Обозначения параметров биполярных транзисторов (соответствующие публикации МЭК148 и стандарту - ГОСТ 2003-74)

^КЭтах

Р- постоянная рассеиваемая мощность транзистора

Р К ср max - максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность кол­

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УНЧ СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Схемы включения транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК), режимы {А, В, АВ), вид каскада (однотактный, двухтактный, с трансформатором или без него на выходе и входе оконечного каскада и т.д.) в каждом варианте обосно-

вываются в зависимости от исходных данных и назначения усилителя мощности. Напряжение источника питания усилителя определяется само­ стоятельно проектантом с учетом предельно допустимых параметров (^Кшах) Летах) транзисторов для оконечного каскада.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Кроме приведенных в табл. 1 исходных данных для проектирования УНЧ должны быть известны назначение усилителя, тип источника пита­ ния, требования к конструкции.

Учитывая учебный характер курсовой работы, требования к источ­ нику питания (выпрямитель, аккумулятор, гальванические элементы, ста­ ционарная сеть и т.д.), к конструкции (стационарный, малогабаритный пе­ реносной и т.д.) проектирующий определяет самостоятельно.

Назначение усилителей в принципе определяется заданным диапазо­ ном рабочих частот, температурой окружающей среды и уровнем коэффи­ циента гармоник, т.е. условиями эксплуатации.

Назначение усилителей в целом ориентировано на использование для радиовещания приёмниками среднего качества, коммерческую теле­ фонию и близко к высококачественному воспроизведению речи и музыки в ряде заданных вариантов расчёта усилителей, а также для промышленных целей.

Требования к источнику сигнала, т.е. к амплитуде ЭДС источника сигнала Ес и его выходному сопротивлению Rc отвечают реальным источ­ никам радиовещания (микрофоны, звукосниматели, детекторы и т.д.).

Порядок расчёта

1. Эскизный расчёт усилителя (выполняется полностью в каждом варианте).

1.1. Начинают проектирование с составления блок-схемы усилите выбора её каскадов по исходным данным на проектирование. При этом следует знать что типовая (стандартная) блок-схема должна содержать ис­ точник сигнала и нагрузку, которые представлены в задании. Между ними предусматривают входное устройства, предварительный усилитель и вы­ ходной мощный усилитель (называемый также оконечным каскадом).

На этом этапе решают, нужны ли в проектируемом усилителе вход­ ное и выходное устройства (трансформаторы или развязывающие конден­ саторы), объём элементов схем, а также количество транзисторов и каска­ дов в составе предварительного усилителя и мощного усилителя.

1.2. Выбор принципиальных схем усилительных каскадов блоксхемы усилителя.

После составления блок-схемы усилителя перед проектировщиком встаёт задача выбора стандартных принципиальных схем:

-входного и выходного устройств (реостатно-ёмкостные, трансформаторные и др.);

-оконечного каскада, т.е. мощного усилителя (однотактная, двух­ тактная, трансформаторная, бестрансформаторная и др.);

-предварительного усилителя (с прямой связью, реостатной, транс­ форматорной, инверсной и др.).

1.3.Выбор транзисторов для всех усилительных каскадов и опреде­ ление количества каскадов.

Для этого за основу берут выходную мощность или напряжение и входную мощность или напряжение источника сигнала. Определяют сум­ марный коэффициент усиления всех каскадов проектируемого усилителя. Затем определяют коэффициент усиления оконечного и предоконечного каскадов, входного и промежуточных каскадов. Уточняют количество кас­ кадов усилителя и составляют ориентировочную принципиальную схему усилителя. После этого распределяют заданные частотные искажения по цепям и каскадам, вносящим эти искажения.

Распределение коэффициентов частотных искажений Мн и Мв произ­ водят отдельно на низшей и высшей рабочих частотах.

2. Электрический расчёт элементов схемы усилителя. Расчет усили­ теля низкой частоты, как любого сложно многокаскадного усилителя, на­ чинают с оконечного каскада, т.е. мощного выходного каскада усилителя, затем рассчитывают предоконечный каскад, стоящие перед ним промежу­ точные, заканчивая расчет входным каскадом.

Понятно, что полный расчет усилителя требует больших затрат вре­ мени, поэтому для детального расчета согласно заданию на проектирова­ ние предложен лишь оконечный усилитель мощности и предоконечный (если без него не обойтись). При этом объем расчетов в вариантах может зависеть от исходных данных на проектирование усилителя и степени ис­ пользования в конкретном случае имеющихся возможностей схем включе­ ния биполярных транзисторов и возможностей самих транзисторов.

На этапе эскизного проектирования УНЧ наиболее ответственной частью проектирования является выбор схемы оконечного каскада, выбор транзистора для него, а также выбор режима работы и схемы включения транзистора. Грамотно решив эту задачу на этапе эскизного проектирова­ ния, можно рассчитывать на успешное завершение курсовой работы. Для этого необходимо знать следующее. Обычно в усилителях звуковой часто­ ты оконечный каскад является каскадом мощного усиления с трансформа­

торным выходом. Этот каскад должен отдавать в нагрузку заданную мощ­ ность сигнала при наименьшем потреблении мощности от источника пита­ ния и допустимом уровне нелинейных и частотных искажений. При этом прежде всего следует решить задачу, будет ли каскад однотактным или двухтактным?

Однотактный каскад имеет один транзистор и может быть использо­ ван только в режиме А, что ведёт к увеличению мощности источника пита­ ния, а КПД при этом получается менее 50 % (0,4—0,45). В этом случае не требуется сложных схем предварительного усилителя, зато требуется меньшая пульсация источника питания и обеспечивается высокий коэффи­ циент гармоник. Конструкция выходного трансформатора в однотактных усилителях больше из-за наличия постоянного подмагничивания.

