При рассмотрении трансформаторных схем оконечных каскадов ут верждалось, что использование трансформаторов уменьшает потери энер гии питания и увеличивает КПД каскада за счёт исключения протекания постоянной составляющей через сопротивление нагрузки. Однако проте кание постоянной составляющей через нагрузку можно исключить приме нением специальных двухтактных бестрансформаторных схем. В данном обзоре эти схемы по ряду причин не рассматриваются. Появление в по следние годы комплиментарных кремниевых транзисторов с различным типом проводимости, безусловно, повышает интерес к бестрансформаторным схемам мощного усиления. В результате исключения трансформато ров из состава схем исчезают вносимые ими частотные и фазовые искаже ния, искажения из-за отсечки тока в режиме 5, а также уменьшается вес, габариты и стоимость усилителей.
Расчёт каскадов мощного усиления
Для расчёта транзисторного каскада мощного усиления необходимо иметь следующие данные: выходную мощность Р вых, сопротивление на грузки RH(R2), допустимый коэффициент гармоник Кг, низшую и высшую рабочие частоты FHи F B, допустимые коэффициенты частотных искажений Л/н и Мв, низшую и высшую температуры окружающей среды, т.е. диапа зон температуры от Тит до Гмакс. Кроме того, должны быть известны тип источника питания и назначение проектируемого усилителя мощности.
Расчёт каскада мощного усиления включает в себя: выбор напряже ния источника питания, если оно не задано, выбор рабочей точки покоя (тока покоя выходной цепи), тока покоя и напряжения смещения входной цепи, сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току, проверку по выходной динамической характеристике (нагрузочной прямой), отда ваемой каскадом колебательной мощности ~Р, определение амплитуды то ка и напряжения входного сигнала (входной мощности) и входного сопро тивления каскада, расчёт коэффициента гармоник каскада Кг, расчёт со противлений, задающих смещение, и цепи стабилизации, если она необхо дима, расчёт электрических данных выходного трансформатора (L\, L$, и,
гъ г2)>его конструктивный расчёт (при необходимости) и расчёт радиато ра, охлаждающего транзистор каскада мощного усиления.
Расчёты каскадов мощного усиления в режимах А, В и АВ различа ются и рассматриваются отдельными примерами в данном пособии после методики эскизного расчёта всего усилителя.
МЕТОДИКА ЭСКИЗНОГО РАСЧЁТА УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Составление блок-схемы и принципиальной схемы усилителя низкой частоты по следующим исходным данным:
-требуемая мощность в нагрузке Рн\
-сопротивление нагрузки RH;
-коэффициент нелинейных искажений Кг;
-полоса усиливаемых частот F H- FB;
-частотные искажения в крайних точках диапазона частот Ми- Мв;
-рабочий диапазон температур Гмин - Тмакс.
Уровень напряжения источника питания усилителя определяется ре жимом работы выбранного по справочнику транзистора оконечного каска да (т.е. зависит от проектирующего), параметры источника сигнала на вхо де проектируемого усилителя в каждом варианте заданы (см. табл. 1).
1. Выбор транзистора по справочнику, определение способа его включения, а также обоснование режима усиления оконечного каскада. При этом транзисторы, количество которых зависит от схемы оконечного каскада, должны удовлетворять трём условиям:
а) допустимая мощность рассеяния на коллекторе Fornax (по справ нику) должна быть больше рассеиваемой мощности при заданной макси мальной температуре среды (см. исходные данные):
б) граничная частота/р в схемах с ОЭ, ОБ или ОК должна быть выше
FB(см. исходные данные), чтобы частотные искажения, вносимые транзи стором, были малы;
в) транзистор должен вносить небольшие нелинейные искажения. Для реализации первого условия величину Рк, в зависимости от ре
жима работы выбранного транзистора, при проектировании определяли по эмпирическим выражениям:
для однотактного каскада
0 )
для двухтактного трансформаторного каскада в режиме В
в режиме АВ
Лс |
_Ри_ |
(3) |
|
2Мт ' |
|||
|
|
для двухтактного бестрансформаторного в режиме В
(4)
в режиме АВ
(5)
где Рн - мощность в нагрузке; г|т - КПД трансформатора (табл. 2).
Таблица 2
Примерные КПД трансформаторов и значения магнитной индукции в сердечнике
Мощность трансформатора, ВА |
Чг |
Вт, Гс (не более) |
0,1-1 |
0,7-0,85 |
5000 |
1-10 |
0,8-0,9 |
8000 |
10-100 |
0,9-0,94 |
9000 |
В связи с серийным производством в конце прошлого столетия мощ ных транзисторов в современной справочной литературе приводится зна чительно больше, чем ранее, информации о влиянии максимальной темпе ратуры окружающей среды на Рктах- При этом в справочниках расширены формулы расчёта Ркшах мощных транзисторов даже в пределах одного ти па или приводятся графики зависимости Рктах от температуры, естествен но с учетом теплоотводов, т.е. радиаторов. Поэтому в данной методике обязательным предлагается построение в семействе выходных статических характеристик допустимой гиперболы мощности Рктах при заданной мак симальной температуры среды в задании на проектирование. Такой подход к определению Рктах (Тмакс) на этапе эскизного проектирования повышает не только качество проектирования оконечных и предоконечных каскадов, но и усилителя в целом. Кроме того, такой способ учета Р к т а х ( Т маКс) ис ключает возникающие неопределённости при использовании эмпириче ских формул (1) - (5). Но ещё важнее, что предложенный способ позволяет
грамотно использовать мощные транзисторы для проектирования УНЧ на пониженных токах и мощностях.
По формуле /*кшах (Тмакс) = IU задаются током коллектора и по из вестной величине допустимой мощности находят напряжение коллектора
UK, затем наносят на семейство выходных статических характеристик до пустимую кривую мощности (рис. 11, а). В этом же семействе выходных статических характеристик по двум точкам строят нагрузочную прямую. Точка а может быть задана из соображений достаточной величины коллек торного тока для нормального режима работы транзистора. При этом ток коллектора не должен быть больше максимально допустимого коллектор ного тока, приведенного в справочнике, и в то же время не слишком ма леньким при использовании транзистора при пониженной мощности. Точ ка 6 выбирается в зависимости от режима работы транзистора с учётом максимального допустимого напряжения на коллекторе {У^тахНапряже ние питания £ кне должно превышать значения, определяемого по формуле
Ек ^ (0,3 —0,5) Сектах > |
(0) |
где t/кшах - максимальное допустимое напряжение |
между выходными |
электродами транзистора по справочнику. |
|
Наклон линии нагрузки аб выбирают так, чтобы обеспечить задан |
|
ную выходную мощность при высоком КПД и малом |
Кг. При работе тран |
зистора в режиме А рабочая точка (р.т) выбирается на середине нагрузоч ной прямой. В режиме В рабочая точка при нулевом токе коллектора рас полагается внизу (рис. 12, а).
По линии нагрузки определяют отдаваемую транзистором колеба тельную мощность, учитывая размах изменений напряжения и тока на ли нейных участках статических характеристик в режиме А (см. рис. 11, а) по формуле
2U |
21 |
р ^ ^ вых т |
вых т |
Полученная мощность должна быть на 10-20 % больше заданной, так как ещё не учтены КПД трансформатора (г|т) и нелинейные искажения.
