Разработка электронного усилителя мощности с мощным выходным каскадом

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ
• 1.1 Усилители мощности
• 1.1.1 Классификация усилителей
• 1.1.2 Мощные усилительные каскады
• 1.1.3 Схемотехнические решения мощных усилительных каскадов
• 2. ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА И ЕЁ ОПИСАНИЕ
• 3. РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА
• 3.1 Расчет усилителя мощности
• 3.2 Расчёт резисторов усилителя мощности
• 3.3 Расчёт пластинчатого радиатора
• 3.4 Расчёт предусилительного каскада
• 3.5 Расчет источника постоянного напряжения
• 4. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ

1.1.1 Классификация усилителей

Существует много способов классификации усилителей. Одним из наиболее распространенных является классификация усилителей по режиму работы, т. е. по величине тока, протекающего через транзисторы усилителя в отсутствие сигнала.

Усилитель класса А.

В усилителе класса А смещение эмиттерного перехода и входные напряжения таковы, что транзистор работает только на линейном участке передаточной характеристики. Это значит, что коллекторный ток транзистора никогда не отсекается, а сам транзистор никогда не достигает насыщения.

Главным достоинством усилителей класса А является почти полное отсутствие нелинейных искажений сигнала. Выходное напряжение по форме совпадает со входным и отличается лишь амплитудой и полярностью. Однако в большей или меньшей мере нелинейные искажения вносят усилители любого класса.

Недостатком усилителей класса А является их низкая эффективность (низкая выходная мощность при большой мощности, рассеиваемой на коллекторе) и малым допустимый размах входных напряжений. Коэффициент полезного действия усилителя класса А редко достигает 35%.

Размах напряжения выходного сигнала усилителя класса А ограничен величиной, несколько меньшей напряжения источника питания. Поскольку выходное напряжение включает положительную и отрицательную полуволны, то его амплитуда должна быть меньше половины питающего напряжения.

Размах входного напряжения усилителя класса А ограничен размахом выходного напряжения и коэффициентом усиления напряжения.

Вследствие рассмотренных ограничений усилители класса А чаще используют для усиления напряжения, а не мощности. Обычно усилительный каскад класса А используют перед каскадом усиления мощности.

Усилитель класса B.

Если изменить смещение эмиттерного перехода так, что рабочая точка совпадает с точкой отсечки, то мы получим режим усиления класса В. Для этого на базу транзистора типа n-p-n нужно подать более отрицательное напряжение, чем в режиме класса А (для транзисторов типа p-n-p режим класса В обеспечивается подачей на базу более положительного напряжения, чем в режиме класса А). В любом случае для режима класса B прямое смещение эмиттерного перехода уменьшается и транзистор запирается.

Если усилительный каскад класса B включает тишь один транзистор, нелинейные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирующий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную полуволну входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для воссоздания на выходе сигнала, полностью сходного по форме с входным сигналом, можно использовать два транзистора (по одному на каждую полуволну входного сигнала), комбинируя их по так называемой двухтактной схеме.

Амплитуда напряжения выходного сигнала несколько меньше величины напряжения источника питания. Поскольку в режиме класса B ток протекает через транзистор лишь полпериода, появляется возможность увеличить вдвое (по сравнению с режимом класса А) коллекторный ток при той же средней мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Амплитуда выходного напряжения усилителя класса B равна двойной амплитуде выходного напряжения усилителя класса A. Таким образом, двухтактный транзисторный каскад в режиме класса B позволяет получить выходное напряжение, вдвое большее, чем в режиме класса А.

Из рассмотрения свойств двухтактного каскада класса B следует, что такие усилители целесообразнее использовать для усиления мощности, а не напряжения. Обычно перед двухтактным каскадом класса B включают однотактный усилительный каскад класса А.

Усилитель класса AB.

Класс AB является наиболее экономичным для УНЧ, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток. Это объясняется тем, что в рабочей точке транзисторы заперты и коллекторный ток протекает лишь при поступлении входного сигнала. Однако, усилители класса B искажают форму сигнала.

В реальном усилителе класса B транзистор при очень малых уровнях входного сигнала остается запертым (так как вблизи отсечки транзистор имеет весьма малый коэффициент усиления тока) и резко открывается с увеличением сигнала.

