Расчет усилителя

В таком случае усиление в схеме УНЧ составит:  Кр[дб]= 20 m+10.

 

4. Предварительный расчет оконечного каскада УНЧ.

Известно большое число различных схем с бестрансформаторным  выходом, которые отличаются по типу проводимости транзисторов, способом их включения, режимом работы (АВ или В), а также видом связи оконечного каскада с предварительным и нагрузкой.

При этом важны следующие рекомендации:

- для мощностей выше 50 мВт, необходимо применять двухтактную схему, режим (АВ или В), с мощностью транзисторов (малая, средняя или большая) определяются исходя из значения Рвых;

- высокие качественные показатели имеют каскады, в которых применяют  транзисторы разного типу электропроводности (комплементарные пары);

- режим В имеет высокий КПД (η=0,6÷0,7), однако в этом режиме большие нелинейные искажения.

Выходя из этого, преимущество следует отдать бестрансформаторному каскаду усиления на транзисторах разного типу проводимости (рис.1,а) и режиму АВ. Режим АВ имеет меньшие искажения сигнала, чем режим В. Электропитание такого каскада возможно от однополярного источника. В таком случае нагрузка подключается через конденсатор большой емкости.

Тип транзисторов выходного каскада выбираем по величине максимально допустимой мощности, которая рассеивается на его коллекторе – Рк макс, а также максимальному току коллектора – Iк макс и частотным особенностям – fh21Е :

 

Рк макс ≥ (0,25÷ 0,3) Рвых;   Iк макс ≥ (2 Рвых /Rн)1/2;  fh21Э ≥ (2÷3) fв .

 

По найденным значениям Рк, Iк макс, fh21Е вибираем из табл. 3 транзисторы выходного каскада. Выбираем комплементарную пару транзисторов p-n-p i n-p-n типа с близкими по значениям параметров и характеристикам.

Напряжение источника питания выбираем из условия:

2UК макс ≥ EK ≥ 2(Uнач + Um вых),

где Uк макс – максимально допустимое напряжение на коллекторе;

Uнач 1В – коллекторное напряжение, при котором транзистор входит в режим насыщения (определяется из статических характеристик выбранного транзистора);

Um вых = Umн = (2 Рвых Rн)1/2 – амплитуда выходного напряжения.

Величина напряжения питания выбирается из ряда номинальных значений по большему значению из табл. 2.

Таблица 2

5

6

9

12

15

24

30

36

 

 

2.2.3. Разработка электрической принципиальной схемы УНЧ

На основании структурной схемы составим ориентировочную принципиальную схему УНЧ. Пример принципиальной схемы УНЧ приведен на рис.5. В этой схеме, каскады предварительного усиления выполнены на транзисторах VТ1-VТ3, а оконечный бестрансформаторный каскад усиления на транзисторах разного типа проводимости – VТ4, VТ5. Транзистор VT5 должен иметь такие же параметры, как и VT4, однако противоположную по типу проводимость. Каждый из транзисторов вместе с нагрузкой образуют схему с ОК. Характерной особенностью такой схемы – для нее не нужен фазоинверсный каскад.

Для обеспечения питания оконечного каскада от однополярного источника, он подключается к предыдущему каскаду и к нагрузке через конденсаторы С8, С10 . Резистор R9 является регулятором уровня выходного сигнала. Конденсатор С11 – фильтр напряжения питания каскадов предварительного усиления. Величина сопротивления резистора R14 обычно составляет несколько десятков Ом.

Оконечный каскад работает в режиме класса АВ, который задается   делителем R15, R16. Прямое сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения (около 1,5В) между базами транзисторов VT4, VT5, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. В этом случае, при изменении температуры транзисторов (это вызывает изменение контактной разности потенциалов база-эмиттер) будут пропорционально изменяться и напряжение смещения транзисторов. Небольшое значение напряжения смещения (0,6 – 0,7)В, определяет незначительный (десятки миллиампер) сквозной ток транзисторов VT4 і VT5. Ток через нагрузку при этом отсутствует. Поскольку величина сопротивления VD1 незначительна, можно считать, что по переменному току базы транзисторов VT4 і VT5 объединены.