Двухтактный каскад обеспечивает в нагрузке вдвое большую мощ­ ность, чем однотактный, имеет меньший коэффициент гармоник, выход­ ной трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в трипять раз большую пульсацию источника питания. С другой стороны, в двухкаскадном каскаде необходимо наличие двух транзисторов, выходно­ го трансформатора с удвоенным числом витков первичной обмотки и сред­ ней точкой, а также инверсной схемы предыдущего каскада. Зато эта схема позволяет использовать экономичный режим В (в отличие от однотактной), что уменьшает необходимую мощность источника питания усилителя и позволяет достаточно высоко поднять КПД.

В схемах включения транзистора с общей базой (ОБ) и общим эмит­ тером (ОЭ) транзисторы в плечах двухтактной схемы подбираются с оди­ наковыми или почти одинаковыми значениями (3 (допускается разброс до 20 %), а также по возможности с одинаковой граничной частотой

Выбрав на основании изложенного схему оконечного каскада, режим его работы, находят колебательную мощность сигнала ~Р, которую должен обеспечить транзистор в той или иной схеме.

По найденной колебательной мощности подбирают из справочника подходящий тип транзистора. В справочниках на одинаковые типы транзи­ сторов приводятся формулы для расчёта рассеиваемой коллектором тран­ зистора мощности при различной температуре с учётом теплового сопро­ тивления, что позволяет проверить пригодность выбранного транзистора на допустимую мощность с учётом заданного в исходных данных макси­ мального уровня температуры окружающей среды.

Способ включения транзистора выбирают из следующих условий:

- при включении транзистора с ОБ обеспечиваются наименьшие не­ линейные искажения и свойства каскада мало меняются при изменении температуры и замене транзистора, поэтому в двухтактной схеме транзи­ сторы подбирать по |3 необязательно;

-включение транзистора с ОЭ в р раз снижает необходимую вход­ ную мощность сигнала по сравнению с включением транзистора с ОБ, но при этом возрастает коэффициент гармоник. Замена транзистора изменяет усиление и характеристики каскада сильнее при колебаниях температуры в сравнении с ОБ;

-включение транзистора с общим коллектором (ОК) требует пере­ стройки режима по постоянному току после замены транзистора, хотя тре­ бует примерно такой же входной мощности, как в схеме с ОБ. Включение транзистора с ОК обеспечивает в схеме очень малый коэффициент гармо­ ник при малом сопротивлении источника сигнала и сравнительно постоян­ ный коэффициент усиления по мощности (рис. 1).

*Г.%

б

Рис. 1. Зависимость коэффициента гармоник К г от отношения сопротивления источника сигнала R c к входному сопротивлению транзистора R BX (а)

и коэффициента усиления по мощности К у р входных и промежуточных каскадов от сопротивления нагрузки R н (б)

После выбора схемы включения транзистора оконечного каскада, определяется напряжение источника питания, так как в задании на проек­ тирование оно не задано.

В трансформаторных каскадах напряжение питания (/<> следует брать равным (0,3-0,5)С /Доп, где (/доп - максимальное допустимое мгновенное значение напряжения между выходными электродами транзистора для различных схем включения транзистора. Оно приводится в справочниках.

Далее находят амплитуду переменной составляющей выходного тока

/Вых т- Для этого с учётом максимально допустимых напряжения и тока коллектора, а также допустимой мощности рассеивания коллектором стро­ ят нагрузочную прямую на семействе статических выходных характери­ стик выбранного транзистора. Для большей уверенности в правильности построения нагрузочной прямой целесообразно рассчитать и нанести на семейство статических характеристик допустимую кривую мощности транзистора с учётом максимальной заданной температуры по исходным данным на проектирование.

Выходную мощность, отдаваемую транзистором, определяют в зави­ симости от режима работы оконечного каскада. Затем по входной динами­ ческой характеристике определяют амплитуды входного сигнала UBX т,

/ах твходную мощность сигнала и коэффициент усиления оконечного кас­ када.

Выбор принципиальных схем каскадов предварительного усиления, транзисторов для них и способа их включения

Если требуется предоконечный каскад, то аналогично описанному необходимо привести его принципиальную схему, выбрать транзисторы и т.д. Если по обоснованию он не требуется, то можно приступать к обосно­ ванию принципиальных схем и выбору транзисторов каскадов предвари­ тельного усилителя. Выбор схем и транзисторов для них производят так же, как и для предоконечного каскада усилителя. В большинстве случаев каскады предварительного усиления удаётся сделать реостатными. Обычно транзисторы в этом случае, как и для предоконечного каскада, включают с ОЭ, что позволяет получить от каждого каскада наибольшее усиление.

Транзистор входного каскада усилителя при высоком сопротивлении источника сигнала (более 10 к) целесообразно включать по схеме с ОК. Можно предусмотреть каскад на полевом транзисторе или использовать биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. IGBT - insulated gate bipolar transistor).

Принципиальную схему предоконечного каскада, последнего в пред­ варительном усилителе (напомним, если по обоснованию этот каскад не­ обходим), выбирают в зависимости от схемы оконечного каскада. В трансформаторном двухтактном оконечном каскаде с транзисторами одной проводимости предоконечный каскад выполняют инверсным.

Если требуемую амплитуду тока сигнала входной цепи оконечного каскада можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора предоконечного каскада, то предоконечный каскад может быть выполнен реостатным. Если это невозможно и, например, если по обоснованию тре­