,7 (В)

Далее был расчитан ток покоя коллектора по формуле:

IКо- = IБо* min =10-3 * 100 = 0,1 (А) (4.7)

По [6] были выбраны диоды VD1 и VD2 с прямым падением напряжения UVD=0.7 (В) и прямым током равным:

IVD = 1.2* IБ max = 1.2*10-2 = 12 (тА) (4.8)

Этим параметрам соответствуют диоды КД522А

Ток через резистор R5 рассчитан из условия

IR5 = IБо + IVD = 12*10-3 + 10-3 = 13*10-3 (А) (4.9)

Напряжение на резисторе R5 :

UR5 = EПИТ - UO - UБэо = 12-6-0,7=5,3 (В) (4.10)

Сопротивление резистора R5 равно:

R5 = UR5 / IR5 = 5.3/13*10-3 = 387 Ом (4.11)

Мощность выделяемая на резисторе R5:

PR5 = IR52 R5 =(13*10-3)2*387 =0.165 (Вт) (4.12)

Исходя из идентичности плеч каскада приняли сопротивление R6=R5 и выбрали

R5=R6: МЛТ-0,25 390 Ом

Входное сопротивление каскада:

RВХ = R5/2 ll (RH*min ) = 66 (Ом) (4.13)

Амплитуда входного тока:

IВХmax= IБМ + IR5 = 10-2+13*10-3 =23*10-3 (А) (4.14)

Амплитуда входного напряжения каскада

UВХmax = IВХ * RВХ + UВЫХ = 23*10-3*66+1=2,083 (В) (4.15)

Коэффициент усиления выходного каскада по напряжению

KU = UВЫХ / UВхmax = 1 / 2,083 = 0,48 (4.16)

Емкость конденсатора С3 :

С3=1/(2** fН * RВХ*(МН-1) ) (4.17)

МН=1,04 - коэффициент вносимых искажений для предварительного усилителя

С3=168*10-6 Ф

Выбираем С3: К50-16 200 мкФ 15 В

4.2 Расчет предварительного усилителя

Изначально необходимо расчитать коэффициент усиления по напряжению предварительного усилителя по формуле

А = КUобщ / КU (4.18)

Где КUобщ - коэффициент усиления по напряжению всего усилителя мощности.

КUобщ = UВЫХ / UВХ =1 / 0,1=10 (4.19)

А=10 / 0,48 =20,83

Расчет фильтра производим по методике [1] согласно которой сначала выбираем конденсатор С1 из условия:

С1= 10-5 / fСР (4.20)

Где fСР=fВ -частота среза фильтра.

С1=10-5 / 500 = 20*10-9 (Ф)

Выбираем С1: К72П-3 22 (нФ)

Емкость конденсатора С2 расчитывается по формуле:

С2 = (А-1+в2/4с )*С1 (4.21)

Где с и в - коэффициенты для фильтра Баттерворта второго порядка (из [таблица 3.1:1]). в=1,414 ; с=1

С2=0,4*10-6 (Ф)

Выбираем С2: К 70-8 0,4(мкФ)

Сопротивление R1 рассчитаем из условия:

R1 = (1/*fC C1) / (в+(в2 + 4*с*(А-1-С2/С1 )))=12400 (Ом) (4.22)

Выбираем R1: МЛТ -0,125 12 (кОм)

Сопротивление R2 определяется как

R2=1/(c*C1*C2*R1*(2**fC)2) = 1021 (Ом) (4.23)

Выбираем R2 : МЛТ -0,125 1 (кОм)

Исходя из значения коэффициента усиления А рассчитаем значения сопротивлений резисторов R3 и R4.

R3 = А*(R1+R2)/(А-1)= 13655 (Ом) (4.23)

Выбираем R3 : МЛТ - 0,125 13 (кОм)

R4 = А*(R1+R2) = 270790 (Ом) (4.24)

Выбираем R4 : МЛТ - 0,125 270 (кОм)

4.3 Расчет токов в цепях предварительного усилителя

Для расчета токов выберем ОУ применяемый в предварительном каскаде К140УД7. И оновременно проверим возможность его эксплуатации в данной роли. Его характеристики:

UПИТ = 12 (В) IВХ = 200 (нА)

RВХ = 3 (МОм) IПОТ=2,8 (мА)

KУ U =50000 fКР =0,8 (МГц) IВЫХ=30 (мА)

Ввиду того, что входное сопротивление велико входным током ОУ можно пренебречь.

Расчет токов произведем на частоте fВ- и для нее расчитаем реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2.

ХС1 = 1/(2** fВ-*С1) = 16000 (Ом) (4.25)

ХС2 =1/(2** fВ-*С1) = 795 (Ом) (4.26)

Для расчета токов составим схему замещения рис 4.3.

На схеме:

UВХ = 0,1 (В); UВЫХ ОУ = UВХ * А = 2,083 (В)

R1'= R1=12 (кОм); R2=R2+ХС2 =1000+795=1795 (Ом)

R3'=ХС1=16 (кОм); R4'= R3 + R4 = 283 (кОм)

По законам Кирхгофа составим систему уравнений

I1 + I3 - I2 = 0

I1*R1+ I2*R2 = UВХ

I2*R2+ I3*R3=UВЫХ ОУ

I-4*R4= UВЫХ ОУ

решив данную систему получили следующие значения токов:

I1= 8 (мкА) I2= -110 (мкА) I3= -118 (мкА)

I4= 7,36 (мкА)

Полученные токи, которые в 40 раз превосходят входной ток ОУ, но в 7 раз меньше максимального выходного, позволяют считать расчет верным т.к входной ток ОУ практически не оказывает влияния на токи в цепях предварительного усилителя-фильтра, а выходной ток не превышает максимально допустимый.

Выводы

Расчитав схему усилителя мощности убедился, в том, что с применением операционных усилителей можно создавать малогабаритные устройства с хорошими характеристиками и малым числом дискретных элементов. Расчитанный усилитель обладает всеми параметрами представленным в задании и обеспечивает на активной нагрузке сопротивлением 1 Ом выходную мощность 1 Вт, при амплитуде входного напряжения 0,1 В, усилитель работает в частотном диапазоне 50…500 Гц и обеспечивает спад АЧХ на границах не менее 20 Дб/дек.

Данный усилитель построен с применением в качестве предъварительного усилителя-фильтра схемы фильтра НЧ Батерворта второго порядка. В качестве выходного каскада был применен двухтактный каскад на комплиментарных транзисторах, работающих в режиме А-В.

Запитывается усилитель от двуполярного источника питания с выходным напряжением 12 (В).

Литература

[1] “Интегральная электроника в измерительных устройствах” - Л,: Энергоатомиздат, 1988,- 304 с,: ил

[2] Хоровиц П., Хилл У., “Искуство схемотехники” пер. с англ.-М: Мир, 1983.-Т.1.598 с., ил.

[3] М.Н. Дьяконов, В.И. Кабабанов. - М.: Радио и связь,1983.-576с., ил

[4] А.Л. Булычев, В.Н. Галкин. “Аналоговые интегральные схемы”.- Минск., Беларусь; 1993

[5] “Справочник по транзисторам” / К.М. Брежнева, Е.И. Гатман и др. - М.радио и связь, 1981.-656с., ил

[6] “Диоды”: Справочник/А.В. Баюков, А.А. Зайцев.-М.: энергоатомиздат, 1982.- 744с.,ил