1.3. Основные характеристики.

Основные характеристики характеризуют искажения сигнала.

1.АЧХ – зависимость коэффициента усиления от частоты.

График АЧХ усилителя переменного тока выглядит следующим образом:

График АЧХ усилителя постоянного тока выглядит следующим образом:

Идеальная АЧХ:

2.Амплитудная характеристика – зависимость напряжения на выходе от напряжения на входе.

3.Динамический диапазон – отношение к при заданном уровне нелинейных искажений и при заданном отношении сигнал/шум на входе.

D = ;

4.ФЧХ – зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным сигналами по частоте.

2. Режим работы усилительных каскадов

Режим работы усилительного каскада зависит от расположения рабочей точки на проходной динамической характеристике транзистора, представляющей собой график зависимости = f () при = const. На рис. приведены графики, иллюстрирующие работу усилительного каскада в режимах класса А, B и АВ. При этом предполагается, что выходным током транзистора является ток коллектора, а входное напряжение для схемы с общим эмиттером представляет собой напряжение между базой и эмиттером.

Для работы каскада в режиме А на базу подается такое напряжение смещения, чтобы рабочая точка Р, определяющая исходное состояние схемы при отсутствии входного сигнала, располагалась примерно на середине прямолинейного участка характеристики. В этом режиме напряжение смещения Uбэр по абсолютной величине всегда больше амплитуды входного сигнала ≥, а ток покоя всегда больше амплитуды переменной составляет выходного тока (≥). Поэтому в режиме А при подаче на вход каскада синусоидального напряжения в выходной цепи будет протекать ток , изменяющийся также по синусоидальному закону . Это обусловливает минимальные нелинейные искажения сигнала. Однако этот режим является наименее экономичным. Дело в том, что полезной является

лишь мощность, выделяемая в выходной цепи за счёт переменной составляющей выходного тока, а потребляемая мощность определяется значительно большей величиной постоянной составляющей. Поэтому КПД усилительного каскада в режиме А составляет лишь (30…45)%. Обычно в этом режиме работают каскады предварительного усиления или маломощные выходные каскады.

В режиме В рабочая точка выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю. При подаче на вход сигнала ток в выходной цепи каскада протекает лишь в течение половины периода изменения сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульсов с углом отсечки Ө=π/2 (углом отсечки принято называть половину той части периода, в течение которой проходит ток). Режим В характеризуется высоким КПД усилителя ((60…70)%), так как постоянная составляющая выходного тока значительно меньше, чем в режиме А. Однако режим В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала, и поэтому используется главным образом в мощных двухтактных каскадах. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В.

3. Ресчёт выходного бестрасформаторного каскада

Выходные каскады с бестрансформаторным выходом широко используются в современных транзисторных усилителях. Появление мощных транзисторов и электрических конденсаторов с ёмкостями в нескольких тысяч микрофарад привело к разработке мощных УНЧ, способных работать без выходных трансформаторов даже на такую низкоомную нагрузку, какой являются современные динамические громкоговорители. Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь усилительных элементов без выходного трансформатора позволяет устранить вносимые трансформатором частотные и нелинейные искажения. Появляется возможность охватить усилитель глубокой отрицательной обратной связью без опасности самовозбуждения, т.е. повысить

качество работы усилителя. Бестрансформа- Рис.1. Схема усилительного к каскада оконечного транзистора.

торные выходные каскады экономичны,

имеют малые габариты и массу, широкий диапазон частот. Недостатки этих каскадов – небольшие выходная мощность и коэффициент усиления по мощности (по сравнению с трансформаторными каскадами), а также относительно невысокая термостабильность.

Известно большое количество разнообразных схем бестрансформаторных выходных каскадов, отличающихся по типу проводимости транзисторов, способам их включения, режиму работы (АВ и В), а также по виду связи выходного каскада с предыдущим каскадом и с нагрузкой [28,30,40 41]. Высокие качественные показатели имеют каскады, в которых используются транзисторы различного типа проводимости (p-n-p и n-p-n) с достаточно близкими значениями параметров (комплементарные пары). Возможно также применение транзисторов одного типа проводимости, однако при этом следует принимать специальные меры для устранения возможной несимметрии плеч каскада.

