книги / Проектирование усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах

кадах напряжение на коллекторах достигает почти двойного значения на­ пряжения источника питания и что с повышением температуры допусти­ мое напряжение между электродами транзистора уменьшается. Следует принять к сведению, что для транзисторных усилителей источник питания должен быть стабильным с величиной пульсаций не более 1 % и с низким внутренним сопротивлением менее 100 Ом, хотя по заданию источник не проектируется.

Наконец, нелинейные искажения усилителя определяются в основ­ ном искажениями, вносимыми оконечным каскадом, так как он работает при наибольшей амплитуде сигнала. Поэтому заданные нелинейные иска­ жения между каскадами не распределяют, а относят их к оконечному уси­ лителю.

Величина коэффициента гармоник зависит от мощности используе­ мого транзистора. Если заданный коэффициент гармоник мал, то транзи­ стор выбирают в 1,5-2 раза большей мощности, рассчитанной по эмпири­ ческим формулам (1)-(5) для ранних выпусков транзисторов. Нелинейны­ ми искажениями, вносимыми выходным транзистором, можно пренебречь, если расчёт трансформатора произвести по предлагаемой в детальном рас­ чёте методике. В общем нелинейности выходных и входных характеристик уменьшают соответствующим выбором выходного сопротивления предо­ конечного каскада Rc, пересчитанного во вторичную обмотку межкаскад­ ного трансформатора. Использование для этого эмпирических формул для мощных транзисторов малоэффективно:

Rc = (4 —8) RBXдля каскада с ОБ,	(14)
Rc = (2 - 5) Явх для каскада с ОЭ,	(15)
Rc = (0,2 - 1) RBXдля каскада с ОК,	Об)
где RBXопределяется по статическим характеристикам RBX	U,
	вх т а при­

ведённые в формулах эмпирические коэффициенты не всегда обеспечива­ ют необходимый результат для современных мощных транзисторов.

Кроме того, следует помнить, что из-за неполного согласования вы­ хода предоконечного и входа оконечного каскада также снижается усиле­ ние каскада. Иногда целесообразно применять схемы с ОБ, ОК или сни­ мать мощность, меньшую, чем может дать транзистор. Но при этом всегда следует иметь в виду, что с уменьшением рабочего тока мощного транзи­ стора, из-за соизмеримости его с обратными токами переходов, неизбежно ухудшаются параметры схемы и снижается её стабильность. Подробнее о согласовании выходных и входных сопротивлений, в зависимости от вари­

антов исполнения схем оконечных и предоконечных усилителей, говорит­ ся в рекомендациях по проектированию.

Определение коэффициентов усиления по мощности по эмпириче­ ским формулам, например, в нашем случае для оконечного и предоконеч­ ного усилителей, может привести к потере каскада в процессе расчета уси­ лителя. Поэтому в предлагаемой методике эскизного расчёта коэффициен­ ты усиления по мощности оконечного и предоконечного каскадов рассчи­ тывают по характеристикам. Для случаев, когда это оправданно, можно использовать эмпирические формулы по расчёту коэффициентов усиления мощности для различных способов включения транзисторов в схемах око­ нечных каскадов:

для схемы с ОБ

Е

К р « 0 ,9 - * ,		Ес w (4-8) £/вх,		(17)
	Е
для схемы с ОЭ
С г	Л		Ec*(2-5)U m ,
Кр « 0,9	-'МИЮ			(18)
Е	с У
для схемы с ОК
	Кр	Рмин >		(19)
для составных транзисторов
Кр * Рмин1			Рмин 2•	(20)

При использовании межкаскадных трансформаторов необходимо учесть КПД трансформатора, в бестрансформаторных каскадах он не учи­ тывается.