Далее переносят крайние точки аб нагрузочной прямой на статиче скую входную характеристику транзистора и находят входную мощность сигнала (рис. 11,6):
РВХ |
21вх т-2"ULBхт |
(8) |
/вх, мА
ДыХэ А
а |
б |
Рис. 11. Статические выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора биполярного транзистора в режиме А
а |
б |
Рис. 12. Выходные (а) и входные (б) статические характеристики биполярного транзистора в режиме В, в котором положение рабочей точки (р.т) совпало с точкой б, а для входной характеристики и с началом координат
И, наконец, определяют коэффициент усиления мощности оконечного каскада
К,рок |
(9) |
В режиме работы В выходная, входная колебательные мощности и коэффициент усиления мощности оконечного каскада определяют по сле дующим формулам и рис. 12:
Рвых--------- |
£/ВЫ т Ьых т > |
(10) |
||
Рвх ~ |
= ^ > 5 |
I/вх т 1ъх т > |
(11) |
|
ГГ |
_ |
Р |
~ |
|
ВЫХ |
|
(12) |
||
^ |
Р ОК |
п |
^ |
|
|
|
Л |
|
|
вх
Современные мощные транзисторы имеют достаточно высокую гра ничную частоту, поэтому второе условие обычно обеспечивается автома тически. Для транзисторов ранних выпусков граничную частоту можно проверить по формуле
Я * |
К |
(13) |
|
||
|
|
да
Для схем с ОК или ОБ частотными искажениями М в пренебрегают. Аналогично выбирают транзистор, схему включения предоконечно
го каскада и по выходным и входным статическим характеристикам опре деляют соответствующие мощности и коэффициент усиления мощности. При выборе транзистора предоконечного каскада определяющее значение имеет входная мощность оконечного каскада. Поэтому выходная мощ ность транзистора предоконечного каскада должна быть не ниже входной мощности оконечного каскада, или даже превышать её. Иначе в первом случае проектируемый усилитель окажется неработоспособным, а во вто ром случае произойдёт резкое снижение усиления по мощности при значи тельном превышении входной мощности расчётного уровня. На этапе эс кизного проектирования недопустим выбор режима работы транзисторов по постоянному току на различные уровни источника питания, следует помнить об обеспечении достаточного уровня источника питания для всех каскадов.
Для уменьшения нелинейных искажений и мощности входного сиг нала, повышения КПД источника питания и упрощения его конструкции величину коллекторного напряжения необходимо брать возможно боль шей. Однако при этом необходимо помнить, что в трансформаторных кас
кадах напряжение на коллекторах достигает почти двойного значения на пряжения источника питания и что с повышением температуры допусти мое напряжение между электродами транзистора уменьшается. Следует принять к сведению, что для транзисторных усилителей источник питания должен быть стабильным с величиной пульсаций не более 1 % и с низким внутренним сопротивлением менее 100 Ом, хотя по заданию источник не проектируется.
Наконец, нелинейные искажения усилителя определяются в основ ном искажениями, вносимыми оконечным каскадом, так как он работает при наибольшей амплитуде сигнала. Поэтому заданные нелинейные иска жения между каскадами не распределяют, а относят их к оконечному уси лителю.
Величина коэффициента гармоник зависит от мощности используе мого транзистора. Если заданный коэффициент гармоник мал, то транзи стор выбирают в 1,5-2 раза большей мощности, рассчитанной по эмпири ческим формулам (1)-(5) для ранних выпусков транзисторов. Нелинейны ми искажениями, вносимыми выходным транзистором, можно пренебречь, если расчёт трансформатора произвести по предлагаемой в детальном рас чёте методике. В общем нелинейности выходных и входных характеристик уменьшают соответствующим выбором выходного сопротивления предо конечного каскада Rc, пересчитанного во вторичную обмотку межкаскад ного трансформатора. Использование для этого эмпирических формул для мощных транзисторов малоэффективно:
Rc = (4 —8) RBXдля каскада с ОБ, |
(14) |
Rc = (2 - 5) Явх для каскада с ОЭ, |
(15) |
Rc = (0,2 - 1) RBXдля каскада с ОК, |
Об) |
где RBXопределяется по статическим характеристикам RBX |
U, |
вх т а при |
ведённые в формулах эмпирические коэффициенты не всегда обеспечива ют необходимый результат для современных мощных транзисторов.
Кроме того, следует помнить, что из-за неполного согласования вы хода предоконечного и входа оконечного каскада также снижается усиле ние каскада. Иногда целесообразно применять схемы с ОБ, ОК или сни мать мощность, меньшую, чем может дать транзистор. Но при этом всегда следует иметь в виду, что с уменьшением рабочего тока мощного транзи стора, из-за соизмеримости его с обратными токами переходов, неизбежно ухудшаются параметры схемы и снижается её стабильность. Подробнее о согласовании выходных и входных сопротивлений, в зависимости от вари
антов исполнения схем оконечных и предоконечных усилителей, говорит ся в рекомендациях по проектированию.
Определение коэффициентов усиления по мощности по эмпириче ским формулам, например, в нашем случае для оконечного и предоконеч ного усилителей, может привести к потере каскада в процессе расчета уси лителя. Поэтому в предлагаемой методике эскизного расчёта коэффициен ты усиления по мощности оконечного и предоконечного каскадов рассчи тывают по характеристикам. Для случаев, когда это оправданно, можно использовать эмпирические формулы по расчёту коэффициентов усиления мощности для различных способов включения транзисторов в схемах око нечных каскадов:
для схемы с ОБ
Е
К р « 0 ,9 - * , |
Ес w (4-8) £/вх, |
(17) |
||
|
Е |
|
|
|
для схемы с ОЭ |
|
|
|
|
С г |
Л |
|
Ec*(2-5)U m , |
|
Кр « 0,9 |
-'МИЮ |
(18) |
||
Е |
с У |
|
|
|
|
|
|
|
|
для схемы с ОК |
|
|
|
|
|
Кр |
Рмин > |
(19) |
|
для составных транзисторов |
|
|
|
|
Кр * Рмин1 |
Рмин 2• |
(20) |
||
При использовании межкаскадных трансформаторов необходимо учесть КПД трансформатора, в бестрансформаторных каскадах он не учи тывается.
Аналогичные эмпирические формулы существуют для расчёта ко эффициентов усиления по мощности предоконечных каскадов:
для реостатного инверсного каскада с разделённой нагрузкой
Кр « Рмин ; |
(21) |
для трансформаторного однофазного или парафазного каскада при включении транзистора с ОЭ
Кр » 50 рмин; |
(22) |
для такого же каскада при включении транзистора с ОБ
Кр * 50 ; |
(23) |
для реостатного каскада при включении транзистора с ОЭ |
|
Кр « 0,3 Р мин; |
|
для такого же каскада при включении транзистора с ОК |
|
Кр « 0,7 рмин . |
(25) |
2. Определение общего коэффициента усиления всего УНЧ: |
|
4 Р R |
(26) |
* Р о б ,д = - ^ р . |
|
Е с |
|
Общий коэффициент усиления по мощности является произведением коэффициентов усиления оконечного, предоконечного, промежуточных и входного каскадов:
П
Ер общ “ |
ОК*Кр пок * П * Р пром j ■Кр вх » |
(27) |
|
У= 1 |
|
где п - число промежуточных каскадов (если после дальнейшего расчета
П
Кр вх получим П Кр
У=1
п р о м j < 1, то промежуточные каскады не используют-
ся).
