3.5. Расчет схемы электрической принципиальной усилителя мощности

3.5.1 Расчет двухтактного усилителя мощности

Так как выходные каскады являются основными потребителями энергии источников питания, то они работают в режиме класса А-В, обеспечивая высокий КПД. Применение двухтактной схемы позволяет уменьшить нелинейные искажения. Схема усилителя представлена на рисунке 3.2.

Исходными данными для проектирования являются: Р_н – мощность в нагрузке усилителя; R_н – сопротивление нагрузки; М_н, M_в – частотные искажения на нижней f_н и верхней f_в частотах рабочего диапазона, К_Г – коэффициент гармоник. Для усилителя выбирают комплементарную пару с близкими параметрами, поэтому расчет проводят только для одного плеча [1-3]:

1. Амплитуда коллекторного напряжения одного плеча

2. Напряжение питания одного плеча

,

где U_нач = (1…2) В.

Выбираем стандартное значение Е_П.

3. Амплитуда коллекторного тока выходного транзистора

.

4. Среднее значение тока, потребляемого от источника

.

Значение I_кА выбирается из расчета: 1 мА на 1 Ватт выходной мощности УМ (например, при Р_н =10 Вт выбираем I_кА =10 мА).

5. Мощность, потребляемая от одного плеча источника при номинальной выходной мощности, равна

.

6. Мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора

.

7. Выбираем транзисторы выходного каскада, комплементарную пару с близкими параметрами и идентичными характеристиками [5,6]. Примеры таких транзисторов и их основные параметры приведены в таблице А.1 приложения А.

Транзисторы должны отвечать следующим требованиям:

где f_Т – верхняя граничная частота транзистора.

8. Строим нагрузочную прямую (рисунок 3.3,а). Для этого рассчитаем две ее крайние точки: , когда U_кэ=0 (сопротивление транзистора близко к нулю) и транзистор полностью открыт ; и когда транзистор закрыт

9. Выбираем рабочую точку А (в пояснительной записке обосновать ее выбор). По рисунку 3.3,б находим U_бэm, I_бэm.

10. Строим сквозную динамическую характеристику (рисунок 3.4). На рисунке 2,б находим U_бэА, определяем I_бА; на рисунке 2,а – значение I_бA (точка А) и соответствующее значение I_кА. Результаты заносим в таблицу 3.3. На графике сквозной характеристики (рисунок 3.4) точка I_кА соответствует нулю оси ординат, так как постоянные составляющие токов верхнего и нижнего плеча усилителя одинаковы, противоположно направлены и компенсируются.

Таблица 3.3

Точка Параметр	А	В	С	D
Uбэ, В
Iб, мА
Iк, А
Uкэ, В

Рисунок 3.2 – Усилитель мощности. Схема электрическая принципиальная

а б

Рисунок 3.3 – Вольтамперные характеристики транзисторов

а – выходные; б – входные

Д алее определяем координаты второй точки. Для этого выбираем на рисунке 2,б U_бэВ, находим I_бВ. По графику рисунка 2,а находим I_бВ и соответствующие ему точки В и I_кВ. Заносим координаты точки В в таблицу 3.3. И так далее до точки D. По значениям получившейся таблицы строим сквозную динамическую характеристику (рисунок 3.4).

Т очка I₁ на графике рисунка 3.4 соответствует максимальной амплитуде входного напряжения U_бэА+U_бэm, точка I₂ – середине амплитуды входного сигнала, т.е.

.

11. Определяем коэффициент гармоник любым из известных способов (ЭВМ, трех ординат, пяти ординат).

По методу трех ординат:

по 3-й гармонике искажения определяются как

где F – глубина обратной связи; для эмиттерного повторителя

F =1+g₂₁·R_н,

где - g₂₁ – усредненная величина крутизны транзистора, определяемая выражением

g₂₁=I_кm/U_бэm.

Поскольку схема неидеальна, то вторая гармоника из-за асимметрии плеч не компенсируется. Коэффициент асимметрии плеч X можно принять равным 0,5. По второй гармонике искажения равны

Общий коэффициент нелинейных искажений

Переводим значения К_Г в проценты. Например, К_Г=0,02=2%. Если К_Г не удовлетворяет требованиям ТЗ, то необходимо изменить режим работы по постоянному току (увеличить I_кА и повторить расчет с пункта 9), либо ввести дополнительную общую или местную отрицательную обратную связь. Если удовлетворяет, то обеспечиваем режимы работы по постоянному току. Если К_Г значительно (в 3…10 раз) меньше заданного в ТЗ, то рекомендуется уменьшить I_кА и повторить расчет с пункта 9.

При расчете по методу пяти ординат необходимо ввести две дополнительные промежуточные точки и рассчитать по методике, проведенной выше.

12. Рассчитаем сопротивления R1 и R2. Обычно R1=R2

.

где I_д – ток делителя, показанный на рисунке 3.2.

1 3. Выберем диод [7], который обеспечивает при токе

I_д>(2…3)I_бА

напряжение U_диода=2U_бэА (рисунок 3.5). При отсутствии диода с таким U_диода, возможно последовательное включение двух и более диодов, причем необходимое падение напряжения на диоде рассчитывается из условия

U_диода=2U_бэА/n,

где n – количество диодов.

Ток I_д не должен быть большим, так как при этом возрастает мощность рассеивания на резисторах P_R1,R2 и уменьшается входное сопротивление усилителя. Материал диода (кремний или германий) выбирается таким же как и у транзисторов УМ для обеспечения одинакового падения напряжения.

14. Выбирая номинальные значения R1 и R2, рассчитаем P_R1, P_R2 из выражения

и находим номинальные значения последних.

15. Определяем входное сопротивление усилителя

,

где R_дел – сопротивление делителя по переменному току;

g₁₁ – усредненная входная проводимость транзистора.

Поскольку в двухтактной схеме усилителя плечи работают попеременно, то один транзистор оказывается постоянно выключен. Но R1 и R2 при этом также постоянно включены и по переменному току соединены параллельно. Сопротивление диода по переменному току мало и им пренебрегаем. Поэтому R_дел=R1·R2/(R1+R2). При R1=R2 сопротивление делителя R_дел=R1/2.

Усредненную проводимость g₁₁ находим по входной характеристике (см. рисунок 3.3,б)

.

16. Параметры входного сигнала.

Амплитуда входного напряжения усилителя мощности

,

где K_0УМ – коэффициент передачи усилителя мощности, определяемый выражением

.

Амплитуда входного тока усилителя мощности

.

Мощность входного сигнала

.