Нелинейные искажения можно уменьшить, если вместо режима класса B использовать класс АВ (или что то среднее между В и АВ). Для этого транзистор несколько отпирают, так чтобы в рабочей точке в коллекторной цепи протекал небольшой ток. Класс АВ менее экономичен, чем класс B, так как потребляется большим ток от источника питания. Обычно класс АВ используют лишь в двухтактных схемах.

Усилитель класса С.

Режим класса C получают смещением транзистора в обратном направлении, значительно левее точки отсечки. Часть входного сигнала затрачивается для обеспечения прямого смещения эмиттерного перехода. В результате коллекторный ток протекает в течение лишь части одного полупериода входного напряжения. Отрицательная полуволна входного напряжения лежит в области глубокой отсечки транзистора. Так как коллекторный ток протекает лишь в течение некоторой части положительного полупериода, то длительность импульса коллекторного тока существенно меньше полупериода входного сигнала

Очевидно, форма выходного сигнала отличается от входного и она не может быть восстановлена теми методами, которые используются в двухтактных усилителях классов B и АВ. По этой причине режим класса C применяется только тогда, когда искажения сигнала не имеют значения. Как правило, режим работы класса C используется в высокочастотных усилителях и не находит применения в УНЧ.

1.1.2 Мощные усилительные каскады.

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка и мощность рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков - сотен Вт. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными, рассчитывают по заданным значениям и . Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности .

Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах A, B или AB. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.

В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме A. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его частотные характеристики.

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей.

Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме B или АВ и включенных по схемам с ОК или ОЭ. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, либо транзисторов с разным типом электропроводности. Каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом электропроводности (p-n-p и n-p-n), называются каскады с дополнительной симметрией.

По способу подключения нагрузки различают две разновидности схем: спитанием от одного источника и с питанием от двух источников.

1.1.3 Схемотехнические решения мощных усилительных каскадов

Усилители мощности на транзисторах одной проводимости.

При питании каскада от двух источников , и , имеющих общую точку, нагрузка включается между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов , и общей точкой источников питания. Режим работы транзисторов обеспечивается делителями , , и . Управление транзисторами осуществляется противофазными входными сигналами и , для получения которых предыдущий каскад должен быть фазоинверсным.

Принцип работы каскада по схеме рисунок 1.9 состоит в поочередном усилении полуволн входного сигнала. Если в первом такте отрицательную полуволну усиливает транзистор , при этом транзистор заперт положительной полуволной, то во втором такте вторая полуволна сигнала усиливается транзистором при закрытом транзисторе .

При питании каскада от одного источника , (рис. 1.10) нагрузка подключается через разделительный электролитический конденсатор достаточно большой емкости, а в остальном схема аналогична предыдущей.

Рисунок 1.9 Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости

Принцип работы схемы заключается в следующем. При отсутствии и конденсатор заряжен до напряжения . Именно при таком напряжении на конденсаторе наступает режим покоя. В такте работы (открытого состояния) , по нагрузке течет ток , который дозаряжает конденсатор . В такте работы , конденсатор разряжается, и по нагрузке течет ток . Таким образом, на нагрузке реализуется биполярный сигнал.

В рассмотренных схемах транзисторы , и имеют разное включение: - по схеме OK, а - по схеме ОЭ. Поскольку при этих двух схемах включения транзисторы имеют различные коэффициенты усиления по напряжению, то без принятия дополнительных мер получается асимметрия выходного сигнала. Уменьшения асимметрии сигнала, в частности, можно достичь соответствующим выбором коэффициентов усиления по двум выходам предыдущего фазоинверсного каскада. Можно уменьшить асимметрию и применением отрицательной обратной связи, охватывающей выходной и предвыходной каскады.

Рисунок 1.10 Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости c однополярным питанием

Усилители мощности на транзисторах разной проводимости, включенных по схеме с ОК.

Рисунок 1.11. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах разной проводимости

На рис. 1.11 изображена схема каскада с питанием от двух источников (возможна реализация схемы с однополярным питанием). При использовании в этой схеме комплементарных пар транзисторов типов n-p-n и p-n-p отпадает необходимость в подаче двух противофазных входных сигналов. При положительной полуволне сигнала открыт транзистор и закрыт , при отрицательной полуволне, наоборот, открыт и закрыт . В остальном работа схемы рис. 1.11 аналогична работе соответствующих схем рис. 1.10 и рис. 1.9. Отличительной особенностью рассмотренных схем является то, что коэффициент усиления каскада по напряжению всегда меньше 1, а выходной сигнал имеет меньшую асимметрию, так как оба транзистора включены по одинаковой схеме с ОК.