3. Выбор схемы входного каскада, типа транзистора и определение коэффициента усиления по мощности:
■^"р ВХ* 6,7 Рмин • |
(28) |
Поскольку по заданию практически во всех вариантах сопротивле ние источника входного сигнала, подключаемого ко входу проектируемых усилителей, достаточно велико, т.е. значительно выше входных сопротив лений транзисторов в схемах с ОЭ и ОБ, то для всех вариантов в общем случае возможно использование схемы с ОК с расчётом коэффициента усиления мощности по формуле (28).
В настоящее время элементная база современной электроники по зволяет использовать другие полупроводниковые приборы с большим входным сопротивлением (например, полевые транзисторы или интеграль ные операционные усилители и др.).
4. Определение коэффициента усиления по мощности промежуточ ных каскадов, если уже известны коэффициенты усиления мощности око нечного, предоконечного и входного каскадов:
П |
|
К * |
|
|
П*Р пром j |
|
Робщ |
(29) |
|
К_ |
KD |
|||
|
-К. |
|||
|
Р ок |
Р пок |
Р вх |
По полученной величине коэффициента усиления уточняется коли чество промежуточных каскадов.
В литературе, изданной в прошлом столетии, коэффициенты усиле ния по мощности для промежуточных и входного каскадов можно было ориентировочно определять по специально полученным графическим за висимостям.
5. Выбор схемы и транзисторов после определения количества ка кадов проектируемого усилителя.
Определение допустимых граничных частот транзисторов всех кас кадов, кроме оконечного,
F
(30)
гд е /р « /а (1 - а);
п - количество каскадов в усилителе без оконечного. Предполагается, что все каскады по схеме с ОЭ, кроме оконечного,
вносят одинаковые частотные искажения.
При наличии межкаскадных трансформаторов в схеме усилителя учитываются ещё частотные искажения, вносимые трансформатором в об ласти высших частот. Поэтому при расчёте частотных искажений этот кас кад считают за два и увеличивают общее число каскадов на 1.
В области низших частот частотные искажения вносятся в основном деталями, входящими в усилитель (трансформаторы, RC-цепями и др.), и их величины, например, составляют (дБ):
-д л я выходного или предварительного трансформатора - 1-1,5; -дляцепи эмиттерной стабилизацииЛЭСЭ-0 ,3 -1 ;
- для разделительной /?С-цепи на входе, выходе или между каскада ми - 0,2-0,6.
Определяя частотные искажения, вносимые каждым каскадом, пола гаем, что из заданного коэффициента Мн основные искажения вносят трансформаторы. Считая, что все каскады (кроме трансформаторных) вно
сят частотные искажения Мнк, на долю трансформаторных относят |
|
М„.Т = (1,1-1,2)М „.К. |
(31) |
Можно считать, что каждый из оставшихся каскадов вносит частот ные искажения, определяемые по выражению
|
М н xl |
2(п-т)\ |
Мн |
|
|
(32) |
|
|
U -1 ,2 ’ |
|
|||
|
|
|
|
|
||
где п - общее количество каскадов; |
|
|
|
|
||
т - количество трансформаторных каскадов. |
|
|
||||
М ,т1 < |
М |
, |
к |
- |
1,15. |
(33) |
6. Определение доли частотных искажений в области верхних часто оконечного каскада,
= |
(34) |
на каждый из остальных каскадов приходится
(35)
В зависимости от уровня температуры окружающей среды необхо димо решить вопрос о применении термостабилизирующих цепочек в кас кадах УНЧ. Возможно применение развязывающих фильтров с целью по вышения устойчивости усилителя.
После завершения эскизного расчёта составить блок-схему и прин ципиальную электрическую схему проектируемого усилителя.
ПРИМЕР ЭСКИЗНОГО РАСЧЁТА УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Эскизный расчет производится по следующим исходным данным: Ри = 30 Вт, RH= 9 Ом, Кг = 7 %, FH= 75 Гц, FB= 7500 Гц, Мн = 3 дБ, Мв =
= 6 дБ, 7’0кр = (-40...+40)°С.
Расчет завершается составлением блок-схемы и принципиальной электрической схемы УНЧ.
Параметрами источника усиливаемого сигнала является Ес = 1 В и
Rc = 50000 Ом. Источник питания выбирается самостоятельно.
1. Выбираем транзистор для оконечного каскада и определяем с соб его включения. Так как сопротивление нагрузки мало, а выходная мощность велика, то оконечный каскад должен быть трансформаторным. Для обеспечения высокого КПД при сравнительно больших допустимых нелинейных искажениях можно выбрать двухтактную схему оконечного каскада, работающую в режиме В. Транзистор можно включить по схеме с ОЭ.
Выбираем по справочнику [7] транзистор П4АЭ с допустимой мощ ностью рассеяния на коллекторе с теплоотводом Рктаи = 20 Вт при темпе ратуре корпуса до 40 °С. А по приведённой в справочнике зависимости ве личины рассеиваемой мощности от температуры корпуса транзистор П4АЭ при 40° способен рассеивать мощность, равную 25 Вт.
Параметры выбранного транзистора следующие: граничная частота усиления, Frp = 150 кГц;
наибольшее напряжение коллектора в схеме с ОЭ, (/«max = 50 В; наибольший ток коллектора, /кшах = 5 А; коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, Р > 5; коэффициент передачи тока в схеме с ОБ, а > 0,83; наибольший обратный ток коллектора, /кбо = 0,5 мА.
2. Определение коэффициента усиления мощности оконечного к
када.
В семействе выходных статических характеристик транзистора П4АЭ строим кривую допустимой мощности рассеяния на коллекторе Рктах = 25 В т при Т= 40 °С (рис. 13, а). Строим линию нагрузки аб. Ори ентировочно задаёмся величиной напряжения источника питания по до пустимому напряжению на коллекторе,
Ек< 0,5 (/кшах = 25 В.
Выбираем Ек= 20,5 В.
Выбираем на нагрузочной прямой рабочую точку (р.т). Определяем выходные амплитуды тока и напряжения.
Проверяем транзистор по частотным свойствам:
/р = / « 0 - « о ) г - 7 ^ = = 150 • 103 (1 - 0,83) = 22500 Гц,
22500 > —j= = . V 2M
Определяем выходную колебательную мощность, отдаваемую тран зисторами в нагрузку без учета г|т,
U |
•/ |
= |
19S-3 31?4; |
гвы -------- |
-------- |
------- --------= 32,296 Вт. |
Она должна быть больше заданной, так как ещё не учтён КПД выходного трансформатора.
u>
a |
6 |
Рис. 13. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора П4АЭ в схеме с ОЭ в режиме В. Точки 7,2, 3, 4 пересечения линии нагрузки аб с характеристиками необходимы для построения проходной динамической характеристики
Определяем мощность, потребляемую оконечным каскадом,
Ро=2Ек ^выхт ^р.т(я -1 ) |
= 2-20,5 3,3125 + 0 - (я -1 ) _ 0 |
71 |
3,14 |
Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторах,
К = Е0 -Р ВЫХ =43,0-32,29 = 10,7 Вт,
откуда на один транзистор приходится
р ’ |
Ю 7 |
< 25 Вт. |
РК=Е*= i r i l = 5 35 |
||
к 2 |
2 |
|
Выбранный транзистор удовлетворяет всем требованиям и при мак симальной температуре среды может работать только с радиатором. Опре деляем входную колебательную мощность оконечного каскада по входной динамической характеристике (рис. 13, б):
р _ ^вхм ' ^в\т |
1,225-0,45 |
гвх~ |
= 0,275 Вт. |
Коэффициент усиления мощности оконечного каскада усилителя
IS |
_ |
рвых - |
32,296 |
|
- |
р |
= 117,44. |
|
|
1вх~ |
0,275 |
Для получения входной мощности, составляющей 0,275 Вт, требует ся введение в схему усилителя дополнительного каскада малой мощности, т.е. предоконечного каскада.
