- •Выбор принципиальных схем каскадов предварительного усиления, транзисторов для них и способа их включения
- •Оконечные каскады усиления
- •Анализ принципиальных схем оконечных трансформаторных каскадов мощного усиления
- •Расчёт каскадов мощного усиления
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
- •Тема: Расчёт усилителя низкой частоты на биполярных транзисторах
- •Порядок выбора резисторов в схеме усилительного каскада
Для уменьшения нелинейных искажений и мощности входного сиг нала, повышения КПД источника питания и упрощения его конструкции величину коллекторного напряжения необходимо выбирать возможно большей. При этом следует помнить, что в трансформаторных каскадах напряжение на коллекторах достигает почти двойного значения напряже ния источника питания и что с повышением температуры допустимое на пряжение между электродами транзистора уменьшается. Поэтому напря жение источника питания для таких каскадов не должно превышать значе ния, определяемого методикой эскизного расчёта УНЧ.
Анализ принципиальных схем оконечных трансформаторных каскадов мощного усиления
Каскады мощного усиления в большинстве случаев выполняются трансформаторными, так как при этом:
-для транзистора можно получить нагрузку переменному току, при которой он отдаёт максимальную мощность сигнала;
-постоянная составляющая выходного тока не протекает через со противление нагрузки усилителя, что уменьшает потери энергии питания и увеличивает КПД каскада.
Рассмотрим несколько схем однотактных и двухтактных каскадов мощного усиления и особенности их применения.
На рис. 4 приведена принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления звуковых частот с транзистором, включённым с ОЭ и ЛС-связью с предыдущим каскадом.
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема однотактного каскада с транзисто ром, включённым с ОЭ и RC-связью
Схема проста и экономична с точки зрения общего количества необ ходимых деталей. Используется она только в режиме А и, следовательно, с малым КПД (менее 50 %). Усиление мощности в этой схеме наибольшее, но и коэффициент гармоник наибольший. В схеме используется эмиттерная стабилизация. Внутреннее сопротивление источника сигнала Rc, необ ходимое для построения сквозной динамической характеристики и расчёта коэффициента гармоник, в этом случае равно параллельному соединению
/?вых выходного сопротивления транзистора T l, RKсопротивления в цепи коллектора и сопротивлений делителя/?) и/?2. Обычно /?вых » /?к, /?),/?2, поэтому внутреннее сопротивление источника сигнала для данной схемы определяется по формуле
R,
где /?д - сопротивление делителя, образуемое параллельным соединением сопротивлений /?) и /?2 и равное /?)/?2 /(/?i + /?г)-
На рис. 5 представлена принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления звуковых частот с транзистором, включённым с ОБ и трансформаторной связью с предыдущим каскадом.
Рис. 5. Принципиальная схема однотактного каскада с транзистором, включённым с ОБ и трансформаторной связью с предыдущим каскадом
Схема даёт малые нелинейные искажения вследствие большой ли нейности характеристик транзистора при включении его с ОБ. Она позво ляет применить транзистор малой мощности в предыдущем каскаде, обес
печивает очень малые частотные искажения предыдущего каскада на верхних частотах и устойчива к сохранению режима усиления после заме ны транзистора. Данная схема, как и схема на рис. 4, применяется только в режиме А. Входным током транзистора Т2 является ток эмиттера /э, пре восходящий по величине ток коллектора /к. Поэтому для уменьшения тока сигнала, снимаемого с транзистора Т1 предыдущего каскада, он включает ся через понижающий трансформатор Тр1 с очень малым коэффициентом трансформации. Предоконечный каскад в этом случае обычно рассчиты вают как каскад мощного усиления с выходной мощностью, требующейся для подачи во входную цепь оконечного каскада. В схеме используется эмиттерная стабилизация. Сопротивлением эмиттерной стабилизации R3в
схеме является активное сопротивление вторичной обмотки Г2 трансфор матора Тр1. Если оно оказывается недостаточным для заданной стабилиза ции режима, в цепь эмиттера можно включить дополнительное сопротив ление R*э, зашунтировав его ёмкостью Сэ, расчёт которой производится обычным образом.
