2. Расчет усилителя

2.1. Исходные данные

Исходными данными для расчета предварительного усилителя являются:

• напряжение на выходе (U_Н) и (или) входе (Е_С) усилителя;

• коэффициент усиления К = U_Н / Е_С;

• сопротивление источника сигнала R_С;

• сопротивление нагрузки R_Н;

• верхняя f_В и нижняя f_Н граничные частоты и коэффициенты частотных искажений М_В и М_Н, обычно принимают М_В = М_Н = 0,7;

• диапазон изменения температуры окружающей среды (T_max и T_min);

• требования по термостабилизации усилителя.

Исходные данные для расчета приведены в приложении 4.

2.2. Выбор транзистора

На этом этапе производится предварительный выбор транзистора. В дальнейшем он может быть изменен.

Допустимая рассеиваемая на коллекторе мощность выбирается из условия P_{к доп} > 8  Р_Н, где  = 1,2 при S  3 и  = 1,5 при S  5. При U_Н менее одного вольта для каскадов предварительного усиления оценка рассеиваемой мощности обычно не производится.

• Допустимый ток коллектора I_{к доп} > 5 I_Н = 5 U_Н / R_Н;

• Допустимое напряжение между коллектором и эмиттером U_{кэ доп} > 10U_Н;

• Статический коэффициент усиления транзистора по току выбирается из условия В  (0,81,5) К.

Частотные параметры транзистора выбираются в соответствии с заданным значением верхней граничной частоты f_В и коэффициента частотных искажений М_В (обычно М_В = 0,7). В этом случае выбирают транзистор, у которого . Если в справочнике приведено значение граничной частоты, то выбирается транзистор, у которого f_гр > 10 f_В. Не следует выбирать транзисторы со слишком большим запасом по частоте, так как при этом возрастает уровень шумов на выходе усилителя, усложняется его монтаж.

На основании этих данных производится окончательный выбор транзистора. Параметры транзисторов приведены в приложении 1 и в [8].

2.3. Расчет режима транзистора по постоянному току

Выбор тока коллектора в рабочей точке.

Для каскадов предварительного усиления принимают

, (6)

где I_нm – максимальное значение тока нагрузки.

Если получено значение тока менее 1 мА, то принимают = 1 мА.

Ток базы в рабочей точке I_б0 =  / В. Полученное значение тока базы должно превышать амплитуду входного тока в 1,2  1,5 раза, т. е. , где R_вх – входное сопротивление усилителя, которое можно принять равным R_вх = 0,8 h_11Э. Если это условие не выполняется, то следует увеличить значение тока .

Напряжение между коллектором и эмиттером в рабочей точке .

Если получилось значение менее 2 В, то принять его равным 2 В.

2.4. Расчет параметров, обеспечивающих режим работы транзистора по постоянному току

• Для схемы рис.1 выбирают R_б = 8 (r_б + r_э (1 + В))  8 h_11э.

• Из (5) получим . Тогда .

• Определяем напряжение источника питания усилителя E_К = 2  +  R_э. Округляем полученное значение напряжения до стандартного из ряда {5; 6,3; 9; 12; 15; 18; 24}. Не забудьте скорректировать значение после выбора напряжения.

• Определяем сопротивление в цепи коллектора R_К = / .

• Определяем напряжение на базе =  R_Э + 0,6 В.

• Расчет делителя в цепи базы. Определяем напряжение холостого хода делителя . Величина сопротивлений вычисляется по известным выражениям: , .

Величина тока делителя должна удовлетворять условию . Если это условие не выполняется, то выбирают меньшее значение R_б и повторяют расчет параметров R_Э, E_К, R1 и R2.

Полученные значения сопротивлений округляют до ближайших стандартных значений. (Приложение 2)

После расчета параметров, обеспечивающих режим транзистора по постоянному току, необходимо проверить полученное значение коэффициента усиления

, (7)

где , т.е. параллельное соединение сопротивлений R_К и R_Н,

R_ВХ – входное сопротивление усилителя, R_вх = R_б // R_вхт, R_вхт   r_б + r_э (1 + В).

Если полученное значение К₀ меньше заданного, то следует внести изменения в схему усилителя.

1. Если полученное значение меньше заданного на 10 - 15%, то можно увеличить значение R_К, но при этом придется увеличить Е_К, что нежелательно.

2. Выбрать транзистор с большим значением h_21э = В.

3. Если R_н < R_к, то можно включить эмиттерный повторитель на выходе усилителя (рис. 2). В этом случае нагрузкой первого каскада усилителя будет входное сопротивление эмиттерного повторителя

R_вхэп = R_эн (1 + В), (8)

При расчете усилителя с эмиттерным повторителем на выходе ток коллектора в рабочей точке транзистора VT1 выбирается в пределах 1 – 2 мА.

Сопротивление R_Э2 = U_Э2 / I_Э2, U_Э2  U_К1 – 0,6 В. Значение I_Э можно принять равным току коллектора транзистора VT1, определенному по выражению (6). Коэффициент усиления эмиттерного повторителя

(9)

Тогда общий коэффициент усиления каскада будет равен К = К_ус К_эп. Здесь К_ус определяется по выражению (7). Нагрузкой первого каскада является входное сопротивление эмиттерного повторителя (8).

4. Если сопротивление источника сигнала R_с  0,5 R_вх, то можно включить эмиттерный повторитель на входе усилителя, как показано на рис.3.

В этом случае коэффициент усиления возрастет примерно в раз. Здесь R_вхус – входное сопротивление усилителя, – выходное сопротивление эмиттерного повторителя.

Для усилителя оно будет являться сопротивлением источника сигнала.

Ток коллектора эмиттерного повторителя может быть выбран равным 1мА. Напряжение на эмиттере U_Э1 = Е_К / 2, напряжение на базе U_б1 = U_Э1 + 0,6 В. Ток базы I_б1 = I_э1 / (В + 1). При расчете делителя R1, R2 ток делителя принимается равным (4  6) I_б1. Сопротивление R_Э1 = U_Э1 / I_Э1. Транзистор VT1 применить того же типа, что и транзистор усилителя.

Если принять U_э1 равным значению , полученному при расчете усилителя, то можно будет непосредственно связать базу транзистора VT2 с эмиттером VT1 исключив из схемы делитель R_б3, R_б4 и емкость С2

5. Возможно одновременное включение эмиттерных повторителей на входе и выходе усилителя.

Если предлагаемые в пунктах 1 – 5 меры не позволяют получить требуемый коэффициент усиления, то необходим двухкаскадный усилитель с коэффициентами усиления каскадов К₁ и К₂. Тогда общий коэффициент усиления составит К = К₁ К₂. Рекомендуется выбрать К₁ > К₂.

Если коэффициент усиления существенно больше необходимого (в 1,5 и более раз), то следует уменьшить его. Для этого можно использовать следующие мероприятия.

1. Выбрать транзистор с меньшим значением h₂₁ = В.

2. Уменьшить значение R_К. Но при этом придется увеличить ток коллектора, что нежелательно.

3. Включить делитель напряжения на входе усилителя или между каскадами, что также нежелательно.

4. Ввести в схему отрицательную обратную связь (ООС). Для этого сопротивление R_э следует разделить на два (R_э' и R_э'') и шунтировать емкостью только резистор R_э'' > R_э'.