3. Выбираем транзистор предоконечного каскада, обосновывае схему каскада и способ включения транзистора. Выходная мощность пре доконечного каскада должна быть больше входной мощности оконечного каскада из-за возможных потерь при согласовании каскадов.
По справочнику выбираем транзистор П212А [7]. Он имеет следую
щие параметры: |
|
граничная частота |
= 1 МГц; |
наибольшее напряжение коллектора UK шах = 70 В; наибольший ток коллектора /к max = 0,5 А; коэффициент передачи тока при Т = 70 °С Р = 50-200;
коэффициент передачи тока в схеме с ОБ а = 0,98 - 0,995; наибольший обратный ток эмиттера /,О0 = 50 мкА.
Транзистор П212А способен рассеивать без теплоотвода на коллек торе мощность до 0,75 Вт при Гокр до 60 °С, а при заданной в задании тем пературе среды 40 °С рассеиваемая мощность составляет
ГК шах |
85 -4 0 = 1,36 Вт. |
|
33 |
Такая мощность позволяет использовать данный транзистор в режиме А в схеме однотактного усиления. Для связи с выходным двухтактным око нечным каскадом потребуется включение на выходе схемы предоконечно го каскада согласующего инверсного трансформатора. С целью повышения устойчивой и стабильной работы всего усилителя выбранный транзистор целесообразно включить по схеме с ОБ.
4. Определяем коэффициент усиленйя мощности предоконечно каскада. На выходные статические характеристики транзистора П212А на носим расчетную кривую допустимой мощности рассеяния на коллекторе (рис. 14, а).
Строим линию нагрузки аб, на которой выбираем рабочую точку (р.т) с учетом предварительно заданного уровня напряжения питания для оконечного каскада, но без учета цепей температурной стабилизации и по терь в первичной обмотке согласующего трансформатора:
£ K<0,4L/Kmax=0,4-70 = 28 В.
Задаемся, с учетом оконечного каскада, в рабочей точке напряжени ем t/p T =18,5 В, а в детальном расчёте предоконечного каскада напряжение питания скорректируем с учётом температурных цепей стабилизации.
Определяем выходную мощность, отдаваемую предоконечным кас кадом,
р |
2 |
U |
.71 |
32 5-011 |
|
_ ^ |
выхт |
/LIвых т _ |
1 _ л ллп г»х |
||
'вых |
|
|
о |
о |
ш . |
Определяем входную мощность на входе предоконечного каскада:
р ~= 2UBXm-2IBXm_ 0,16-0,11 = 0,0022 Вт.
1 ВХ
Тогда коэффициент усиления по мощности предоконечного каскада
Кг |
_ 1РВЫХ |
0,447 |
|
203,2. |
ВХ 0,0022
Рис. 14. Выходные (а) и входные (6) характеристики транзистора П212А в схеме с ОБ в режиме А. Точки 7, 2, 3 пересечения линии нагрузки аб с характеристиками необходимы для построения проходной динамической характеристики
5. Определяем требуемый коэффициент усиления всего усилителя:
_ 4р н Rc 4-30-50-103 _ б 1q6
К*общ |
V |
|
6. Коэффициент усиления по мощности входного и промежуточно каскадов
К Р_ К, пром |
|
6-10ь |
К р К р |
= 251,4 |
|
|
117,44-203,2 |
7. Определяем коэффициент усиления входного каскада и тип тран зистора. С целью унификации используемых при проектировании усили теля транзисторов в качестве входного каскада усилителя можно выбрать тот же транзистор П212А с ОК. Схема включения с ОК транзистора позво лит улучшить согласование внутреннего сопротивления источника входно го сигнала с входным сопротивлением входного каскада:
Крвх = 0,7 Рмин = 0,7-50 = 35.
Таким образом, на долю промежуточных каскадов приходится коэф фициент усиления по мощности
КР = |
------- — --------- |
= 7,18, |
пр°м |
117,44-203,2-35 |
|
т.е. промежуточный каскад должен быть один. После детального расчета оконечного и предоконечного каскадов с учетом КПД трансформаторов их коэффициенты усиления по мощности снизятся, а после коррекции коэф фициентов усиления скорректируется окончательное количество проме жуточных каскадов.
8. Выбираем транзистор и способ его включения для промежуточных каскадов. Схема промежуточного каскада может быть реализована на транзисторе П212А по схеме с ОЭ, которая позволит скомпенсировать ре альное снижение коэффициентов усиления оконечного и предоконечного каскадов после учёта КПД трансформаторов и из-за недостаточного со гласования каскадов.
Коэффициент усиления по мощности промежуточного каскада для включения транзисторов по схеме с ОЭ можно ориентировочно учесть по эмпирической формуле (22):
Чр . » = 5°Ри»»=50'50 = 2500-
9.Проверяем транзисторы П212А по допустимым частотным иска жениям в области верхних частот. В случае применения низкочастотных
транзисторов частотные искажения определяются главным образом свой-
ствами транзистора. Если при этом т = |
F |
< 0,4, то транзистор считают |
|
|
У Гр |
высокочастотным.
Для транзистора П4АЭ оконечного каскада, включённого по схеме с
ОЭ, |
|
|
|
’-2 |
|
|
|
( |
7<ЮП |
|
|
/ |
т |
f |
7500 |
" |
|
1 + |
150000 |
|
= 1,042. |
||
1 |
- а |
, |
1-0,83 |
) |
|
|
|
V |
|
||
Для транзистора П212А предоконечного каскада, включённого по |
|||||
схеме с ОБ, |
|
|
|
|
|
м,в2 |
[ + W = L1 + { |
7500 ' 2 |
-Л. |
||
|
|
J000000J |
|
||
Для этого типа транзистора, включённого по схеме с ОЭ или ОК, |
|||||
f |
т |
( |
7500 |
А |
|
ч2 |
|
|
|
||
^вЗ.4 - л 1 + |
т |
1+ |
1000000 |
= 1,068. |
|
|
|||||
1 - а |
|
1-0,98 |
|
||
|
|
1 |
|
J |
|
При использовании трансформаторов с высокочастотными транзи сторами, как в нашем случае, частотные искажения на верхних частотах определяются свойствами транзистора и трансформатора:
Л/в Л7в] ■К4Tj ,
где М в1 - искажения, вносимые транзистором; Мт1 - искажения, вносимые трансформатором,
== 72=1,41(3 дБ),
на каждый из остальных каскадов с учётом использования согласующего трансформатора предоконечный каскад считают за два, и общее число кас кадов п увеличено до пяти,
М в1 = " - ^ 7 = 47 Ш = 1,089 (< 1 дБ).
