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  , 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.

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

R_2,3,4

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

VT_1,3

Транзистор BC547C

2

6

VT_2,4

Транзистор BC557C

2

7

ОУ

Операционный усилитель LM324N

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.