2.3 Выбор режима работы и схемы оконечного каскада

Выбор режима работы оконечных транзисторов оказывает решающее значение на экономичность усилителя.

В усилителях звуковой частоты используются режимы А, В, АВ. Они отличаются КПД и величиной коэффициента гармоник К_г.

Режим класса А неэкономичен и применяется только при небольших мощностях (до нескольких ватт), отсутствии требований к экономичности питания и необходимости пониженных нелинейных искажений.

Режим класса В и АВ применяются при повышенной мощности P_{вых ном}, при необходимости экономичности питания. В этих режимах нелинейные искажения значительно больше, чем в режиме класса А.

Схемы мощного каскада могут быть однотактными или двухтактными.

Однотактная схема может использоваться только в режиме класса А при небольшой выходной мощности. Она проще и имеет преимущества при охвате усилителя глубокой ООС, т.к. меньше опасность самовозбуждения.

Чаще используются двухтактные схемы оконечного каскада, которые работают в любом режиме, более экономичны и позволяют получить на выходе большую мощность. Вместе с тем, при применении двухтактные схемы мощного каскада в некоторых случаях необходимо в качестве предоконечного каскада применить фазоинверсную схему. Кроме того, усложняется введение в усилитель глубокой ООС.

Приведём пример расчета режима работы оконечного каскада:

Определяем необходимость выходного транзистора. Расчет амплитуды напряжения возникающего на нагрузке, U_выхm:

U_выхm = = =28,3 В (1)

где

Р_выхном =40 Вт – номинальная выходная мощность;

R_н =10 Ом – сопротивление нагрузки;

Учитывая что номинальная выходная мощность более 20 Вт, то используем двухтактный бестрансформаторный каскад на четырёх транзисторах (схема Лина).

Схема оконечного каскада должна отдавать мощность несколько большую, чем номинальная выходная мощность, так как существуют потери, Р_km:

Р_km 1.1*Р_выхном 1.1*40 44Вт (2)

где

Р_выхном =40Вт – номинальная выходная мощность;

1.1 – коэффициент, учитывающий потери усилителя.

2.4 Выбор типа транзистора мощного каскада и ориентировочный расчет оконечного каскада

Выбор типа транзистора мощного каскада производится по мощности, рассеиваемой на коллекторном переходе. Рассеиваемая мощность Р_к зависит от режима работы транзистора. Транзистор должен выбираться с допустимой мощностью рассеяния Р_кдоп, превышающей Р_к.

В режиме класса А, для схемы ОЭ необходимо использовать транзистор, у которого

Р_кдоп ≥ ≈2,5Р_кm

где

η=0,45 является КПД коллекторной цепи.

Если необходимо уменьшить нелинейные искажения, можно использовать режим с уменьшенной амплитудой сигнала на входе мощного каскада и тогда значение КПД необходимо занизить до

η = 0,25 ÷ 0,35

В режиме класса В используется два транзистора с мощностью рассеяния каждого из них

Р_к1доп ≈0,3Р_кm

Промышленность выпускает несколько подтипов транзисторов с одинаковой мощностью рассеяния, которые отличаются другими параметрами: коэффициентом усиления по току h_21э, максимально допустимым напряжением на коллекторном переходе Е_кmax, граничной частотой f_h21.

Выбор подтипа транзистора с наилучшими h_21э, Е_кmax, f_h21 без соответствующего обоснования нельзя считать правильным, так как его стоимость гораздо выше, чем у обычных подтипов.

При выборе подтипа транзистора можно использовать следующие соображения.

В схеме ОЭ транзистор с небольшим h_21э может давать меньший коэффициент гармоник К_г. Транзистор с большим h_21э дает большее усиление по мощности и требует, соответственно, меньшего напряжения на входе (меньшей раскачки), что облегчает проектирование предоконечного каскада.

При заданном напряжении питания Е_к выбирают транзистор, имеющие Е_kmax примерно вдвое больше, чем Е_к.

Если напряжение питания можно выбирать, то имеет смысл выбрать транзистор с возможно большим Е_кmax, так как это уменьшает К_г и увеличивает усиление по мощности каскада. Для схемы ОЭ, необходимо выбирать транзистор с граничной частотой

f_h21э ≥ f_в/√ (М²_вок – 1)

где

М_вок – коэффициент частотных искажений в оконечном каскаде.

Если f_h21э для транзистора не указанно, то можно выбирать транзистор по f_h21б

f_h21б ≥ f_в(1+h_21э)/ √(М²_вок – 1),

используя среднее значение h_21э.

Мощные транзисторы обладают более плохими частотными свойствами. Поэтому приходится отводить на оконечный каскад частотные искажения М_вок, почти равный искажениям М_в, допускаемым техническим заданием на весь усилитель.

Если в усилителе будет применена обратная связь с глубиной F, то М_вок может быть взята в F раз больше, но не более 2-2,5 дБ.

Перед подстановкой формулы величина М всегда переводится в относительные единицы по формуле

М = 10 М(дБ)/20.

Транзистор, имеющий недостаточную величину граничной частоты f_h21э, использовать все же можно при условии, что в каскаде будет применена коррекция местной частотно-зависимой обратной связью. Такая коррекция позволяет увеличить f_h21 примерно равное глубине местной обратной связи. В мощном каскаде глубину отрицательной обратной связи F_ок больше двух обычно не делают.

При выборе транзистора для мощного каскада следует обратить особое внимание на нелинейные свойства транзистора, в частности, на одинаковость расстояний между статическими выходными характеристиками. Дело в том, что при сильной нелинейности транзистора уменьшение К_г обратной связью становится мало эффективным.

Приведём пример расчета:

Выбор типа транзистора

Выбор типа транзистора производится по четырем показателям:

а) По мощности, рассеиваемой на коллекторном переходе, Р_кдоп :

Р_кдоп 0,3*Р_км 0,3*44=13,2 Вт (3)

где

Р_км 44Вт– амплитудное значение мощности;

0,3 – коэффициент, предусматривающий потери на транзисторе.

б) По максимально допустимому значению напряжения, U_км :

U_kmax = 2*Е_к = 2*32= 64 В (4)

где

Е_к = 32 В – напряжение питания оконечного каскада

в) По верхней граничной частоте, f_h21э:

f_{h21э =} = =28917 Гц (5)

где

f_в = 17000 – верхняя граничная частота;

М_вок - коэффициент частотных искажений в оконечном каскаде, который рассчитывается по формуле:

М_вок = 1 + 0,8* 0,2 = 1,16 (6)

г) По максимально допустимой температуре, Т_кмах :

Т_кмах = 60 градусов по Цельсию.

Для выбранного из справочника транзистора КТ819Г, выписываем его значения:

Р_кмах = 100 Вт

U_кмах = 100 В

I_кмах = 10 А

f_h21э = 3 МГц

h_21мин =15

T_мах =100 С