3.Разработка и расчёт принципиальной схемы

1. Расчёт оконечного каскада [1]

В настоящее время широко применяются усилители с двухтактным бестрансформаторным оконечным каскадом и последовательным питанием транзисторов по постоянному току. Двухтактным называется каскад, в котором объединены два однотактных усилительных каскада, работающих на одну общую нагрузку и управляемых взаимно противофазно одним и тем же усиливаемым колебанием. В соответствии с этим двухтактный каскад состоит из двух половин, называемых плечами. Напряжение на нагрузке получают путём взаимного вычитания выходных колебаний плеч, чтобы они суммировались, несмотря на противофазное управление.

Благодаря противофазному управлению и вычитанию происходит частичная компенсация нелинейных искажений, вносимых плечами, и получаются некоторые другие преимущества. Двухтактный каскад может работать не только в режиме A, но и в более энергетически выгодных режимах класса В и АВ. В последнем режиме удаётся существенно повысить к. п. д. и отдаваемую мощность при сравнительно небольшом уровне нелинейных искажений.

Режим AB применяется для устранения центральных ступенек на синусоиде разностного тока (признак нелинейных искажений), характерных для режима B. Обеспечивается небольшое смещение ИРТ транзисторов, в результате чего в режиме AB характеристика разностного тока получается прямой, нелинейности характеристик плеч взаимно компенсируются. Вследствие очевидных преимуществ режим AB для двухтактных каскадов является наиболее распространённым, и именно он будет обеспечиваться в данной работе.

Поскольку от оконечного каскада требуется высокая выходная мощность, то его предполагается реализовать по квазикомплементарной схеме. В итоге образуется два составных транзистора: один – типа n-p-n, другой – p-n-p.

Так как через нагрузку должен протекать только переменный ток, то можно сопротивление нагрузки подключить через разделительный конденсатор и вместо двух источников питания использовать один без средней точки. При этом нижнее плечо схемы питается от введённого разделительного конденсатора во второй полупериод входного напряжения. При достаточной ёмкости напряжение на конденсаторе остаётся практически постоянным.

В ышесказанное определяет вид принципиальной схемы оконечного каскада:

Рис. 2

Данная схема на составных транзисторах является квазикомплементарной схемой с искусственной дополнительной симметрией. Транзисторы VT1, VT3 и VT2, VT4 образуют составные транзисторы, включённые по схеме с общим коллектором. Составные транзисторы используются с целью увеличения коэффициента усиления по току и входного сопротивления всего каскада. Резисторы R1 и R2 задают необходимую величину тока покоя предоконечных транзисторов. Диоды обеспечивают температурную компенсацию положения исходной РТ. Резисторы R3 и R4 введены в схему, чтобы предотвратить работу предоконечных транзисторов в “голодном” режиме по току. Резисторы R5 и R6 стабилизируют положение исходной рабочей точки, создавая отрицательную обратную связь. Разделительный конденсатор Сp помимо осуществления питания нижнего плеча защищает нагрузку от тока короткого замыкания в случае пробоя транзисторов.

Расчёт параметров элементов схемы

1) Расчёт оконечных транзисторов

Амплитуда напряжения на нагрузке:

Напряжение источника питания:

Выберу ( ) и положу ,

тогда напряжение источника питания:

С учётом реально существующих источников выберу

Амплитуда коллекторного тока:

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер:

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора в режиме B:

Предельная частота оконечных транзисторов:

По подчёркнутым дважды параметрам подберу оконечные транзисторы

КТ819Б (n-p-n): , , (с теплоотводом), , , .

Для дальнейшего расчёта воспользуюсь выходными характеристиками транзистора КТ819Б. Проведу нагрузочную прямую по точкам:

Рис.3

Определю фактически отдаваемую оконечными транзисторами мощность:

Уточню фактический коэффициент использования напряжения:

2) Расчёт предоконечных транзисторов

Амплитуда переменной составляющей тока коллектора предоконечного транзистора:

Наименьшая допустимая величина тока покоя:

Расчёт номиналов резисторов R3 и R4:

Выберу

По входным характеристикам оконечного транзистора определю

Рис. 4

Уточню амплитуду коллекторного тока предоконечных транзисторов:

Максимальная рассеиваемая мощность предоконечных транзисторов:

, где - коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ для КТ819Б.

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер:

Согласно рассчитанным параметрам в качестве предоконечных транзисторов выберу комплементарную пару КТ817Б и КТ816Б.

КТ817Б (n-p-n): , , (с теплоотводом), , , ,

КТ816Б (p-n-p): , , (с теплоотводом), , , ,

Токи базовой цепи:

Рис. 5 Рис. 6

Учитывая симметричность входных ВАХ выбранных компле­ментарных транзисторов относительно оси тока, можно получить .

Определю смещение между базами транзисторов VT1 и VT2:

, где

Напряжение смещения обеспечивается термостабилизирующими элементами. В данном случае можно использовать диоды. Для того, чтобы при максимальном входном сигнале диоды не запирались, выбирается ток смещения

или

Из расчёта на то, что ВАХ требуемого диода должна лежать в определённой области, выбираю диод 2Ц102А. ВАХ приведена на рис. 6. Из графика следует, что для обеспечения требуется последовательно включить два таких диода. При этом ток смещения составит величину .

Расчёт номиналов резисторов R1 и R2:

Пусть .

Расчёт нелинейных искажений

Для определения нелинейных искажений оконечного каскада необходимо построить сквозную динамическую характеристику, устанавливающую зависимость тока в нагрузке от входного напряжения , т.е. .

С учётом присущей эмиттерному повторителю обратной связи входное напряжение . Для построения сквозной характеристики одного плеча достаточно трёх точек.

1 точка:

2 точка: С учётом построенных выходных характеристик выберу , при этом . Определю по входной характеристике

Токи предоконечного транзистора

Согласно входной характеристике предоконечного транзистора

, тогда

3 точка:

По трём точкам строю сквозную характеристику одного плеча

Рис. 6

Амплитуда входного сигнала

Напряжению соответствует ток

Значения токов с учётом асимметрии плеч являются исходными для определения сквозной динамической характеристики. Если параметры оконечных транзисторов отличаются не более чем на 15…20%, то при определении сквозной динамической характеристики коэффициент асимметрии . Возьму .

Применю метод пяти ординат:

Метод пяти ординат основан на разложении искажённой кривой тока в ряд Фурье при его ограничении членом, соответствующий 4-й гармонике. При этом сопротивление цепи, в которой протекает рассматриваемый ток, предполагается чисто активным, в результате чего начальные фазы гармоник оказываются равными 0 или . Средние значения тока и амплитуды токов гармоник получаются из следующих выражений:

Выполню проверку

, следовательно, расчёт можно считать верным.

Коэффициент гармонических нелинейных искажений определяется из выражения

Так как , то необходимо принять меры по снижению коэффициента гармоник. Для этого предполагается оконечный с промежуточным каскады охватить ООС. В результате получится , где F – глубина ОС.

Необходимая глубина обратной связи

Соответственно коэффициент передачи цепи ОС

, где – исходный коэффициент передачи по напряжению каскадов, охваченных ОС. Так как для оконечного каскада , то величина определяется промежуточными каскадами.