Расчет усилителя мощности класса B

1 2

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 на рис.1.1, основой которой является предварительный усилительный каскад на операционном усилителе LM324N и оконечный каскад (бустер) на двух комплементарных парах биполярных транзисторов(n-p-n BC547C и p-n-p BC557C).

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 работает транзисторы n-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.