Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработать схему и провести расчет мощного корректирующего усилителя, обеспечивающего заданную АЧХ (рисунок 1) и параметры (таблица 1).

Рисунок 1 - АЧХ корректирующего мощного усилителя

Индивидуальное задание № 2 на курсовую работу

Таблица №1

Номер варианта	K0	K1	K2	f1, Гц	f3, кГц	F5, кГц	Rн, Ом	Pн, Вт	Схема усилителя мощности
2	350	90	280	45	3.5	25	8	60	ШИМ

Крутизна спадов и подъемов АЧХ составляет 6 дБ/октава (20 дБ/декада).

РЕФЕРАТ

Курсовой проект «Проектирование мощного корректирующего усилителя»

Пояснительная записка: 25 стр., 8 рисунков, 7 источников

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ФИЛЬТР, КОРРЕКЦИЯ, ТРАНЗИСТОР, АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ.

В данной работе произведены разработка, расчет и оптимизация схемы корректирующего мощного усилителя при помощи пакета программ схемотехнического проектирования Electronics Workbench 5.12, а также пакета программ математического моделирования MathCAD.

Перечень сокращений символов и специальных терминов

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

ОУ -- операционный усилитель;

ООС - отрицательная обратная связь;

УМ - усилитель мощности;

ФНЧ - фильтр нижних частот.

Содержание

Введение

1. Разработка принципиальной схемы корректирующего мощного усилителя

1.1 Анализ технического задания и обоснование состава устройства

1.2 Разработка принципиальной схемы корректирующего усилителя

1.2.1 Особенности реализации частотной характеристики корректирующего усилителя

1.2.2 Выбор корректирующих цепей

1.2.3 Предварительный расчет элементов корректирующего усилителя

1.2.4 Выбор типа операционных усилителей

1.3 Разработка принципиальной схемы усилителя мощности

1.3.1 Обобщённая схема усилителя мощности

1.3.2 Расчёт усилителя мощности

1.3.3 Принципиальная схема мощного корректирующего усилителя

1.4 Предварительный расчёт усилителя мощности

2. Оптимизация параметров схемы мощного корректирующего усилителя на ЭВМ

Заключение

Список использованных источников

Введение

Развитие аналоговой электроники и широкое применение её изделий в промышленном производстве, в различных радиотехнических устройствах является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса. Практически трудно назвать те радиотехнические устройства, в которых не использовались бы усилители.

В данной работе рассматривается проектирование корректирующего мощного усилителя, составленного из наиболее простых узлов. Анализируется влияние этих узлов на форму частотной характеристики. Цель такого упрощения -- анализ степени влияния отдельных узлов на основные характеристики и выявление недостатков, присущих узлам при их упрощениях, которые могут быть устранены определёнными изменениями схемы. усилитель мощность частотный операционный

В данной работе разработана принципиальная электрическая схема корректирующего мощного усилителя на базе операционных усилителей. Первый раздел включает в себя анализ технического задания и разработку принципиальной схемы устройства. Второй -- анализ разработанной схемы на ЭВМ.

1. Разработка принципиальной схемы корректирующего мощного усилителя

1.1 Анализ технического задания и обоснование состава устройства

Корректирующий мощный усилитель предназначен для работы в устройствах самого различного назначения (например, тон - компенсатор усилителя звуковой частоты, корректор АЧХ электромагнитного звукоснимателя электрофона и т.д.) и в соответствии с заданием должен обеспечивать:

--коэффициент передачи на первом (самом низкочастотном) равномерном участке частотной характеристики ();

--спад первого наклонного участка частотной характеристики с крутизной 20дБ/декаду;

--коэффициент передачи на втором равномерном участке частотной характеристики ();

--начальная и конечная частоты (точки перегиба) первого наклонного участка частотной характеристики ;

рассчитываем из условия, что крутизна спада составляет 20дБ/декаду, коэффициент передачи (выраженный в дБ) на этой частоте , а на частоте - , тогда

;

— подъем второго наклонного участка частотной характеристики с крутизной 20дБ/декаду

— коэффициент передачи на третьем равномерном участке частотной характеристики ();

— начальная и конечная частоты второго наклонного участка частотной характеристики ;

рассчитываем из условия, что крутизна подъема составляет 20дБ/декаду, коэффициент передачи на этой частоте , а на частоте - , тогда

;

--верхняя частота третьего равномерного участка частотной характеристики ;

--спад третьего наклонного участка частотной характеристики с крутизной 20дБ/декаду

--параметры резистивной нагрузки .