Для предварительного усиления применяют усилители с ОЭ. В качестве активного элемента используют маломощный транзистор n-p-n типа.

Полученные в результате предварительного расчета данные являются основой для окончательного расчета УНЧ.

2.3. Окончательный расчет УНЧ

В процессе окончательного расчета усилителя необходимо провести:

- расчет оконечного каскада УНЧ;

-  расчет каскада предварительного усиления.

Расчет обычно выполняют в последовательности, обратной последовательности прохождения сигнала в УНЧ: вначале рассчитывают элементы оконечного каскада, а затем – каскадов предварительного усиления.

2.3.1. Окончательный расчет оконечного каскада УНЧ

Схема оконечного каскада усиления на комплементарных парах транзисторов приведена на рис.1,а. Вначале все параметры выбранного транзистора необходимо выписать в виде таблицы, а затем привести его входную и выходную характеристики в масштабе, достаточном для точных графических построений.

Порядок расчета:

1. Расчет начинают с построения на семействе выходных статических характеристик транзистора (см. рис. 4) линии нагрузки, которая проходит через две точки UКЭ=ЕК/2 та ІК=ЕК/2Rн .

а)       б)

Рис. 4. Характеристики режима транзистора оконечного каскада:

а) выходная;

б) входная.

2. Строят треугольник мощности со сторонами Umн, IKн и оценивают возможность получения заданной мощности – Рвых=0,5 Um н IK н .

3. Точку „а” принимают за начальную рабочую точку транзистора, в которой UКЭ0=ЕК/2; IK0 = (0,05÷0,1) IK н. Тогда ІБ0 =ІК0 /β.

4. Из семейства выходных и входных характеристик транзистора находим амплитудные значения тока базы ІБm , напряжения базы UБЭm согласно: 

;  .

Ориентировочное значение входного сопротивления транзистора составит rвх= UБЭm / ІБm .

Входная мощность каждого плеча составляет Рвх=0,5 UБЭm ІБm и равна мощности, которую необходимо отдать транзистору предпоследнего каскада.

5. Находим величины сопротивлений резисторов R1 и R2.

Сопротивления резисторов R1 и R2 выбирают одинаковыми:

R1= R2= (ЕК – 2UБЭ0)/2ІД ,

где ІД – ток делителя, который должен быть не меньше (2÷5) ІБ0.

6. Входное сопротивление оконечного каскада составит:

RВХ =β Rд Rн /(β Rн + Rд),

где Rд = R1 / 2 – сопротивление делителя.

7. Амплитуда входного напряжения каскада: Um.вх ≈ Umн, поскольку каскад не усиливает напряжение входного сигнала.

8. Находим емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки при условии обеспечения коэффициента частотных искажений Мн :

С2 ≥ 1/(2πfнRн ) . Значения получают в микрофарадах.

 

2.3.2. Расчет каскада предварительного усиления

В результате предварительного расчета была составлена схема УНЧ, в которую входят несколько однотипных каскадов предварительного усиления с ОЭ.

Расчет каскада предварительного усиления с ОЭ является основной частью работы при проектировании УНЧ. При ее выполнении рассчитывают параметры элементов каждого каскада, цепей межкаскадных связей, режимы работы транзисторов. Исходя из условия обеспечения однотипности, каскады предварительного усиления выполняют одинаковыми. Поэтому расчет обычно сводится к расчету одного каскада.

Рассмотрим методику расчета каскада предварительного усиления с ОЭ, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 2,а, с такими исходными данными (часть данных получена в результате предварительного расчета):

1)   напряжение на выходе каскада – Uвых.т= Umн;

2)   сопротивление нагрузки Rн = RВХ;

3)   напряжение источника питания – Eк ;

4)   нижняя граница частот – fн ;

5)  допустимое значение коэффициента искажений в области низких частот– Мн.

Как и при предварительном расчете считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях.