Исходными данными для расчёта бестрансформаторного каскада служат: мощность на выходе ; сопротивление нагрузки ; диапазон частот … (30 Гц – 3 кГц); допустимые значения коэффициентов частотных искажений и ; допустимый коэффициент нелинейных искажений ; интервал рабочих температур ….

Особенности расчёта выходного бестрансформаторного каскада рассмотрим применительно к схеме, приведенной на рис. Расчёт производим в следующем порядке:

1. Определяем величину напряжения источника питания

2. Находим максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов и

= /2;

= (A).

3. Выбираем значение тока покоя (тока в рабочей точке ) оконечных транзисторов

~ (0.01…0.02) *;

~ 0,0496 (А)

При использовании мощных низкочастотных транзисторов коллекторный ток покоя должен быть не менее 5 мА.

4. Определяем максимальную мощность, рассеиваемую коллекторным переходом каждого из оконечных транзисторов,

= /4;

(Вт)

По полученным значениям , , и заданному значению f_в выбираем тип оконечных транзисторов и . При этом необходимо, чтобы максимально допустимые значения соответствующих параметров транзисторов превышали расчётные, т. е.

>; 25 (В);

>; >3.96 (Вт);

>;>3.1 (А).

Обычный ток коллектора выбранного транзистора должен быть минимален. Предельная частота усиления транзистора должна превышать верхнюю частоту заданного частотного диапазона не менее чем в 2 раза

, т.е. 6(кГц).

По этим параметрам подходит транзистор КТ704А.

5. При выборе типа оконечных транзисторов следует учитывать снижение предельной мощности, рассеиваемой транзистором при повышении температуры окружающей среды. Предельная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом транзистора (без теплоотвода), определяется по формулам:

/;

(70 - 24)/5 = 9,2 (Вт);

Где – максимальная температура перехода, ; - температура окружающей среды, ; - тепловое сопротивление переход – окружающая среда, / Вт.

При установке транзистора на изолирующей прокладке следует учитывать ухудшения отвода тепла через радиатор. При этом предельная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом транзистора, уменьшается.

6. Находим максимальное значение коллекторного тока предоконечных транзисторов:

=/,

= 3.1/10 = 0.31(А),

где — максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов; — минимальное значение коэффициента передачи тока оконечных транзисторов.

Сопротивления резисторов = выбираются в пределах (100…1000) Ом и уточняются при настройке усилителя.

6. Определяем мощность, рассеиваемую каждым из предоконечных транзисторов,

=/(1-0.9/);

= 9,2/10(1-0.9/100*0.31) = 0,002 (Вт).

6. По полученным значениям и выбираем предоконечные транзисторы: типа p – n – p, а - типа n – p – n. При этом необходимо, чтобы максимально допустимые значения параметров выбранных транзисторов превышали расчётные значения этих параметров, т.е.

> ; >25 (B);

; >0,002 (Вт);

; >0,31 (A).

Обратный ток коллектора предварительных транзисторов должен быть минимален. Предельная частота усиления предоконечных транзисторов должна превышать верхнюю частоту заданного частотного диапазона не менее чем в 5 раз

5;

15 кГц.

По этим параметрам подходит транзистор КТ801Б.

6. Находим ёмкость разделительного конденсатора C_1:

C₁ 1/;

C₁ 0,002 мФ.

Чем больше ёмкость С₁, тем лучше работает усилитель в области нижних частот диапазона.

6. Сопротивление резистора R₁ обычно не рассчитываем, а подбираем опытно – экспериментально при настройке каскада (первоначально можно выбрать R₁10 кОм).

R₁=10(кОм).

6. Определяем частотные искажения каскада в области низких и высоких частот

= ;

=1,2;

= ;

=1,02.

Полученные значения и не должны превышать заданной величины.