Зная и пиковую мощность , найдем максимальные значения тока и напряжения в нагрузке:

, следовательно ;

, следовательно

Исходя из анализа технического задания, можно заключить, что в состав корректирующего мощного усилителя должны входить:

--усилитель-корректор;

--усилитель мощности.

1.2 Разработка принципиальной схемы корректирующего усилителя

1.2.1 Особенности реализации частотной характеристики корректирующего усилителя

Необходимость усиления сигнала не позволяет использовать пассивные корректирующие каскады, поэтому остается использовать только активные фильтры.

Под активными фильтрами обычно понимают электронные усилители, содержащие RC-цепи, включенные так, что у усилителя появляются избирательные свойства. Для получения у усилителей избирательных свойств в области низких частот (ниже 30 КГц) преимущественно применяют RC-цепи интегрирующего и дифференцирующего типа. Они включаются на входе или выходе усилителя и охватывают его частотно-зависимой обратной связью.

Любой корректирующий усилитель имеет участки с равномерной частотной характеристикой и участки со спадом и подъемом этой характеристики. АЧХ корректирующего мощного усилителя, которую нужно реализовать в данном курсовом проекте, представлена на рисунке 2. Частоты перегиба (, , , , ) находятся в точках, где характеристика переходит с равномерного участка на наклонный и наоборот. В реальных схемах резко выраженных таких точек нет. Поэтому местоположение точки перегиба определяют там, где частотная характеристика изменилась по отношению к равномерному участку на 3дБ.

Так как по заданию крутизна спадов и подъемов АЧХ корректирующих усилителей должна составлять не более 6 дБ/октаву, то для реализации такой АЧХ в основном используют неинвертирующие усилители с обратной связью на RC- элементах (рисунок 2).



Рисунок 2 - Принципиальная схема неинвертирующего активного корректора

Их преимущество состоит в том, что они позволяют отделить от усилителя источник сигнала, который при этом может быть с низкоомным выходом.

Для реализации характеристик с несколькими наклонными участками используется множество способов. Наиболее часто применяют следующие два из них. Первый - составляются сложные элементы Z1 и Z2, дающие соответствующие частотно-зависимые импедансы для получения заданной АЧХ усилителя. Второй - последовательно соединяются несколько каскадов (рисунок 3), каждый из которых формирует наклон частотной характеристики только на определенном участке, а на других частотах имеет равномерную АЧХ. В данном курсовом проекте будет использоваться второй способ, который более прост для расчетов и оптимизации параметров корректирующего усилителя. При этом усилитель-корректор будет состоять из нескольких узлов, число которых определяется количеством наклонных участков на частотной характеристике.

Для реализации, как подъема, так и спада заданной АЧХ будем использовать неинвертирующие активные фильтры.

1.2.2 Выбор корректирующих цепей

Определим схему цепи обратной связи, состоящей из элементов Z1 и Z2. При этом введем кое-какие пояснения позволяющие понять, по каким критериям осуществляется выбор структуры элементов Z1 и Z2 /1/:

· для того чтобы частотная характеристика коэффициента передачи была равномерной, элементы Z1 и Z2 должны быть чисто активными;

· для того чтобы с увеличением частоты функция, описывающая частотную характеристику, спадала, элемент Z1 должен быть емкостным в параллельной цепи;

· для того чтобы с увеличением частоты функция, описывающая частотную характеристику, нарастала, емкость должна быть включена параллельно в Z2;

· для того чтобы функция спадала в сторону низких частот, ёмкость должна быть последовательно в Z2.

Исходя из выше сказанного, структура корректирующего усилителя с заданной АЧХ (рисунок 3) будет выглядеть следующим образом.

Рисунок 3 - Принципиальная схема усилителя - корректора

1.2.3 Предварительный расчет элементов корректирующего усилителя

Общий коэффициент усиления корректирующего усилителя, состоящего из последовательно соединенных звеньев (корректирующих цепей) равен произведению их коэффициентов усиления (если же коэффициенты усиления выражены в дБ, то их сумме).

Корректирующий усилитель должен обеспечивать коэффициент усиления:

- на нижних частотах ;

- на средних частотах ;

- на высших частотах .

Т.к. усилителям-корректорам сложнее работать на нижних частотах, то обеспечим на них одинаковый коэффициент усиления обоих корректирующих каскадов.

Исходя из этого начальный коэффициент усиления для первого корректирующего звена H1 (или K1) примем равным 31 дБ (35 раз), для второго H2 (или K2) - равным 20 дБ (10 раз).