Для того что бы усилитель мощности перевести в режим АВ для снижения нелинейных искажения, базы разделяют между собой парой диодов, которые обеспечивают смещение для транзисторов, при котором в них течёт ток в режиме покоя (рис 1.12).

Рисунок 1.12 Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ

2. ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА И ЕЁ ОПИСАНИЕ

Схема состоит из двух каскадов: первый каскад - усилитель класса A, второй каскад - двухтактный усилитель мощности класса AB.

Первый каскад представлен схемой с ОЭ с фиксированным напряжением покоя базы с эмиттерной температурной стабилизацией, в которой положение рабочей точки стабилизируется за счёт отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному току. Она реализуется включением резистора в эмиттерную цепь усилителя. Постоянное напряжение покоя на базе транзистора поддерживается с помощью делителя .

Действие ООС по переменной составляющей (полезному сигналу) приводит к снижению коэффициента усиления, что иногда бывает недопустимо. В этом случае для переменной составляющей напряжения обратная связь может быть устранена путём включения параллельно резистору шунтирующего конденсатора , сопротивление которого на низшей частоте усиливаемого сигнала должно быть на порядок меньше сопротивления , что обеспечивается выбором ёмкости

Ёмкости разделительных конденсаторов рассчитываются по формулам:

Усилительный каскад по схеме с ОЭ является инвертирующим. Это означает, что напряжение на выходе усилительного каскада в полосе рабочих частот находится в противофазе с напряжением на его входе (происходит инвертирование сигнала).

Параметры усилительного каскада с ОЭ рассчитываются по формулам:

Второй каскад представляет собой двухтактный усилитель мощности на биполярных транзисторах с двуполярным питанием.

Каскад построен на основе составных транзисторов по схеме Дарлингтона, что позволяет увеличить входное сопротивление усилителя мощности.

Диоды служат для увеличения напряжения между базами транзисторов, следовательно, их рабочие точки смещаются от начала выходных характеристик, каскад переходит в режим AB. Одновременно диоды служат для температурной стабилизации базовых цепей транзисторов.

Выбранный усилитель мощности имеет ряд преимуществ:

· малый коэффициент асимметрии, что существенно влияет на появление и снижение нелинейных искажений (в силу симметрии схемы в выходном сигнале значительно ослаблены четные гармоники);

· малый ток покоя;

· высокий КПД;

· малое выходное и относительно большое входное сопротивления;

· высокую температурную стабильность.

К недостаткам следует отнести:

· малый коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК (<1). Это приводит к необходимости установки в схеме дополнительного высоковольтного каскада усиления напряжения до необходимого уровня;

· нелинейные искажения, вызванные переключением плеч каскада, которые необходимо компенсировать;

· трудности в подборе комплементарных пар транзисторов.

Рис 2.1 Электронный усилитель мощности

3. РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

Выберем рабочую точку транзистора:

Рассчитаем сопротивление резисторов для стабилизации рабочей точки:

Рассчитаем конденсаторы:

Коэффициент усиления удовлетворяет нашим параметрам.

Все резисторы для предусилительного каскада выберем мощностью 125 мВ.

Рис 3.1 Источник постоянного напряжения

При расчете будем пользоваться следующими формулами:

V1 выбираем из номинального ряда и по расчетам получаем требуемое нам напряжение на выходе.

4. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

электронный усилитель мощность

Испытание устройства проведём в программном пакете MicroCap 7.

Испытание электронного устройства проведём в следующем порядке:

· измерим выходное напряжение,

· измерим выходной ток,

· определим мощность на нагрузке,

· сравним с условиями технического задания,

· сделаем вывод.

Схема подключения осциллографа:

Рисунок 4.1 Схема испытаний усилителя мощности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы была рассмотрена методика разработки электронного устройства на примере электронного усилителя мощности. Полученное устройство удовлетворяет всем условиям технического задания.

Данное устройство может быть использовано как, усилитель мощности с выходной мощностью 80 Вт.

Размещено на Allbest.ru