М в р = М ,т • М в1 = 1,41 • 1,0893 = 1,82 (< 6 дБ).
Частотные искажения в области нижних частот, приходящиеся на один каскад,
|
М |
141 |
л^нк! ^ 2(и- п;] |
" |
= 41—— = 1,052 (< 1 дБ), |
(1,1-1,2) |
v 1,15 |
М и т< М н к •1,15 = М 2„.к1 •1,15 = 1,0522 •1,15 = 1,34( < 2 д Б ),
где п = 4, m = 2 (трансформаторные каскады),
М н р = 1,052 • 1,34 = 1,409(~ 3 дБ).
Тогда с учётом полученных частотных искажений транзистора час тотные искажения выходного трансформатора
|
М т1 = |
М |
141 |
|
|
^ |
- = - ^ - = 1,353. |
||
|
т1 |
М в1 |
1,042 |
|
Частотные искажения согласующего трансформатора |
||||
|
Мт2 = |
Мв |
1,41 = 1,41. |
|
|
|
м в2 |
1 |
|
10. |
Обосновываем применение цепочек термостабилизации. В за |
|||
нии температура окружающей среды изменяется в широких пределах, по этому применение цепочек термостабилизации целесообразно. В оконеч ном каскаде, работающем в классе усиления В без цепочек температурной стабилизации, необходимо подобрать два одинаковых по коэффициентам усиления (3 транзистора. Что касается температурной стабилизации, её сле дует перенести на предоконечный каскад в цепь эмиттера. В промежуточ ном каскаде обязательно предусмотреть температурную цепочку стабили зации в цепи эмиттера.
На рис. 15, 16 представлены блок-схема усилителя и его принципи
альная электрическая схема. |
|
|
|
||
Источник |
Входной |
Промежу- |
Предоко- |
Оконеч- |
«►Нагрузка |
- ТОЧНЫЙ |
1 |
ный |
|||
сигнала |
каскад |
каскад |
> нечный *> |
||
каскад |
каскад |
|
|||
|
|
|
|||
Рис. 15. Блок-схема проектируемого УНЧ
>л
Рис. 16. Принципиальная электрическая схема проектируемого УНЧ
РАСЧЁТ ДВУХТАКТНОГО ОКОНЕЧНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ В РЕЖИМЕ В
Расчёт производится по схеме оконечного каскада на транзисторах П4АЭ (см. рис. 16) и следующим исходным данным: Р н = 30 Вт, FH= 75 Гц, FB= 7500 Гц, Мн = 3 дБ, Мв= 6 дБ, Кт=1 %, R„ - 9 Ом. Рабочий диапазон температур Тс= (-40... +40) °С.
1. По справочнику [7] выбираем транзистор П4АЭ с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе с теплоотводом при температуре кор пуса ДО 40 °С Рктпшх= 20 Вт.
Использование данного транзистора в двухтактной схеме с выход ным и согласующим трансформаторами позволит развить колебательную мощность в нагрузке, равную 30 Вт.
2. Параметры выбранного транзистора следующие:
граничная частота усиления/ф = 150 к Гц;
наибольшее напряжение на коллекторе в схеме с ОЭ £/к шах= 50 В; наибольший ток коллектора /к тах = 5 А;
а> 0,83 - коэффициент передачи тока в схеме с ОБ;
Р> 5 - коэффициент передачи тока;
наибольший обратный ток коллектора /кбо= 0,5 мА.
3.На этапе эскизного проектирования построены (см. рис. 13, а):
-допустимая кривая мощности в семействе выходных характери
стик транзистора П4АЭ при Т - 40 °С;
-линия нагрузки аб',
-выбрана рабочая точка и показаны входные и выходные амплиту ды токов и напряжений на входных и выходных характеристиках транзи стора;
получены:
колебательная мощность, отдаваемая транзистором в нагрузку
Рвых~= 32,296 Вт;
входная мощность оконечного каскада F BX~= 0,275 Вт;
Кр ок = 117,44 - коэффициент усиления мощности оконечного каска да без учёта КПД трансформатора;
Ек= 20,5 В - величина ЭДС источника питания усилителя. В рабочей точке определены /рт = 0 и £/рх = 20,5 В.
4. Определяем оптимальное нагрузочное сопротивление между кон цами первичной обмотки выходного трансформатора:
R . |
_ 4 (^выкт— Uoст) _ 4 (20,5 1,0) _ 23^544 О м . |
|
3,3125 |
||
|
5. Определяем потребляемую оконечным каскадом мощность б учёта потерь в трансформаторе:
0 |
= 2Е 7вь.хт + Vri71 |
0 = 2 .2 0 ,5 ^ - = 43,0 Вт |
л |
3,14 |
6. Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторах.
К = Ро - Р, = 43,0 - 32,29^ = 11,48Вт,
следовательно, на один транзистор приходится
р> 1 1 д о
р=ijL = ii2Z£ = 5,74В т<20В т.
к 2 2
7 По входной динамической характеристике определяем амплиту возбуждающего напряжения (иъхт) и тока (/вх ,„), а также среднее за пери од входное сопротивление каскада переменному току (см. рис. 13, б):
R |
U |
1225 |
= д!^вхт = 4 i2±f£ = 1o 9 0 M . |
||
|
/ |
0 45 |
|
1вх т |
|
8. Выбираем оптимальное сопротивление источника входного сигна ла для одного плеча каскада от предварительно найденного значения по
формуле |
Rc =Явх /4 |
Линейность проходной динамической характеристи |
|
ки обеспечивается при сопротивлении 2 Ома. |
|||
9. |
По расчетным координатам в точках 0, 1,2, 3, 4, р.т, тока коллек |
||
тора /к и сигнала |
Яс строим проходную динамическую характеристику |
||
(рис. 17): |
|
|
Ас= / (Яс), я с = IQRC+ UQ3 , |
|
|
|
|
|
Яса= 0,45 |
2 + 1,225 = 2,125 В ,/и = 3,3125 А; |
|
|
ЯС| = 0,3 -2 + 1,023 = 1,623 В, /к1 = 2,6625 А; |
||
|
Яс2= 0,2 |
2 + 0,8722 = 1,2722 В, / к2 = 2,0312 А; |
|
|
Яс3 = 0,1 |
2 + 0,6833 = 0,8833 В, 7 ^= 1,2075 А, |
|
|
Яс4= 0,05 • 2 + 0,5294 = 0,6294 В, / к4= 0,52 А; |
||
|
|
Яср.т = 0 -2 + 0 = 0 В ,/Кр.т = 0 А. |
|
Рис. 17. Проходная динамическая характеристика/к =fiE,с) транзистора П4АЭ в режиме В с р.т и в режиме АВ с р.т'
10. |
На проходной характеристике определяем положение рабоч |
||||||
точки и амплитуду ЭДС возбуждающего сигнала Ес т. |
|||||||
|
Ес т = Есmax- Есmin = 2,125 - 0 = 2,125 В; |
||||||
|
|
|
Ьср Т = Ьс min—0 В, |
/р т —0 А. |
|||
11. |
Методом пяти ординат определяем составляющие коллекторн |
||||||
тока и коэффициент нелинейных искажений Кг (см. рис. 17): |
|||||||
|
|
/кш ах=/а-/р.т=3,3 1 2 5 -0 = 3,3125 А; |
|||||
|
|
|
/к1 = /1 - /р.т = |
- |
0 = 1.9 А. |
||
Задаёмся коэффициентом асимметрии е = 0,05, тогда |
|||||||
|
/ , , , = f ( ^ „ + W = f w |
+ W |
= 3.475A^ |
||||
|
|
/ |
= !km ax = М |
1 ^ = 0,828А; |
|||
|
|
|
ml |
2 |
2 |
|
|
|
/ |
|
/ K m ax -^ Kl = M |
l j - ^ ^ - Q |
]1625 А: |
||
|
/m3 - |
|
з |
3 |
|
|
|
Ы г + Ъ + Ъ |
|
Vo,Q8282 + 0.16252 + 0,0357^ |
A", |
" |
100% = 5,35%. |
Л», |
3,475 |
12. Уточняем колебательную мощность, отдаваемую каскадом в на грузку:
Рн = - /^ Л Л т = - • 3,4752 • 23,544 • 0,94 = 33,4 Вт.