Комплексный коэффициент усиления для первого звена можно вычислить по формуле (1):

, (1)

где p - оператор Лапласа;

- комплексный коэффициент передачи первого звена корректирующего усилителя;

, - комплексные сопротивления цепи обратной связи первого звена корректирующего усилителя.

,

.

Подставляя выражения для Z1(p) и Z2(p) в формулу (1) после необходимых преобразований, получим:

,

,

Где

, (2)

, (3)

. (4)

Исходя из желаемой характеристики коррекции, начальный коэффициент усиления первого звена корректирующего усилителя , и - величины известные: , . Следовательно, , .

Задаем значение свободно выбираемому элементу. При этом нужно помнить, что минимальное сопротивление нагрузки ОУ должно быть не менее 2 кОм.

Пусть , тогда подставляя значения для K1 и R5 в уравнение (2) и решая его относительно R2, получим:

.

Выберем резистор общего применения типа С2-33Н номиналом 1000Ом с допуском ±1% в качестве R3 и резистор C2-33Н номиналом 33кОм с допуском ±1% в качестве R2. /7/

Решаем совместно уравнения (3) и (4):

, откуда

Выберем резистор типа С2-33Н номиналом 10кОм с допуском ±1%.

.

Выберем конденсатор с неорганическим диэлектриком типа КМ-5 ёмкостью 82нФ и номинальным напряжением 100В.

Комплексный коэффициент усиления для второго звена можно вычислить по формуле (5):

, (5)

где p - оператор Лапласа

- комплексный коэффициент передачи второго звена корректирующего усилителя;

, -- комплексные сопротивления цепи обратной связи второго звена корректирующего усилителя.

,

.

Подставляя выражения для Z3(p) и Z4(p) в формулу (5) после необходимых преобразований, получим:

, (6)

, (7)

. (8)

Исходя из желаемой характеристики коррекции, начальный коэффициент усиления второго звена корректирующего усилителя , и -- величины известные: , . Следовательно, , .

Задаем значение свободно выбираемому элементу. Пусть , тогда подставляя значения для и в уравнение (6) и решая его относительно , получим:

.

Выберем резистор общего применения типа С2-33Н номиналом 1000Ом с допуском ±1% в качестве и резистор С2-33Н номиналом 9.1 кОм с допуском ±1% в качестве .

Решаем совместно уравнения (7) и (8):

,

.

Выберем резистор общего применения типа С2-33Н номиналом 430 Ом.

.

Выберем конденсатор с неорганическим диэлектриком типа КМ-5 ёмкостью 33нФ и номинальным напряжением 100В.

1.2.4 Выбор типа операционных усилителей

При выборе типа операционных усилителей и элементной базы следует руководствоваться комплексом соображений -- современность, экономичность, доступность на отечественном рынке, сложность дополнительных аппаратных средств. В данной схеме в качестве DA1, DA2 целесообразно использование ОУ OPA3583, выпускаемых фирмой Burn Brown.

1.3 Разработка принципиальной схемы усилителя мощности

1.3.1 Обобщенная схема усилителя мощности

Оконечные каскады усиления мощности в режимах А и В имеют теоретически максимальный КПД 50 и 78.54 % соответственно. Но у реальных усиливаемых колебаний амплитуда редко бывает равна максимальной. Например, звуковой сигнал можно считать квазигармоническим, средняя амплитуда которого около 30 % от максимальной. В этом случае КПД усилителя даже в режиме В составляет лишь 24 %. Обычно усилитель используют не на полную мощность. Так, регулятор громкости усилителей звуковой частоты чаще всего устанавливают на малый уровень. При этом КПД пропорционально снижается. Низок КПД мощных усилителей постоянного тока, применяемых, например, в устройствах автоматики и различных регуляторах.

Повышение КПД усилителей обеспечивает экономию энергии источника питания и уменьшает мощность потерь в транзисторах. Оба эти преимущества взаимно обуславливают друг друга, но ценным является каждое из них. Отсюда, в частности, вытекает повышение надежности, уменьшение общих размеров и материалоемкости усилителя и источника питания.

Для всего усилителя КПД в основном определяется его оконечным каскадом как главным потребителем энергии питания. Основными принципами построения оконечных каскадов с повышенным КПД в настоящее время является применение ключевого или аналого-дискретного режимов работы транзисторов.

