1. Обоснование и выбор структурной схемы

1.1. Исходя из высокой расчетной мощности на выходе усилителя (P_вых=6,97Вт) выбирается для оконечного каскада двухтактная схема на транзисторах большой мощности и режим работы класса АВ. Использование режима АВ позволяет уменьшить нелинейные искажения усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов. При работе двухтактного каскада в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн и компенсация искажений на начальных участках ВАХ.

При этом КПД схемы практически не изменяется по сравнению с классическим режимом В.

Использование двухтактной схемы в оконечном каскаде мощного усиления позволяет увеличить выходную мощность усилителя в 2 раза, по сравнению с однотактной, компенсировать четные гармоники выходного тока, а следовательно уменьшить нелинейные искажения. Отсутствие трансформатора позволяет уменьшить габариты схемы, упростить конструкцию усилителя, исключить постоянную подмагничивания и исключить влияние внешних переменных магнитных полей на работу усилителя.

Выбор необходимого числа каскадов усиления, их описание.

1. Входная мощность усилителя рассчитывается по формуле:

,

где U_вх – входное напряжение, В;

R_вх – входное сопротивление усилителя, Ом.

1.2. Коэффициент усиления по мощности всего усилителя

,

где P_вых – выходная мощность усилителя, Вт;

К_P.общ.dB-коэффициент усиления по мощности усилителя, dB.

1.3. Необходимое число каскадов усиления для получения заданной выходной мощности:

,

где 20 dB - коэффициент усиления по мощности отдельных каскадов.

_{Округляем N=4.}

Типичная структурная схема усилителя низкочастотных сигналов с резистивно-ёмкостной связью между каскадами представлена на Рис.1.1.

Рис.1.1. Структурная схема бестрансформаторного УНЧ.

Первый и второй каскады на транзисторах VT1 и VT2 (транзисторы КТ312Б), предназначены для предварительного усиления сигнала по току и напряжению, третий каскад на транзисторе VT3 (транзистор ГТ405В) является ведущим каскадом. Каскад на транзисторах VT4, VT5 (комплиментарные транзисторы КТ814Б и КТ815Б) является выходным каскадом.

Также в схеме предусмотрена местная ОС (R8, C4). Местная ОС увеличивает входное сопротивление VT2 и уменьшает коэффициент усиления по напряжению транзистора VT2. Последовательная ООС позволяет уменьшить нелинейные искажения. При последовательно соединенной ООС входное сопротивление каскада увеличивается. В схеме предусмотрены входное (С1) и выходное устройство (С6). Источник питания выбирается таким образом: E=2·U_кэ0, при этом должно выполняться неравенство E<U_к.доп.

2. Расчёт оконечного каскада

2. Рассчитываем амплитуду тока нагрузки:

где i_к.max – максимальный ток коллектора, А.

3. Амплитуда выходного напряжения на нагрузке:

4. Рассеиваемая мощность на коллекторном переходе транзистора [1, стр. 9]

для режима B:

для режима A:

5. Находим граничную частоту передачи тока базы [1, стр.11]

_{где fв – верхняя частота усилителя, Гц.}

6. Выбор транзисторов оконечного каскада.

В качестве оконечного каскада принимаем транзисторы на основе учета значений следующих параметров: , , а также величин,, , которые приведены в справочнике.

Всем данным условиям удовлетворяют комплиментарные транзисторы КТ815А (n-p-n) и КТ814А (p-n-p) с теплоотводом, у которых:

P_к.доп=10 Вт;

I_к.max=1,5 А;

U_кэдоп=40 В.

Допустимую рассеиваемую мощность коллектора и постоянное напряжение коллектор-эмиттер с учётом максимальной температуры, при отсутствии данных значений в справочнике, можно рассчитать по следующим формулам:

Для выбранных транзисторов по справочнику находим:

f_гр=3 МГц - граничная частота передачи тока в схеме с ОЭ,

h_12в40- типовое значение статического коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ,

C_э=75 пФ - ёмкость эмиттерного перехода,

С_к=60 пФ - ёмкость коллекторного перехода,

r_Б4=100 Ом – сопротивление базы.

7. По выходным статическим характеристикам транзисторов VT4, VT5, (Рис.2.1) для рассчитанного значения амплитуды тока нагрузки находим , минимальное остаточное напряжение между коллектором и эмиттером транзисторов, отсекающее область резкого нелинейного изменения выходных статических характеристик.

U_ост = 2 В.

8. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя [2, стр. 10]

9. Находим напряжение источника питания:

_{Выбираем E=24 В, при этом выполняется неравенство E < Uк доп=40В}

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

10. Выбираем ток коллектора в точке покоя

.

11. По выходной характеристике (рис 2.1) для и находим ток базы покоя: I_б0=0,45 мA.

12. По выходной характеристике (рис 2.1) находим максимальный ток базы:

i _б.max=45 мA.

13. Переносим найденные значения токов I_б0, i_б.max на входную динамическую характеристику транзистора (рис 2.2) и определяем напряжение база-эмиттер покоя U_бэ0 и максимальное напряжение между базой и эмиттером.

U_бэ0=0,68 В; U_бэ.max=0,86 В.

2.14. Вычисляем амплитуду напряжения между базой и эмиттером

В.

2.15. Амплитуда тока базы

2.16. Определяем значение амплитуды напряжения на входе оконечного каскада

.

2.17. Входное сопротивление оконечного каскада [2, стр. 16] при включении с ОЭ:

при включении с ОК:

2.18. Предварительно определяем сопротивление R₁₂.

Для чего составим систему уравнений:

принимая , получим

Принимаем по ГОСТУ = 220 Ом.

2.19. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT3 в точке покоя

_(2.1)

2.20. Находим амплитуду тока коллектора транзистора VT3

_(2.2)

2.21. Максимальный ток коллектора транзистора VT3

_(2.3)

2.22. Выбираем транзистор VT3 по следующим параметрам: напряжение и ток коллектора в точке покоя I_к03, U_к03, максимальное напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ.max, мощность, рассеиваемая на коллекторе P_к03.

По справочнику выбираем транзистор ГТ405В (p-n-p) с теплоотводом, у которого:

P_к.мах=600мВт;

I_к.max=500мА;

U_кэмах=40 В;

f_гр=1 МГц;

h_21е=30…80

С_к3=60 пФ;

r_Б3=100 Ом

По выходным характеристикам транзистора ГТ405В (рис 2.3) находим минимальное остаточное напряжение ГТ405В U_ост3 для максимального тока коллектора i_max.к3.

U_ост3 1,3

Рассчитываем напряжения между коллектором и эмиттером транзисторов VT3 ,VT4,VT5 в точке покоя;

С учетом этого определяем уточненные значения сопротивления R₁₂

,

2.24. Находим напряжение смещения транзисторов VT4 ,VT5

2.25. Рассчитываем сопротивление резистора смещения

2.26. Определяем значение коэффициента усиления по напряжению оконечного каскада