Внутреннее сопротивление источника сигнала
Rc SS(/?вых + Г\) П ,
где /?ВЬ|Х- выходное сопротивление транзистора предыдущего каскада Т1 переменному току в рабочей точке;
Г) - активное сопротивление первичной обмотки трансформатора Тр1;
п - коэффициент трансформации Тр1.
На рис. 6 изображена принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим инверсным каскадом с разделённой нагрузкой. В этой схеме по сравнению со схемами на рис. 4 и 5 нелинейные искажения меньше за счёт компенса ции чётных гармонических составляющих в выходном сигнале, а также меньше размеры, вес и стоимость выходного трансформатора, вследствие отсутствия в нём постоянного подмагничивания.
Из-за присутствия эмиттерной стабилизации и ЛС-связи между кас кадами данная схема работает только в режиме А. Наличие двух транзи сторов вдвое увеличивает выходную мощность двухтактного каскада по сравнению с однотактным. Сопротивление R3 в общем, эмиттерном прово де двухтактного каскада обеспечивает эмиттерную стабилизацию режима, а также симметрирует транзисторы двухтактного каскада при различии их коэффициентов усиления. Однако наличие лишь общего сопротивления R3 для обоих транзисторов при различных их температурных коэффициентах иногда приводит к разбалансировке токов покоя плеч после прогрева или
старения схемы. Для уменьшения такой разбалансировки в эмиттер каждо
го из транзисторов можно включить небольшие сопротивления Л'э и Л"э. Раздельные делители смещения на каждый из транзисторов двухтактного каскада позволяют подобрать одинаковые токи покоя плеч при различных статических коэффициентах усиления тока транзисторов.
Рис. 6. Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами с ОЭ и предыдущим инверсным каскадом с разделённой нагрузкой
Симметричное относительно общего провода напряжение сигнала подаётся на вход двухтактного каскада с разделённой нагрузкой, имеюще го хорошую частотную характеристику. Верхний и нижний выходы ин версного каскада представляют собой источники сигнала с различными внутренними сопротивлениями. Для верхнего плеча двухтактной схемы
(Лк + ЛД)
где Лд = Л]Л2 /(/?i + R i ) -
У нижнего плеча двухтактной схемы Rc получается меньше вследст вие шунтирующего действия эмиттерного выхода транзистора Т1. Для вы равнивания сопротивлений источника сигнала для верхнего и нижнего плеч в схему инверсного каскада иногда включают сопротивление R' (изо бражено пунктиром).
На рис. 7 приведена принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим трансформаторным инверсным каскадом. Схема даже при большой выход ной мощности каскада мощного усиления благодаря трансформаторной связи между каскадами позволяет применить в предыдущем каскаде мало мощный транзистор. Предоконечный инверсный каскад рассчитывается
+Е,
Рис. 7. Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим трансформаторным инверсным каскадом
как каскад мощного усиления с выходной мощностью, требующейся для по дачи во входную цепь двухтактного каскада. Для упрощения схемы оконеч ный каскад имеет один делитель напряжения смещения R\R2 - Вследствие то го, что в схеме имеется одно сопротивление эмиттерной стабилизации /?э, в общем, эмиттерном, проводе при различных параметрах транзисторов в пле чах двухтактной схемы токи покоя плеч будут различными. Для выравнива ния токов покоя плеч можно или подобрать транзисторы в плечах схемы, или, кроме общего сопротивления Лэ, включить в один из эмиттерных прово дов небольшие сопротивления R'3 или R" э (см. рис. 7), выравнивающие токи покоя при различных параметрах транзисторов в плечах схемы. Это, как и в предыдущем случае, уменьшает разбалансировку тока покоя при прогреве и старении элементов схемы. Благодаря наличию эмиттерной стабили
зации (R3) данный каскад работает только в режиме А. Однако если исклю чить сопротивления R3, R'3, R”3, то схема будет пригодной для работы в режиме В. В этом случае транзисторы в плечах двухтактного каскада берут с возможно близкими значениями р. Начальное смещение на транзисторах в этом случае задаётся делителем R\ /?2-
При работе каскада в режиме В сопротивление источника сигнала переменному току Rc для одного плеча двухтактной схемы
Rc « (Лвых н ) пи г
где Лвых - выходное сопротивление транзистора предыдущего каскада пе ременному току в рабочей точке;
г | - активное сопротивление первичной обмотки трансформатора Тр1;
«п - коэффициент трансформации по отношению к половинке вто ричной обмотки (W| И W2II - число витков первичной и половин ки вторичной обмотки), Щ\ = VV2II / W\.