Аналогичные эмпирические формулы существуют для расчёта ко­ эффициентов усиления по мощности предоконечных каскадов:

для реостатного инверсного каскада с разделённой нагрузкой

Кр « Рмин ;

(21)

для трансформаторного однофазного или парафазного каскада при включении транзистора с ОЭ

Кр » 50 рмин;

(22)

для такого же каскада при включении транзистора с ОБ

Кр * 50 ;

(23)

для реостатного каскада при включении транзистора с ОЭ
Кр « 0,3 Р мин;
для такого же каскада при включении транзистора с ОК
Кр « 0,7 рмин .	(25)
2. Определение общего коэффициента усиления всего УНЧ:
4 Р R	(26)
* Р о б ,д = - ^ р .
Е с

Общий коэффициент усиления по мощности является произведением коэффициентов усиления оконечного, предоконечного, промежуточных и входного каскадов:

П

Ер общ “	ОК*Кр пок * П * Р пром j ■Кр вх »	(27)
	У= 1

где п - число промежуточных каскадов (если после дальнейшего расчета

П

Кр вх получим П Кр

У=1

п р о м j < 1, то промежуточные каскады не используют-

ся).

3. Выбор схемы входного каскада, типа транзистора и определение коэффициента усиления по мощности:

■^"р ВХ* 6,7 Рмин •

(28)

Поскольку по заданию практически во всех вариантах сопротивле­ ние источника входного сигнала, подключаемого ко входу проектируемых усилителей, достаточно велико, т.е. значительно выше входных сопротив­ лений транзисторов в схемах с ОЭ и ОБ, то для всех вариантов в общем случае возможно использование схемы с ОК с расчётом коэффициента усиления мощности по формуле (28).

В настоящее время элементная база современной электроники по­ зволяет использовать другие полупроводниковые приборы с большим входным сопротивлением (например, полевые транзисторы или интеграль­ ные операционные усилители и др.).

4. Определение коэффициента усиления по мощности промежуточ­ ных каскадов, если уже известны коэффициенты усиления мощности око­ нечного, предоконечного и входного каскадов:

	П		К *
	П*Р пром j		Робщ	(29)
		К_	KD
				-К.
		Р ок	Р пок	Р вх

По полученной величине коэффициента усиления уточняется коли­ чество промежуточных каскадов.

В литературе, изданной в прошлом столетии, коэффициенты усиле­ ния по мощности для промежуточных и входного каскадов можно было ориентировочно определять по специально полученным графическим за­ висимостям.

5. Выбор схемы и транзисторов после определения количества ка кадов проектируемого усилителя.

Определение допустимых граничных частот транзисторов всех кас­ кадов, кроме оконечного,

F

(30)

гд е /р « /а (1 - а);

п - количество каскадов в усилителе без оконечного. Предполагается, что все каскады по схеме с ОЭ, кроме оконечного,

вносят одинаковые частотные искажения.

При наличии межкаскадных трансформаторов в схеме усилителя учитываются ещё частотные искажения, вносимые трансформатором в об­ ласти высших частот. Поэтому при расчёте частотных искажений этот кас­ кад считают за два и увеличивают общее число каскадов на 1.

В области низших частот частотные искажения вносятся в основном деталями, входящими в усилитель (трансформаторы, RC-цепями и др.), и их величины, например, составляют (дБ):

-д л я выходного или предварительного трансформатора - 1-1,5; -дляцепи эмиттерной стабилизацииЛЭСЭ-0 ,3 -1 ;

- для разделительной /?С-цепи на входе, выходе или между каскада­ ми - 0,2-0,6.