88
13.Определяем мощность, развиваемую транзистором предоконеч ного каскада:
р = Ecmhv = 2>12Ё;°>45 = 0>478 Вт>
г д е / Q тах / Вхш 7 б тах /б min 4 5 0 0 4 5 0 м А .
14. Определяем полный коэффициент усиления по мощности:
|
р |
33 4 |
К = £ н = |
= 6 9 ,8 7 . |
|
' |
Р с |
0 ,4 7 8 |
15. Определяем коэффициент трансформации выходного трансфор матора:
п = Яij___ |
= 0,637 |
'RK-r|T |
V23,544-0,94 |
16. Определяем сопротивление обмоток выходного трансформатора:
|
R |
9 3 S 44 |
г, < - ^ ( 1 |
- Лт) = ± ± £ Z I(1 _ 0,94) = 0,75 Ом; |
|
1 |
2цт |
т 2-0,94V |
r2 < |
(1 - Лт) = — — (1 - 0,94) = 0,287 Ом. |
|
|
2Лт |
2-0,94 |
17. Определяем индуктивность первичной обмотки:
^ |
Ян +г2 |
9 + 0,287 |
Ц> |
|
= 0,028 Гн. |
|
2KFHH2/ M 2 -1 |
2-3,14-75-0,6372л/2 2 -1 |
18. Определяем частотные искажения в области верхних частот, вн симые транзистором:
F |
7500 |
1 В |
|
м ъх = wl + -V fo-J = |
l + V750' 10 J = 1 0 4 2 |
( 1 - a ) 2 |
(l-0,83)2 |
19. Определяем частотные искажения Мв2, приходящиеся на долю трансформатора^
М4
Мв2 = — s- = —— = 3,838. Мв1 1,042
20.Определяем допустимую индуктивность рассеяния:
^(*„ых + Дк)У^в2 -1 = (200 + 23,544)д/3,8382 - 7 = Q 0175 Гн.
2яД, |
2-3,14-7500 |
21. Определяем падение напряжения на первичной обмотке тра форматора:
п |
- 1 |
т |
1 |
3,3-0,75 = 0,394 В. |
^тО |
Л |
■'Кшахг1 ~ /, |
. . . |
|
|
2л |
2-3,14 |
|
|
22. Уточняем напряжение источника питания:
Е'к =EK+UTO=20,5 + 0,394 = 20,894 В.
23. Уточняем потребляемую мощность:
V |
о г ' |
шах |
.т(гс |
0 , |
|
3,3 + 0 |
|
|
0 |
= |
4 3 9 Вт. |
||||||
р , |
= 2 £ , |
|
^р |
, = 2 2 |
||||
0 |
к |
|
л |
|
|
3,14 |
|
24. Определяем КПД оконечного каскада:
Т1 = ^ • 100% = — -100% = 76 %. Ро 43,9
РАСЧЁТ ОДНОТАКТНОГО ПРЕДОКОНЕЧНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА В РЕЖ ИМ Е А
Схема усилителя представлена на рис. 16.
1.По справочнику [7] выбираем транзистор П212А с допустим
мощностью рассеяния на коллекторе без теплоотвода при +60 °С, Рк шах =
=0,75 Вт.
Взадании на проектирование максимальная температура среды со
ставляет 40 °С, а входная расчётная мощность оконечного каскада равна
0,275 Вт, поэтому выбранный транзистор проходит по допустимой мощно сти рассеяния на коллекторе. При этом запас по допустимой мощности рассеяния на коллекторе позволяет использовать выбранный транзистор в режиме А. Схема включения транзистора с ОБ обоснована в эскизном
расчёте.
2. Параметры выбранного транзистора следующие: граничная частота усиления/гр = 1 МГц; наибольшее напряжение коллектора С/к тах~ 70 В; наибольший ток коллектора /к т ах= 0,5 А;
Р= 50-200 - коэффициент передачи тока при Т= 70 °С;
а= 0,980-0,995 - коэффициент передачи тока в схеме с ОБ;
наибольший обратный ток эмиттера /коэ= 50 мкА.
3.На этапе эскизного проектирования построены (см. рис. 14, а):
-допустимая кривая мощности в семействе выходных статических
характеристик транзистора П212А при Тс = 40 °С; - линия нагрузки аб;
выбрана рабочая точка, показаны входные и выходные амплитуды токов и напряжений на входных и выходных характеристиках транзистора;
получены:
-колебательная мощность предоконечного каскада Рн= 0,447 Вт;
-входная мощность предоконечного каскада Рвх - 0,0022 Вт;
- коэффициент усиления мощности предоконечного каскада
Ар пок= 203,2;
-коллекторное напряжение источника питания Ек = 18,5 В.
Врабочей точке определены /рт = 0,06 A, Up7 = 18,5 В.
4.Определяем оптимальное нагрузочное сопротивление в цепи кол лектора между концами первичной обмотки промежуточного трансформа тора:
=2 и вых/ 2/вых = 32,5/0,11 = 295,5 Ом.
5.Потребляемая каскадом мощность без учёта цепей стабилизации
Л>= £ к / к Р.т= 18,5-0,06= 1,11 Вт < 1,36 Вт.
6. |
Определяем |
среднее за период входное сопротивление каска |
|
переменному току: |
|
|
|
|
D |
_ 2^Пвх m |
0,16 |
|
^VBX~ |
2/ , вх m |
= 1,6 Ом. |
|
|
0,1 |
|
7. Для уменьшения коэффициента гармоник выбираем величину противления источника сигнала для предоконечного каскада по формуле
Rc =Лвх~ = 1,6 Ом.