В ключевых усилителях транзисторы работают в режиме D, т. е. в качестве ключей. Режим D, или ключевой режим работы транзистора, состоит в том, что на его вход подаются прямоугольные импульсы большой амплитуды, полностью отпирающие и запирающие транзистор. Последний используется в качестве выключателя или ключа. Он всегда находится в одном из двух крайних состояний: ”полностью открытом” или “полностью закрытом”. В первом из них падение напряжения между выходными электродами транзистора близки к нулю, а во втором - его ток близок к нулю. Поэтому потери энергии в транзисторе всегда ничтожно малы. Переход из одного состояния в другое осуществляется мгновенно. Режим D позволяет получить в усилителях мощности очень высокий КПД.

Применение ключевого режима для усиления непрерывных сигналов основано на усреднении (сглаживании) в нагрузке импульсов тока транзистора, следующих друг за другом. Чтобы среднее за период следования импульсов значение тока нагрузки повторяло форму усиливаемого колебания, последовательность однополярных входных импульсов, отпирающих транзистор, должна быть заранее подвергнута так называемой широтно-импульсной модуляции. У такой модулированной последовательности ширина (длительность) импульсов изменяется от импульса к импульсу так, что их коэффициент заполнения пропорционален значению усиливаемого колебания в данный момент времени. Таким образом, на вход транзистора здесь подается не усиливаемое колебание, а последовательность широтно-модулированных импульсов.

На рисунке 4 приведена простейшая схема оконечного каскада, работающего в режиме D, для однополярных сигналов. Она используется либо для усиления мощности постоянного напряжения, например, в устройствах автоматики, либо в качестве одного плеча двухтактного усилителя, в котором положительные и отрицательные полуволны выходного колебания формируются в нагрузке каждая своим плечом. Последний режим называется режимом BD (В символизирует поочередность работы плеч, а D - ключевой режим транзисторов). Здесь в течение половины периода усиливаемого переменного напряжения u на базу транзистора подается последовательность широтно-модулированных импульсов напряжения uБ. Период повторения импульсов постоянен, а ширина меняется пропорционально “мгновенному” значению напряжения поступающего на ШИМ.



Рисунок 4 - Простейшая схема оконечного каскада работающего в режиме D

Каждый импульс входного напряжения uБ полностью открывает транзистор, в результате чего практически все напряжение питания uБ оказывается приложенным к последовательно соединенным дросселю L и нагрузке Rn и вызывает экспоненциальное нарастание тока дросселя. В паузах между импульсами транзистор заперт. Но ток дросселя не может прекращаться мгновенно: он продолжает протекать через дроссель L и нагрузку Rn в прежнем направлении.

Конденсатор Cф является фильтрующим. Он ослабевает пульсации напряжения на нагрузке, имеющие частоту повторения импульсов. Чем больше эта частота, тем точнее будет воспроизведена форма колебания.

Накопительный дроссель сглаживает импульсы тока транзистора, превращая их в непрерывный ток дросселя, а значит, и нагрузки. При этом из высокочастотных составляющих последовательности широтно-модулированных импульсов в токе дросселя остаются лишь сравнительно небольшие пилообразные пульсации. Следовательно, остальные высокочастотные составляющие преобразуются в низкочастотную (т. е. полезную) составляющую тока нагрузки, увеличивая ее мощность.

На рисунке 5 приведена схема усилителя мощности с ШИМ. В качестве модулятора в схеме используется интегратор и триггер Шмидта. Входной сигнал поступает на интегратор вместе с прямоугольным сигналом (идущим от генератора прямоугольных импульсов). На выходе интегратора увеличивается (или уменьшается) напряжение и достигнув определенного значения триггер Шмидта на выходе формирует импульсы, ширина (или длина) которых зависит от того как часто напряжение с выхода интегратора будет соответствовать установленным в триггере пороговых напряжений.

На вход интегратора подается также и обратная связь для улучшения линейности характеристик передачи. Глубина обратной связи и ее максимум зависят от качества фильтрации сигналов и отношения fs/fв (где fв - верхняя частота входного сигнала). Чем выше несущая частота fs, тем глубже может быть обратная связь. Обычно она составляет около 20 дБ.

В качестве усилителя мощности используется схема двухтактного ключевого каскада. Отличие от однотактного ключевого каскада в том, что в первый полупериод усиливаемого напряжения ue широтно-модулированные импульсы поступают только на базу транзистора VT1. Каждый импульс открывает транзистор, в результате чего ток протекает от источника питания Еп1 через элементы схемы VT1, L и цепь Rn||C2. Во второй полупериод импульсы поступают на базу второго транзистора и плечи как бы меняются ролями.