Определяя частотные искажения, вносимые каждым каскадом, пола­ гаем, что из заданного коэффициента Мн основные искажения вносят трансформаторы. Считая, что все каскады (кроме трансформаторных) вно­

сят частотные искажения Мнк, на долю трансформаторных относят
М„.Т = (1,1-1,2)М „.К.	(31)

Можно считать, что каждый из оставшихся каскадов вносит частот­ ные искажения, определяемые по выражению

	М н xl	2(п-т)\	Мн			(32)
			U -1 ,2 ’
где п - общее количество каскадов;
т - количество трансформаторных каскадов.
М ,т1 <	М	,	к	-	1,15.	(33)

6. Определение доли частотных искажений в области верхних часто оконечного каскада,

=

(34)

на каждый из остальных каскадов приходится

(35)

В зависимости от уровня температуры окружающей среды необхо­ димо решить вопрос о применении термостабилизирующих цепочек в кас­ кадах УНЧ. Возможно применение развязывающих фильтров с целью по­ вышения устойчивости усилителя.

После завершения эскизного расчёта составить блок-схему и прин­ ципиальную электрическую схему проектируемого усилителя.

ПРИМЕР ЭСКИЗНОГО РАСЧЁТА УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Эскизный расчет производится по следующим исходным данным: Ри = 30 Вт, RH= 9 Ом, Кг = 7 %, FH= 75 Гц, FB= 7500 Гц, Мн = 3 дБ, Мв =

= 6 дБ, 7’0кр = (-40...+40)°С.

Расчет завершается составлением блок-схемы и принципиальной электрической схемы УНЧ.

Параметрами источника усиливаемого сигнала является Ес = 1 В и

Rc = 50000 Ом. Источник питания выбирается самостоятельно.

1. Выбираем транзистор для оконечного каскада и определяем с соб его включения. Так как сопротивление нагрузки мало, а выходная мощность велика, то оконечный каскад должен быть трансформаторным. Для обеспечения высокого КПД при сравнительно больших допустимых нелинейных искажениях можно выбрать двухтактную схему оконечного каскада, работающую в режиме В. Транзистор можно включить по схеме с ОЭ.

Выбираем по справочнику [7] транзистор П4АЭ с допустимой мощ­ ностью рассеяния на коллекторе с теплоотводом Рктаи = 20 Вт при темпе­ ратуре корпуса до 40 °С. А по приведённой в справочнике зависимости ве­ личины рассеиваемой мощности от температуры корпуса транзистор П4АЭ при 40° способен рассеивать мощность, равную 25 Вт.

Параметры выбранного транзистора следующие: граничная частота усиления, Frp = 150 кГц;

наибольшее напряжение коллектора в схеме с ОЭ, (/«max = 50 В; наибольший ток коллектора, /кшах = 5 А; коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, Р > 5; коэффициент передачи тока в схеме с ОБ, а > 0,83; наибольший обратный ток коллектора, /кбо = 0,5 мА.

2. Определение коэффициента усиления мощности оконечного к

када.

В семействе выходных статических характеристик транзистора П4АЭ строим кривую допустимой мощности рассеяния на коллекторе Рктах = 25 В т при Т= 40 °С (рис. 13, а). Строим линию нагрузки аб. Ори­ ентировочно задаёмся величиной напряжения источника питания по до­ пустимому напряжению на коллекторе,

Ек< 0,5 (/кшах = 25 В.

Выбираем Ек= 20,5 В.

Выбираем на нагрузочной прямой рабочую точку (р.т). Определяем выходные амплитуды тока и напряжения.

Проверяем транзистор по частотным свойствам:

/р = / « 0 - « о ) г - 7 ^ = = 150 • 103 (1 - 0,83) = 22500 Гц,

22500 > —j= = . V 2M

Определяем выходную колебательную мощность, отдаваемую тран­ зисторами в нагрузку без учета г|т,

U	•/	=	19S-3 31?4;
гвы --------	--------		------- --------= 32,296 Вт.

