Пример расчета усилителя звуковой частоты с бестрансформаторным выходным каскадом.

Исходные данные:U_вх= 40 mВ, R_и=500 Ом, P_вых=2,9 Вт, R_н=6,5 Ом, К_г.зад=2,9 %,

t_окр.min= -10 C, f_н=75 Гц, f_в=6,5 кГц, M_нч=2 дБ, М_вч=2,5 дБ.

1. Выбор необходимого числа каскадов усиления, их описание.

   1. Находим входную мощность усилителя по формуле:

,

где U_вх – входное напряжение, В;

R_вх – входное сопротивление усилителя, Ом.

1.2. Рассчитываем коэффициент усиления по мощности всего усилителя

,

,

где P_вых – выходная мощность усилителя, Вт;

К_P.общdB-коэффициент усиления по мощности усилителя, dB.

1.3. Необходимое число каскадов усиления для получения заданной выходной мощности:

,

где 20 dB - коэффициент усиления по мощности отдельных каскадов.

Типичная структурная схема усилителя низкочастотных сигналов с резистивно-ёмкостной связью между каскадами представлена на Рис.1.1. Первый каскад на транзисторе VT1, предназначен для предварительного усиления сигнала по току и напряжению, второй каскад на транзисторе VT2 является ведущим каскадом. Каскад на транзисторах VT3, VT4 является выходным каскадом.

Если нелинейные искажения оказываются достаточно велики, то в схему необходимо ввести обратную связь для их уменьшения.

Рис.1.1. Структурная схема бестрансформаторного УНЧ

Рис.1.2. Принципиальная схема бестрансформаторного УНЧ.

2. Расчёт оконечного каскада.

2.1. Рассчитываем амплитуду тока нагрузки

,

_,

где i_к.max – максимальный ток коллектора, А.

2.2. Амплитуда выходного напряжения на нагрузке

,

2.3. Рассеиваемая мощность на коллекторном переходе транзистора [1, стр. 9]

для режима B: ,

для режима A: .

2.4. Находим граничную частоту передачи тока базы [1, стр. 11]

,

_{где fв – верхняя частота усилителя, Гц.}

2.5. Выбор транзисторов оконечного каскада.

В качестве оконечного каскада принимаем транзисторы на основе учета значений следующих параметров: ,, а также величин,,, которые приведены в справочнике.

Допустимую рассеиваемую мощность коллектора и постоянное напряжение коллектор-эмиттерс учётом максимальной температуры ,при отсутствии данных значений в справочнике, можно рассчитать по следующим формулам:

,

.

Для выбранных транзисторов по справочнику находим:

- максимальный ток коллектора,

f_гр - граничная частота передачи тока в схеме с ОЭ,

h₂₁ - типовое значение статического коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ,

C_э, С_к - ёмкость эмиттерного и коллекторного перехода соответственно,

r_б3 - сопротивление базы .

2.6. По выходным статическим характеристикам транзисторов VT3, VT4, (Рис.2.1) для рассчитанного значения амплитуды тока нагрузки находим, минимальное остаточное напряжение между коллектором и эмиттером транзисторов, отсекающее область резкого нелинейного изменения выходных статических характеристик.

2.7. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер в точке покоя [2, стр. 10]

.

2.8. Находим напряжение источника питания:_, при этом должно выполняться неравенство .

2.9. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

.

2.10. Выбираем ток коллектора в точке покоя

.

2.11. По выходной характеристике для инаходим ток базы покояI_б0 .

2.12. По выходной характеристике находим максимальный ток базы i _б.max .

2.13. Переносим найденные значения токовI_б0, i_б.max на входную динамическую характеристику транзистора и определяем напряжение база-эмиттер покоя U_бэ0 и максимальное напряжение между базой и эмиттером.

Рис.2.1. Входные и выходные характеристики транзисторов VT3, VT4.

2.14. Вычисляем амплитуду напряжения между базой и эмиттером

.

2.15. Амплитуда тока базы

.

2.16. Определяем значение амплитуды напряжения на входе оконечного каскада

.

2.17. Входное сопротивление оконечного каскада [2, стр. 16] при включении с ОЭ:

,

при включении с ОК: .

2.18. Предварительно определяем сопротивление R7.

Для чего составим систему уравнений:

принимая , получим

.

2.19. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT2 в точке покоя

. _(2.1)

2.20. Находим амплитуду тока коллектора транзистора VT2

. _(2.2)

2.21. Максимальный ток коллектора транзистора VT2

. _(2.3)

2.22. Выбираем транзистор VT2 по следующим параметрам: напряжение и ток коллектора в точке покоя I_к02,U_к02, максимальное напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ.max, мощность, рассеиваемая на коллекторе P_к02.

,

,

.

По справочнику для транзистора VT2 определяем значения: I_доп.к2, U_кэ.доп2, P_к.доп2, h_21э.ср, C_к2, r_б2, f_гр2.

2.23. Уточнение постоянных напряжений и токов транзисторов VT2, VT3, VT4 с учётом вольт добавки.

Рис.2.2. Входные и выходные характеристики транзистора VT2.

По выходным характеристикам транзистора VT2 находим минимальное остаточное напряжение VT2 U_ост2 для максимального тока коллектора i_max.к2.

Рассчитываем напряжения между коллектором и эмиттером транзисторов VT2, VT3, VT4 в точке покоя:

,

,

.

С учетом этого определяем уточненные значения сопротивления R₇

,

и токов I_к02, I_m.к2, i_max.к2 по формулам (2.1), (2.2), (2.3).

2.24. Находим напряжение смещения транзисторов VT3, VT4

.

2.25. Рассчитываем сопротивление резистора смещения

.

2.26. Определяем значение коэффициента усиления по напряжению оконечного каскада

.

3. Расчёт ведущего каскада на транзисторе VT2.

   1. Проверка допустимых параметров.

Необходимо соблюсти выполнение следующих соотношений: для тока I_к02<I_доп.к2,

для U_кэ.max , определяемого по формуле

,

_{Uкэ.max<Uкэ.доп2,}

и для мощности

,

_{Pк2 < Pк.доп2.}

3.2. Находим ток базы транзистора VT2 в точке покоя I_б02 для значений U_кэ02, I_к02 по выходным характеристикам.

3.3. Находим напряжение база-эмиттер транзистора VT2 в точке покоя U_бэ02 для I_б02 по входным характеристикам.

3.4. Входное сопротивление VT2 при включении с ОЭ

.

3.5. Сопротивление нагрузки VT2 по переменному току

.

3.6. Находим выходное сопротивление r_кэ2 транзистора VT2 по выходным характеристикам.

3.7. Рассчитываем коэффициент усиления по напряжению ведущего каскада

.

3.8. Определяем значение напряжения на входе ведущего каскада

.

3.9. Мощность, потребляемая оконечным каскадом

.

3.10. Мощность, потребляемая ведущим каскадом

.

3.11. Рассчитываем совместный коэффициент полезного действия ведущего и оконечного каскадов

.