Рисунок 5 - Схема усилителя мощности с ШИМ

1.3.3 Принципиальная схема мощного корректирующего усилителя

Исходя из того, что было сказано выше, изобразим окончательную схему усилителя мощности (рисунок 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 - Принципиальная схема мощного корректирующего усилителя класса ШИМ

1.4 Предварительный расчет УМ

Элементы и формируют фильтр нижних частот, который подавляет несущую , ее гармоники и боковые полосы спектра модуляции, после чего на выходе получается усиленный аналоговый сигнал. Частота дискретизации , как минимум, должна быть вдвое больше максимальной частоты передаваемого сигнала. Процессы коммутации (как нелинейные элементы схемы) вызывают появление боковых полос, поэтому для облегчения фильтрации частота дискретизации на практике выбирается в пределах . В данном случае частота прямоугольных импульсов будет равна , а амплитуда 50 В.

Параметры и рассчитываются по сопротивлению и граничной частоте входного сигнала .

Глубина обратной связи и ее максимум зависят от качества фильтрации сигналов и отношения . Чем выше несущая частота , тем глубже может быть обратная связь. С учетом того, что в нашем случае , мы можем обеспечить глубину обратной связи равное 20 дБ. Для этого , а .

Интегратор будет подходить для нашей схемы с параметрами: ,

Опорное напряжение триггера Шмидта равно +/- 0,001 В, а выходное напряжение +/- 17,5 В (это значение берется с запасом, т. к. необходимо 0,75 В чтобы открыть транзистор).

2. Оптимизация параметров схемы мощного корректирующего усилителя на ЭВМ

Анализ схемы для моделирования предполагает составление в программе Electronics Workbench принципиальной схемы корректирующего мощного усилителя (выбор и расположение компонентов, проведение связей между ними) и выполнение соответствующих видов анализа (анализ частотной характеристики, осциллограмм сигнала). Принципиальная схема корректирующего мощного усилителя представлена в приложении А данной работы.

В предыдущих разделах данной работы был осуществлён расчёт элементов устройства. Его частотная характеристика приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Частотная характеристика корректирующего мощного усилителя



Рисунок 8 - Осциллограмма выходного и входного напряжений

На рисунке 7 представлена наиболее точная амплитудно-частотная характеристика мощного корректирующего усилителя разработанного в первом разделе работы и соответствующая требованию задания.

На рисунке 8 изображена осциллограммы выходного и входного напряжения, т.е. напряжения на нагрузке. Осциллограмма выходного напряжения приведена для частоты генератора синусоидального сигнала 10 кГц и амплитуды сигнала 100 мВ и соответствует заданному выходному напряжению на нагрузке. При этом пришлось подкорректировать некоторые номиналы пассивных элементов схемы.

Сам выходной сигнал не является идеально синусоидальным, так как имеются помехи, искажающие его. Более гладкой характеристики выходного напряжения при моделировании в программе Electronics Workbench получить не удалось.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта была разработана и обоснована принципиальная схема мощного корректирующего усилителя с заданной АЧХ и мощностью в нагрузке. При помощи пакета MathCAD был произведен предварительный расчет значений элементов схемы. Данные, полученные в ходе предварительного расчета, были использованы при моделировании схемы на ЭВМ в пакете программ схемотехнического проектирования Electronics Workbench 5.12.

В результате выполнения курсового проекта были закреплены теоретические знания, полученные при изучении курса “Схемотехника аналоговых электронных устройств”, а также получены практические навыки при работе со справочным материалом.

Список использованных источников

1. Анализ и оптимизация корректирующего мощного усилителя на основе операционных усилителей: Метод. указания / Самарский гос. Аэрокосмический ун-т. Сост. В.И. Михайков. Самара, СГАУ 2002 - 15с.

2. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. - 2-е изд., испр. - М.”: Горячая линия-Телеком, 2003. - 320 с.: ил.

3. П. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. 1991.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. Вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк. 1991. - 622 с.: ил.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1983. - 512 с., ил.

6. Электронные приборы и усилители/ Учебник для техникумов. Ф.И. Вайсбурд, Г.А. Панаев, Б.Н. Савельев.--М.: Радио и связь, 1987. -- 472с.: ил.

7. Резисторы (справочник) / Ю.Н. Андреев, А.И. Антонян, Д.М. Иванов и др.; Под ред. И.И. Четвертакова. -М.: Энергоиздат, 1981.-352 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...