Она должна быть больше заданной, так как ещё не учтён КПД выходного трансформатора.

u>

a

6

Рис. 13. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора П4АЭ в схеме с ОЭ в режиме В. Точки 7,2, 3, 4 пересечения линии нагрузки аб с характеристиками необходимы для построения проходной динамической характеристики

Определяем мощность, потребляемую оконечным каскадом,

Ро=2Ек ^выхт ^р.т(я -1 )	= 2-20,5 3,3125 + 0 - (я -1 ) _ 0
71	3,14

Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторах,

К = Е0 -Р ВЫХ =43,0-32,29 = 10,7 Вт,

откуда на один транзистор приходится

р ’	Ю 7	< 25 Вт.
РК=Е*= i r i l = 5 35
к 2	2

Выбранный транзистор удовлетворяет всем требованиям и при мак­ симальной температуре среды может работать только с радиатором. Опре­ деляем входную колебательную мощность оконечного каскада по входной динамической характеристике (рис. 13, б):

р _ ^вхм ' ^в\т	1,225-0,45
гвх~	= 0,275 Вт.

Коэффициент усиления мощности оконечного каскада усилителя

IS	_	рвых -	32,296
	-	р	= 117,44.
		1вх~	0,275

Для получения входной мощности, составляющей 0,275 Вт, требует­ ся введение в схему усилителя дополнительного каскада малой мощности, т.е. предоконечного каскада.

3.	Выбираем	транзистор предоконечного каскада, обосновывае
схему каскада и способ включения транзистора. Выходная мощность пре­
доконечного каскада должна быть больше входной мощности оконечного
каскада из-за возможных потерь при согласовании каскадов.
По справочнику выбираем транзистор П212А [7]. Он имеет следую­
щие параметры:
граничная частота		= 1 МГц;

наибольшее напряжение коллектора UK шах = 70 В; наибольший ток коллектора /к max = 0,5 А; коэффициент передачи тока при Т = 70 °С Р = 50-200;

коэффициент передачи тока в схеме с ОБ а = 0,98 - 0,995; наибольший обратный ток эмиттера /,О0 = 50 мкА.

Транзистор П212А способен рассеивать без теплоотвода на коллек­ торе мощность до 0,75 Вт при Гокр до 60 °С, а при заданной в задании тем­ пературе среды 40 °С рассеиваемая мощность составляет

ГК шах	85 -4 0 = 1,36 Вт.
	33

Такая мощность позволяет использовать данный транзистор в режиме А в схеме однотактного усиления. Для связи с выходным двухтактным око­ нечным каскадом потребуется включение на выходе схемы предоконечно­ го каскада согласующего инверсного трансформатора. С целью повышения устойчивой и стабильной работы всего усилителя выбранный транзистор целесообразно включить по схеме с ОБ.

4. Определяем коэффициент усиленйя мощности предоконечно каскада. На выходные статические характеристики транзистора П212А на­ носим расчетную кривую допустимой мощности рассеяния на коллекторе (рис. 14, а).

Строим линию нагрузки аб, на которой выбираем рабочую точку (р.т) с учетом предварительно заданного уровня напряжения питания для оконечного каскада, но без учета цепей температурной стабилизации и по­ терь в первичной обмотке согласующего трансформатора:

£ K<0,4L/Kmax=0,4-70 = 28 В.

Задаемся, с учетом оконечного каскада, в рабочей точке напряжени­ ем t/p T =18,5 В, а в детальном расчёте предоконечного каскада напряжение питания скорректируем с учётом температурных цепей стабилизации.

Определяем выходную мощность, отдаваемую предоконечным кас­ кадом,

р	2	U	.71	32 5-011
	_ ^	выхт	/LIвых т _	1 _ л ллп г»х
'вых			о	о	ш .

Определяем входную мощность на входе предоконечного каскада:

р ~= 2UBXm-2IBXm_ 0,16-0,11 = 0,0022 Вт.

1 ВХ

Тогда коэффициент усиления по мощности предоконечного каскада

Кг	_ 1РВЫХ	0,447
		203,2.

ВХ 0,0022

Рис. 14. Выходные (а) и входные (6) характеристики транзистора П212А в схеме с ОБ в режиме А. Точки 7, 2, 3 пересечения линии нагрузки аб с характеристиками необходимы для построения проходной динамической характеристики