При работе каскада в режиме А
ft _ (^вых! + г\ )п П(^вх2 + 2*211) (■^вых1 + г\ ) п \\ (-^вх2 2*211)
где /?ВЫХ1 - выходное сопротивление транзистора Т1 переменному току в рабочей точке;
/?вх2 - входное сопротивление транзистора двухтактного каскада пе ременному току в рабочей точке;
/*2ii - активное сопротивление половинки вторичной обмотки вход ного трансформатора Тр1.
При необходимости более полного использования транзисторов и получения с них наибольшей мощности целесообразно применять схему, представленную на рис. 8. На ней транзисторы двухтактного каскада включены с ОБ, что позволяет выбрать напряжение источника питания наибольшей величины и при больших токах коллекторов получить сравни тельно малый коэффициент гармоник Кг. Преимуществом этой схемы по сравнению со схемой рис. 7 является то, что при замене транзисторов ко эффициент усиления и характеристики каскада почти не изменяются, тран зисторы в плечах двухтактного каскада не требуют тщательного подбора. Схема на рис. 8 используется при работе в режиме В и может быть исполь зована для работы в режиме А, если в провод средней точки вторичной об мотки трансформатора Тр1 включить сопротивление эмиттерной стабили
зации Лэ. Для выравнивания токов покоя плеч или симметрирования плеч в провода эмиттеров включают небольшие выравнивающие сопротивления Л' и R j. В сравнении со схемой рис. 7 схема на рис. 8 имеет меньший ко эффициент усиления мощности и требует на входе большей мощности сигнала.
Рис. 8. Схема двухтактного каскада с транзисторами, включёнными с ОБ и инверсной трансформаторной схемой предыдущего каскада
Сопротивление источника сигнала Rc для одного плеча двухтактной схемы определяется по тем же формулам, что и для схемы рис. 7.
На рис. 9 приведена схема двухтактного трансформаторного каскада, с включением транзисторов с ОК и работающая в режиме В.
При таком включении транзисторов в схеме рис. 9 обеспечиваются очень малый коэффициент гармоник и высокий КПД. Предоконечный кас кад выполнен с инверсным трансформаторным выходом. Для сбалансиро вания токов покоя плеч оконечного каскада в цепь базы (или эмиттера) транзисторов Т2 и ТЗ включают небольшое балансирующее сопротивление R^ или R£ (на схеме показаны пунктиром).
Сопротивление источника сигнала Rc для одного плеча двухтактной схемы по рис. 9 определяется так же, как и для схем рис. 7 и 8.
На рис. 10 приведена видоизменённая схема двухтактного каскада мощ ного усиления, допускающая, в отличие от предыдущей, крепление транзисто ров на общем радиаторе или шасси без изолирующих прокладок. В этой схеме коллекторы транзисторов лучше охлаждаются, поэтому с транзисторов можно снять большую мощность, а надёжность схемы при этом выше. Применяют схему в режимах А и В при различных способах включения транзисторов.
Рис. 9. Схема двухтактного трансформаторного каскада с включением транзисторов с ОК в режиме В
Рис. 10. Видоизменённая схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёйными с ОК