МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА БІОМЕДИЧНОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ
КУРСОВА РОБОТА
по курсу: Проектування біомедичної апаратури
на тему: Підсилювач потужності класу B .
Київ 2006 р.
Содержание
| Введение | 3 |
| Расчет усилителя мощности класса B | 6 |
| Схема электрическая принципиальная | 8 |
| Моделирование в PSpice | 9 |
| Практическая часть | 11 |
| Выводы | 12 |
| Литература | 13 |
Введение
В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются великим изобретением человечества.
В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности.
В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя мощности (УМ) на основе операционных усилителей (ОУ). В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства, расчёт цепей усилителя и параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного устройства.
Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить количество и тип основных элементов - интегральных операционных усилителей. После этого следует выбрать принципиальную схему предварительного усилительного каскада на ОУ. Затем необходимо рассчитать корректирующие элементы, задающие режим усилителя (в нашем случае режим В ) и оценить влияние параметров элементов схемы на АЧХ в области верхних и нижних частот.
Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости, входящих в него компонентов.
В общем случае структурная схема усилителя мощности может быть представлена на рисунке.
Входная цепь коррекции и согласования совместно с входным транзистором образуют входной каскад, межкаскадная корректирующая цепь (КЦ) и выходной транзистор образуют выходной каскад. При необходимости между входным и выходным каскадом может быть включен один или несколько промежуточных каскадов. Входная цепь коррекции и согласования предназначена для согласования входного сопротивления усилителя мощности с выходным сопротивлением модулятора и формирования заданной амплитудно-частотной характеристики входного каскада. Наибольшее распространение в настоящее время получила реализация входной цепи коррекции и согласования в виде последовательного соединения аттенюатора и КЦ той же структуры, что и межкаскадная КЦ. Межкаскадная КЦ предназначена для формирования заданной амплитудно-частотной характеристики выходного каскада. Согласующе-фильтрующее устройство служит для устранения влияния реактивной составляющей выходного импеданса транзистора на уровень выходной мощности выходного каскада, для реализации оптимального, в смысле достижения выходной мощности, сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора выходного каскада, для обеспечения заданного уровня внеполосных излучений радиопередающего устройства.
Расчет усилителя мощности класса
B
Усилитель мощности предназначен для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности. Усиление напряжения в нём является второстепенным фактом. Для того чтобы усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнить условие R
вых
=
R
н
.
Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность P
н
, коэффициент полезного действия h
, коэффициент нелинейных искажений K
г
и полоса пропускания АЧХ.
Оценив требуемые по заданию параметры усилителя мощности, выбираем структурную схему, представленную нарис.1.1
, основой которой является предварительный усилительный каскад на операционном усилителеLM
324
N
и оконечный каскад (бустер) на двух комплементарных парах биполярных транзисторов(n
-
p
-
n
BC
547
C
и p
-
n
-
p
BC
557
C
).
Основной каскад усилителя, показанного на рис. 1.1
, выполнен на 4-х транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4 включенных по схеме комплементарных пар эмиттерного повторителя, работающего в режиме В.
Рис.1.1.
Схема усилителя мощности класса
B
В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов - каждый из них усиливает свою "половинку" сигнала. То есть при наличии входного сигнала транзисторы работаю поочередно – для положительных полуволн работае
-
p
-
n
(VT1 и VT3), а для отрицательных p
-
n
-
p
(VT2 и VT4). В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает.
Давайте посмотрим, как у нас обстоит дело с потребляемой мощностью, КПД, и нагревом транзисторов.
Для начала введем некий коэффициент а
– так называемый, коэффициент использования.
то есть отношение выходного напряжения в данный момент к максимальному выходному напряжению. Этот коэффициент показывает загруженность усилителя работой в данный момент.
