2.4. Расчет усилителя звуковой частоты (узч)

2.4.1. Расчет бестрансформаторного оконечного каскада узч

В оконечном каскаде стремятся получить максимальную мощность сигнала в нагрузке. Известно, что условием получения максимальной мощности в нагрузке является согласование выходного сопротивления усилительного элемента с нагрузкой, что осуществляется с помощью низкочастотных трансформаторов. Оконечные каскады трансформаторного типа применяются в технике и методика расчета таких усилителей подробно рассмотрена в литературе [3], [5], [8].

В настоящее время в бытовой технике все чаще находят применение бестрансформаторные выходные каскады. Эти схемы обладают простой конструкцией, отсутствием громоздкого и сравнительно дорогостоящего трансформатора и более лучшими частотами, фазовыми и нелинейными характеристиками.

Расчет бестрансформаторного оконечного каскада УЗЧ ведется для схемы, выполненной на комплементарной паре (рис. 2.11).

Транзисторы работают в режиме, близком к режиму В.

Рис. 2.11

Исходные данные: выходная мощность Pвых = 0,4 Вт; сопротивление нагрузки (головные телефоны ТА-56М) RН = 100 Ом; полоса усиливаемых частот FН = 0,3 кГц, FВ = 3,4 кГц; допустимые частотные искажения МН = МВ = 1,18.

Требуется определить: тип транзистора, данные режима по постоянному току; токи, напряжения и мощность выходной цепи; фактически полученную мощность в нагрузке и мощность, рассеиваемую на коллекторе, номиналы и тип элементов принципиальной схемы.

Расчет производим следующим образом:

Определяем требуемую амплитуду переменного напряжения на входе каждого плеча схемы:

.

Учитывая, что транзисторы VT2 и VT3 включены последовательно по постоянному току, суммарное напряжение источника

Е = 2Е_К1.

Определяем напряжения источника питания для каждого плеча схемы:

,

где U_{КЭ ост} = 1 В – напряжение в режиме насыщения (выбираем).

Суммарное напряжение источника:

.

Определяем необходимую амплитуду тока коллектора для каждого плеча:

.

Определяем среднее значение тока, потребляемое от источника в режиме В:

.

Определяем мощность, потребляемую от источника питания каждым из транзисторов VT2 и VT3:

.

Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе транзисторов VT2 и VT3:

;

где .

Определяем требуемую предельную частоту транзистора:

.

8. Выбираем комплементарную пару транзисторов ГТ402Д (типа

р-n-р ) и ГТ404А (типа n-p-n ), у которых

Пользуясь справочником по транзисторам, выписываем основные параметры транзисторов:

9. для уменьшения нелинейных искажений выбираем ток покоя:

10. На семействе статических выходных характеристик строим нагрузочную прямую. В данном случае

На оси напряжений откладываем точку, в которой и находим точку покоя, соответствующую и Точку . На оси токов откладываем точку, в которой ток

Через точку покоя и точку на оси токов, соответствующую току ,проводим нагрузочную прямую (рис. 2.I2).

Рис. 2.12

11. Остаточное напряжение U_{кэ ост} определяем по графику (рис. 2.12). Для этого на оси токов отмечаем точку I_кm, и проводим прямую, параллельную оси напряжениий, до пересечения с нагрузочной прямой. Из точки пересечения проводим перпендикуляр на ось напряжения. В точке пересечения этого перпендикуляра с осью напряжения U_кэ – U_{кэ ост} = 0,6 В. Находим ток базы, соответствующий току Iкm : .

12. Находим ток базы в точке покоя, соответствующий току I_К0 по характеристике I_Б0 =0,1 мА.

13. На входной характеристике (рис. 2.13) отмечаем токи I_Б0 и I_{Б max}; проекции этих точек на ось напряжений соответствует напряжениям U_БЭ0 = 0,13В; U_{БЭ max} = 0,21В.

14. Определяем амплитуду тока базы:

.

Рис. 2.13

15. Определяем амплитуду напряжения:

.

16. Определяем входную мощность каждого плеча:

.

17. Определяем амплитуду входного напряжения, учитывая, что транзисторы Выходного каскада собраны по схеме с ОК:

.

18. Определяем мощность в нагрузке:

Где

Как видно из результатов расчета PВЫХ > PВЫХ ЗАЛ.

19. Определяем емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки:

.

Выбираем электролитический конденсатор типа К50-10 емкостью 10мкФ на номинальное напряжение 50В.

Расчет предварительного каскада.

Предварительный каскад резисторного типа с сопротивлением нагрузки R4 показан на рис. 2.11.

1Исходные данные берем из ранее произведенного расчёта оконеч­ного каскада.

Требуется определить: тип транзистора, положение точки покоя статических характеристиках и данные режима по постоянному то­ку, элементы принципиальной схемы каскада, коэффициенты усилении по току и по напряжению.

1. Определяем напряжение источника питания транзистора V T1 (рис. 2.11), учитывая, что сопротивление нагрузки каскада R4 подключено к точке А, где за счёт перезарядки емкости C3:

.

2. Определяём общий ток на входе оконечного каскада:

.

Где IБ m = 1,8мА амплитуда тока базы каждого плеча оконечного каскада.

З. Определяем коллекторный ток в точке покоя, учитывая, что каскад работает в режиме А [9]:

.

4. Выбираем тип транзистора таким образом, чтобы допустимое напряжение между коллектором и эмиттером было больше напряжения источника питания:

UКЭ ДОП > EОСТ = 30В.

Граничная частота транзистора при включении по схеме с общим эмиттером должна быть больше верхней частоты диапазона:

.

Выбираем транзистор КТ312Б, который удовлетворяет заданным требованиям и имеет следующие параметры: f_h21Э = 500 кГц; h_21Эmin = 25; h_21Эmax = 100; U_{КЭ доп} = 35 В; I_Kmax = 30 мА; h_22Э = 3 мкСм; h_11Э = 1820 Ом.

Находим напряжение в точке покоя [9]:

.

6. Определяем положение точки покоя К на статических характерис­тиках транзисторов КТ312Б, строим динамическую прямую и находим ток базы в точке покоя IБ0 = 0,2 мА (рис. 2.14).

Рис 2.14

7. По входной характеристике для тока IБ0 находим входное напряжение в точке покоя UБЭ0 = 0,4В (рис. 2.15).

8. Задаемся падением напряжения на резисторе R3 в цепи температурной стабилизации [9]:

.

9. Определяем ток в эмиттерной цепи;

.

10. Определяем сопротивление отрицательной обратной связи в эмиттерной цепи:

.

Мощность выделяемая на этом резисторе, будет

.

Выбираем стандартный резистор типа МЛТ-0,125, R3 = 820 Ом.

11. Определяем емкость C2, шунтирующую сопротивление R3 [9].

.

Выбираем электролитический конденсатор типа К50-6 емкостью 15 мкФ на напряжение 10В.

12. Определяем ток в цепи делителя смещения [9]:

.

13. Определяем сопротивления резисторов делителя:

;

.

Выбираем стандартные сопротивления R1 = 2 кОм и R2 = З,З кОм типа МЛТ-О,12.

14. Определяем сопротивление резистора в цепи коллектора:

.

Мощность, выделяемая на резисторе R4, будет

.

Выбираем стандартный резистор типа МЛТ-0,125 сопротивлением R4 =1,2 кОм.

15. Вычисляем входное сопротивление оконечного каскада

.

16. Определяем коэффициент усиления каскада по току:

.

17. Рассчитываем эквивалентное сопротивление нагрузки цепи коллектора:

.

18. Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:

.