Необходимо определить:

1)   тип транзистора (уточнить правильность предварительного выбора);

2)   режимы роботы транзистора;

3)   сопротивления резисторов делителя R1,R2;

4)   сопротивление резистора коллекторной нагрузки RК ;

5)   сопротивление резистора в цепи эмиттера RЭ;

6)   емкость разделительного конденсатора С2;

7)   емкость конденсатора в цепи эмиттера СЭ;

8)  гарантированное значение коэффициента усиления каскада по току К1, по напряжению КU и по мощности  КP .

При построении схемы каскада будем использовать элементы с  допустимыми отклонениями от номинальной величины ± 5 % (выходя  из этого, в результатах расчета можно оставить не больше трех значащих цифр).

2.3.2.1. Порядок расчета

1. Проверяем правильность предварительного выбора транзистора.

Для нормального режима роботы транзистора:

1) допустимое напряжение  между коллектором и эмиттером должно превышать напряжение источника питания

UK max >EK

2) величина допустимого тока коллектора должна превышать максимальное значение тока в коллекторной цепи транзистора

IK max >IK0 + IKm ,

 где  IK0 – ток покоя в цепи коллектора;

IKm – амплитуда переменной составляющей тока в цепи коллектора;

IKm= Uвых.т / Rн≈ ,

 

где  Rн≈ = RК RВХ /RК+RВХ – эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току. При этом RК является нагрузкой постоянному току.

Выходя из того, что данный каскад является усилителем мощности, для обеспечения максимальной передачи мощности задаем:

RК = RВХ .

Для обеспечения экономичности каскада при минимальных нелинейных искажениях выбирают

IK0=(1,05...1,1)IKm.

На основании этих ограничений необходимо выбрать транзистор.

По результатам предварительного расчета был выбран усилительным элементом транзистор типа КТЗ15. По данным табл. 3  находим, что заданным требованиям отвечает транзистор КТЗ15Г, у которого

 UK max = 35 В, ІK max = 100 мА, h21Э = 50...350, РK max = 150 мВт.

2. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя:

UKЭ0 = Uвых.т + Uост , 

где Uост – напряжение между коллектором и эмиттером, ниже которого при работе каскада возникают значительные нелинейные искажения.

Для маломощных транзисторов обычно задают Uост = 1 В.

3. Определяем мощность, что выделяется на коллекторе транзистора:

PK =IK0 UKЕ0 .

При этом необходимо обеспечить выполнение условия:

PK < PK max .

Таким образом, проверяем, что выбранный тип транзистора отвечает требованиям  по мощности.

4. Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора:

RК = RВХ .

Рассеиваемая мощность на резисторе составит:

РRк = IK02RК.

Из табл.4,5 выбираем резистор по мощности и сопротивлению.

5. Находим сопротивление резистора RЭ в цепи термостабилизации:

RЭ=

.

При этом необходимо выполнение соотношения:

RЭ / RК = (0,1...0,4)

 для обеспечения условий температурной стабилизации режима покоя каскада.

Мощность, рассеиваемая на RЭ составит:

РR = IK02RЭ.

Из табл. 4, 5 выбираем резистор по мощности и сопротивлению.

 

6. Находим емкость конденсатора СЭ .

Емкость СЭ выбирают при условии, что его сопротивление на частоте  fн  должно быть в 10 раз меньше по сравнению с сопротивлением резистора  RЭ .

CЭ ≥

где множитель 106 позволяет получить значение емкости в микрофарадах.

Рабочее напряжение на СЭ

UС = IK0RЭ.

Из табл. 6 выбираем конденсатор.

7. Находим величину тока покоя базы транзистора:

IБ0 = ІК0 / h21Э min .

8. Находим величину напряжения покоя между базой и эмиттером транзистора.

Поскольку в открытом состоянии транзистора напряжение между его базой и эмиттером составляет около 0,6 В, то напряжение покоя базы

UБ0 =0,6 В

и можно найти ориентировочное значение входного сопоротивления транзистора

rвх= UБ0 / IБ0 .

9. Находим  величину сопротивлений резисторов делителя R1 ,R2 .

Величина тока в делителе выбирается в пределах

ІД =(2÷5)ІБ0,

что обеспечивает независимость задания режима покоя транзистора при изменении его параметров от влияния температуры, при замене транзисторов и др.