Итак, выходная мощность
считается по следующей формуле:
мощность рассеяния рабочего транзистора,приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной):
потребляемая мощность:
В нашем случае потребляемая мощность возрастает по мере роста входного сигнала и соответственно, выходной мощности. Максимальная потребляемая мощность при а=1
достигает
КПД
. Работа транзисторов выходного каскада в режиме усиления тока и напряжения обеспечивает максимальный КПД выходного каскада, поскольку в этом случае напряжение насыщения транзисторов минимально и максимальное значение амплитуды выходного сигнала приближается к напряжению питания. Как и при коррекции искажений с использованием прямой связи, усилитель мощности, построенный по предложенной схеме, должен иметь достаточно глубокую ООС, обеспечивающую малые нелинейные искажения в широком динамическом диапазоне выходных сигналов. Очевидно, что наилучшим образом решить эту задачу позволяют современные, быстродействующие ОУ.
КПД также прирастает с ростом уровня сигнала и достигает 78,5%.
Посмотрим на искажения.
Усилители, имеющие схему класса B, страдают одним серьёзным недостатком - они не обладают температурной стабильностью. По мере того, как выходные транзисторы нагреваются, ток коллектора возрастает. Это вызывает выделение дополнительного тепла и возникает вероятность возникновения неконтролируемой положительной обратной связи, что может привести к выходу транзисторов из строя.
В чистом классе B нас также поджидают очень большие нелинейные или, как их еще называют – переходные искажения 1-го рода. На графике мы можем наблюдать, что вместо того, чтобы синусоиде плавно переходить через ноль, как она это делает во входном сигнале, у нас есть момент, когда сигнал исчезает вообще. Это происходит потому, что транзистору, чтобы открыться и начать работать нужно некоторое пороговое напряжение, подаваемое на базу – для кремниевых биполярных транзисторов оно равно 0,7 вольта. С этими искажениями, не справляется никакая отрицательная обратная связь.
Данным условиям удовлетворяют такие компоненты:
1. Операционный усилитель: LM324N (Philips);
2. Транзистор NPN: BC547C (Philips);
3. Транзистор PNP: BC557C (Philips).
Зная характеристики всех компонентов, включая резисторы (10 кОм, 560 Ом, 47 Ом ), расчитаем выходное напряжение, если U
вх
=1 В
?????
Спецификация элементов
| № п
/п |
Обозначение
|
Тип
|
Кол - во
|
| 1
|
R1
|
Резистор МЛТ-
1 – 3,3 kОм ± 10 % |
1
|
| 2
|
R2,3,4
|
Резистор МЛТ-
1 - 10 kОм ± 10 % |
3
|
| 3
|
R5
|
Резистор МЛТ-0.5 – 560
Ом ± 10 % |
1
|
| 4
|
R6
|
Резистор МЛТ - 47 Ом
± 10 % |
1
|
| 5
|
VT1,3
|
Транзистор
BC 547 C |
2
|
| 6
|
VT2,4
|
Транзистор
BC 557 C |
2
|
| 7
|
ОУ
|
Операционный усилитель
LM 324 N |
1
|
| 8
|
С1
|
Конденсатор –
|
1
|
| 9
|
С2
|
Конденсатор - 100 мкФ
|
1
|
Литература.
1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 1988. – 488 с.
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1982. – 512 с.
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983 - Т.1, 598 c.
4. В.И. Щербаков, Г.И. Грездов. Электронные схемы на операционных усилителях. К.: Техніка. 1983 – 213 с.
5. Д. В. Игумнов, Г.П. Костюнина - “Полупроводниковые устройства
непрерывного действия “ - М: “Радио и связь”, 1990 г.
6. В. П. Бабенко, Г.И. Изъюрова - “Основы радиоэлектроники”. Пособие по курсовому проектированию - М: МИРЭА, 1985 г.
7. Н.Н. Горюнов - “ Полупроводниковые приборы: транзисторы”
Справочник - М: “Энергоатомиздат”, 1985 г.
8. http://www.chipdocs.com – архив технических описаний к зарубежным компонентам.
9. http://www.datasheetarchive.com – архив технических описаний к зарубежным компонентам.