8. Для расчёта коэффициента гармоник Кг и определения амплиту первой гармоники 1т\ по проходной динамической характеристике / к =
=J[EC) получены следующие данные (рис. 18):
Ест = £ стах ~ £ cmin = °>4087_°-l?-Z2 = 0,1635В;
ЕСр.т= Ecm + Ecmm= 0,1635 + 0,079 = 0,2425 В;
/»1 = ((W i ) + (W 2)V 3 = 51,83 мА,
/« 2 = (0 ,5 -(/5 + / 1) - / 3)/2 = 1,625 мА,
/тз = ((/5 - /,) - 2 • ( /4 - / 2))/6 =-1,083 мА,
ImA= ((/5 + h ) - 4 • ( / 4 + / 2) +6 • h )/12 = 0,541 мА,
Рис. 18. Проходная динамическая характеристика IK=J[EC) транзистора П212А в режиме А
|
Кг = |
|
|
+ |
=3,9 %• |
9. |
Уточняем колебательную мощность, отдаваемую каскадом в н |
||||
грузку, |
|
|
|
|
|
|
Рн ~= - i 2, ^ |
= -(0,052)2 • 295,5 • 0,85 = 0,3399Вт, |
|||
|
2 |
|
2 |
|
|
где т|т - КПД согласующего (промежуточного) трансформатора. |
|||||
10. |
Определяем мощность, развиваемую промежуточным каскад |
||||
на входе предоконечного усилителя, |
|
||||
|
р с ~ = |
|
|
0,1635-0,052 = 0,00425 Вт, |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
которая должна быть не меньше входной мощности предоконечного кас |
|||||
када, т.е. 0,002 Вт (см. п. 3). |
|
|
|
|
|
11. |
Определяем полный коэффициент усиления мощности рассчи |
||||
ваемого предоконечного каскада: |
|
|
|||
|
КР пок |
|
|
|
0,3399 |
|
|
|
|
= 79,97 |
|
|
|
|
|
0,00425 |
|
12. |
Определяем коэффициент трансформации: |
||||
|
п = |
ЯН |
_ |
|
8 |
|
|
|
|
= 0,178. |
|
|
Дкг|т |
Д( 295,5 • 0,85 |
|||
13. Определяем сопротивления обмоток согласующего трансформа- |
|||||
тора: |
|
|
|
|
|
|
<1 S -£*-(1■- Пт>= |
|
(1 - 0,85) = 26,07 Ом; |
||
|
2г\т |
|
|
2-0,85 |
|
|
г2 £ ^ - ( \ - Ч т) =— |
(1 - 0,85) = 0,705 О м ; |
|||
|
2г|т |
|
|
2-0,85 |
|
14. |
Определяем индуктивность первичной обмотки: |
||||
|
и > |
|
|
|
8 + 26,07 |
|
|
|
|
= 0,879 Гн. |
|
|
2пЯнп2т]м[^1 6,28-75-0,1782Vl,22 - l |
||||
15. |
Определяем частотные искажения в области верхних частот, в |
||||
симые транзистором, |
|
|
|
|
|
|
FU |
f |
7500 V |
|
|
4 ,1 = . 1+ |
Fa |
1+ |
MO6" |
= 1,068. |
|
1 - a |
1-0,98 |
||||
|
|
|
|||
|
|
V |
/ |
|
16.Определяем частотные искажения, приходящиеся на долю трансформатора:
М4
М.2 = ^ - = - ^ — =3,745.
Мв1 1,068
17.Определяем допустимую индуктивность рассеяния:
J |
с Кых + R* \ l M r t -1 |
_ (1000 +295,5)Уз,7452 -1 |
"S’ |
"2itF. |
Гн. |
6,28-7000 |
18. Определяем падение постоянного напряжения на первичной об
мотке согласующего трансформатора: |
|
||
|
|
(До = V i = 0,067 |
26,07 = 1,74 В. |
19. Выбираем элементы цепи термостабилизации. Принимаем ток |
|||
базового делителя Rj-R% |
|
||
|
|
/дел = (5-10) /бп = 10 • 0,0014 = 0,014 А, |
|
Ifi min |
/ |
бтах ^0,0014 А , /б тт = /к/ р мин, /бтах = /к/Р макс* |
|
где / бп = 6min ■ |
|
||
Вычисляем сопротивление Ry |
|
||
|
1 |
U R C +UM J J 6 1 M ° , M |
|
|
/д |
0,014 |
|
округляем его до ближайшего стандартного значения 16 Ом.
Вычисляем ёмкость конденсатора, шунтирующего сопротивление Ry
_ 100-200 |
1 0 0-2 00 |
А |
С >------------ = —--------------- 0,0265 мкф. |
||
Rr 2nFH |
16-6.28-75 |
|
Вычисляем сопротивление R$: |
|
|
Ек - 1 д -^_ = 1 8 ^ 5 3 0 1 4 4 6 = 200,17 Ом, |
||
/д + 'бп |
0,014 + 0,0014 |
|
и округляем его до стандартного значения 200 Ом.
Уточняем ЭДС источника питания:
£*к = Як+ £Ло = 18,5 + 1,74 = 20,24 В.
20. Определяем полную мощность, потребляемую каскадом от ис точника питания:
Р'о = Е \ (/ср+ /дел) = 20,24 (0,067 + 0,014) = 1,639 Вт.
21. Определяем К П Д предоконечного каскада:
Р03399
л = OL. 100 %= |
• 100 % = 20,74 %. |
1 % |
1,639 |
Для предотвращения перегрева транзистора целесообразнее преду смотреть радиатор. Увеличение КПД предоконечного каскада возможно за счёт снижения потребления от источника цепью термостабилизации. Можно отказаться от эмитгерной цепочки термостабилизации, так как транзистор включён по схеме с ОБ. Можно в качестве нижнего плеча базо вого делителя напряжения включить полупроводниковый диод и т.д. На пример, без эмитгерной цепочки термостабилизации КПД возрастает до 25 %.
РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО УСИЛИТЕЛЯ М ОЩ НОСТИ В РЕЖ ИМЕ ЛВ
Расчёт производится по схеме рис. 19 и исходным данным, которые аналогичны приведенным в примере расчёта усилителя оконечного каска да в режиме В для того же типа транзистора П4АЭ с тем же током и на пряжением на коллекторе. Это позволит получить представление не только о порядке расчёта данного усилителя в режиме АВ, но и выявить разницу в расчётах по сравнению с режимом В и понять причины снижения КПД каскада и развиваемой им выходной мощности.
1.На рис. 20 построены допустимая кривая мощности в семействе выходных характеристик транзистора П4АЭ при Т = 40 °С и линия нагруз ки аб. Выбрана рабочая точка и показаны входные и выходные амплитуды токов и напряжений на входных и выходных характеристиках транзистора.
2.В рабочей точке на выходных характеристиках определяем
/р.т = 0,52 A, UpT= 19,8 В.
3.Определяем колебательную мощность, отдаваемую транзисторами
внагрузку без учета цг
Л»ых~ = UBbtxmIBblxm/ 2 = (19,8 - 1,25) (3,32 - 0,52) / 2 = 25,97 Вт.
Рис. 19. Схема двухтактного каскада с транзисторами, включёнными
сОЭ в режиме АВ
4.Определяем оптимальное нагрузочное сопротивление в цепи кол лектора RKмежду концами первичной обмотки выходного трансформатора:
Лк = 4 (UBUXJ /выхи) = 4 (19,8 - 1,25 ) / (3,32 - 0,52) = 26,5 Ом.
5. Определяем мощность, потребляемую каскадом:
Р0= 2UpT (/ка + /р.т(д - 1)) / п =
=2 19,8 (3,32 + 0,52 (3,14 - 1)) / 3,14 = 55,9 Вт.
6.Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторах,
Р'к = Р0 - Рн = 55,9 - 25,97 = 29,93 Вт,
следовательно, на один транзистор приходится
РК= Р' к / 2 = 29,93 / 2 = 14,965 Вт < 20 Вт.
7. По входной динамической характеристике определяем в рабочей точке / р.т, и рл, амплитуды возбуждающего напряжения (UBxm) и тока (4х т)> входную мощность Рвх, а. также среднее за период входное сопро тивление каскада переменному току (рис. 20, б):
/к, А
а |
б |
Рис. 20. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора П4АЭ в режиме АВ. Точки У, 2, J, 4 пересечения линии нагрузки аб с характеристиками необходимы для построения проходной динамической характеристики
/рт = 0,05А, |
(7р т = 0,53 В, |
UBXm= 1,225 -0,53 = 0,695 В,
^ вх /п = 0,45 - 0,05 = 0,4 А,
Л * = Uвх„ /вхт / 2 = 0,695 • 0,4 / 2 = 0,139 Вт,
/ \ в х |
Uя |
_ 4 |
) =6,950м. |
- Г |
|||
R |
вхот |
0.4 |
|
|
|
|
8. Выбираем оптимальное сопротивление источника входного сигна ла для одного плеча каскада:
Лс |
= ^ - ^ |
= — « 1,760м. |
с |
4 |
4 |
9. Строим проходную динамическую характеристику (рис. 17):
|
4 =/(Яс), Ес =4 Rc + ^бэ • |
|
£ « = 0,45-1,76 + 1,225 =2,017 В, |
/ка= 3,32 А; |
|
Яс1 = 0,3 |
1,76 + 1,023 = 1,551 В, |
/к, = 2,665 А; |
£ с2= 0,2 |
1,76 + 0,8722 = 1,2242 В, |
/й = 2,0312 А; |
£ с3 = 0,1 |
1,76 + 0,682 = 0,858 В, |
/,3= 1,2075 А; |
Еср.т = 0,05 1,76 +0,53 = 0,618 В, /рт- = 0,52А.
10. На проходной характеристике определяем положение рабочей точки и амплитуду ЭДС возбуждающего сигнала Ест:
Ес т= Ес max - Есmin = 2,017 - 0,618 = 1,399 В;
he р.т' = Есmjn = 0,618 В, /ру = 0,52 А.
11. Методом пяти ординат определяем составляющие коллекторного тока и коэффициент нелинейных искажений Кг (см. рис. 17):
4с шах = 4а “ 4 т = 3,32 ~ ^,52 = 2,8 А; /к1 = /, - /р.т- = 2,125 - 0,52 = 1,605 А.
Задаёмся коэффициентом асимметрии е = 0,05 и по формулам, пред ставленным в п. 11 на с. 47, получаем
1т = 2,936 А , 1т2 = 0,07 А , 1тз = -0,136 А , 1тА = -0,030 А , К Г=5,3 %.
12. Уточняем колебательную мощность, отдаваемую каскадом в на грузку:
Р. ~= J 4 А л , = I ■2.9362 • 26,5 • 0,94 = 26,84 В т .
13. Определяем мощность, развиваемую транзистором предоконеч ного каскада:
рEcJcm_ = U399 0,45 = 02?98
где /б т= /вх т = к а~ к р.т= 0,45 - 0,05 = 0,4 А определяется по входной ха рактеристике (см. рис. 20, б).
14. Определяем полный коэффициент усиления по мощности:
Крн ~ ■ 26,84 = 95,92,
р Рс ~ 0,2798
15.Определяем коэффициент трансформации выходного трансфо
матора: |
|
|
________ |
|
п = |
Ян____ |
|
= 0,601. |
|
1я к |
цт |
1/26,5-0,94 |
||
16. Определяем сопротивление обмоток выходного трансформатора: |
||||
г, < - ^ ( 1 - Т ! т) = - |
^ |
—(1-0,94) = 0,845Ом; |
||
1 2цт |
т |
2-0,94 |
||
i*2 — (1—т|т) = — 9— |
(1 - 0,94) = 0,287 О м . |
|||
2riT |
|
2-0,94 |
||
17. Определяем индуктивность первичной обмотки: |
||||
Ян+г2 |
|
|
|
9 + 0,287 |
! .> |
|
|
|
= 0,028 Гн. |
2пЯип2т]м %-1 |
|
2-3,14-75-0,6012Vl,412 - l |
||
18. Определяем частотные искажения в области верхних частот, вн симые транзистором:
|
|
( F л2 |
( 7500 1 |
|
|
1 в |
|
Л Ь |
= |
1+ \ f a j |
, д 750•103 J = 1,042. |
" |
1 |
(1-ос)2 |
(1-0.83)2 |
19. Определяем частотные искажения Мв2, приходящиеся на дол трансформатора,
М в2 = |
мв |
= 3,838. |
Мв1 1,042
20.Определяем допустимую индуктивность рассеяния:
L ^ |
(^вых |
- 1 |
(200 + 26,5),/з,8382 - 1 |
Q |
|
S |
Л |—1 |
|
Л Л I 4 ЧГЛЛ |
* |
* |
|
2пFa |
|
2-3,14-7500 |
|
|
где Лвых= А[/к / Д/к определяется по выходным характеристикам. |
|
||||
21. |
Определяем |
падение напряжения на первичной обмотке тран |
|||
форматора: |
|
|
|
|
|
|
и * = ^ > к max 0 = |
• 2.8'0,845 = 0,376 В . |
|
||
22.Уточняем ЭДС источника питания:
£'к= Ек+ 19,8 + 0,376 = 20,176 В.
23.Рассчитываем элементы цепи термостабилизации, для чего при нимаем ток делителя R\R2
/д = (5 - 10)/р.т = 5 0,05 = 0,25 А.
Вычисляем сопротивление R\:
’ |
20.176 |
-0.53 = |
м |
/ , + / р.т |
0,25 + |
0,05 |
|
и округляем до стандартного 68 Ом. Рассчитываем сопротивление R2:
R2 - |
0,53 |
2,120м, |
|
|
0,25 |
иокругляем до 2,2 Ом.
24.Уточняем потребляемую мощность:
Я = 2Е1 •^к вых -^р.тС71 0 = 2-20,176 |
2,8 + 0,52(3,14-1) |
= 50,283 Вт. |
|
71 |
3,14 |
25. Определяем КПД оконечного каскада:
Р96 84
л= i_H . 100% = -=^21..100% = 53,38%.
P'Q 50,283
За счёт введения делителя напряжения во входную цепь, для задания незначительного смещения с целью снижения нелинейных искажений, КПД каскада снизился на 25 % по сравнению с режимом В. Поднятие КПД за счёт снижения тока покоя может привести к нарушению стабильности рабочего режима каскада, что является нежелательным.
Использование режима АВ в оконечном каскаде предыдущего при мера не позволит развить требую мощность в нагрузке (30 Вт), так как от сутствует запас по допустимому напряжению на коллекторе.
В рассмотренном примере расчёта напряжение на коллекторе нахо дится вблизи предельного уровня, следовательно на данном транзисторе в режиме АВ выходная колебательная мощность не сможет превысить уро вень 27-28 Вт.