1.1 Порядок расчета усилителей мощности

Основным назначением усилителей мощности является обеспечение в нагрузке заданной мощности. При этом желательно как можно эффективнее использовать усилительный прибор. Усилитель мощности является выходным каскадом многокаскадного усилителя, работающим на низкоомную нагрузку. Для согласования высокого выходного сопротивления с низким сопротивлением нагрузки применяются трансформаторы. В последнее время широкое использование нашли бестрансформаторные усилители мощности.

Схема усилителя с бестрансформаторным выходом с параллельным управлением однофазным напряжением составных оконечных транзисторов представлена на рис.1.1.

Рис.1.1 Транзисторный бестрансформаторный двухтактный каскад

с симметричным входом и несимметричным выходом

с параллельным питанием.

Транзисторы одной проводимости V4, V5 образуют выходной каскад. На транзисторах V2, V3 собран фазоинверсный каскад, обеспечивающий необходимую амплитуду тока для работы транзисторов оконечного каскада V4, V5, а также необходимый сдвиг по фазе на 180⁰ входного напряжения оконечного каскада. Резисторы R4 и R5 являются нагрузкой транзисторов V2 и V3.

Транзисторы V2 и V3 разной проводимости включены по схеме ОК и работают в режиме АВ.

Составные транзисторы V2 и V4 представляют собой двойной эмиттерный повторитель (квазикомплементарный каскад Дарлингтона ), охваченный ООС, а составные транзисторы V3, V5 образуют двухтактный усилитель напряжения с обратной связью, коэффициент усиления по напряжению » 1. Оба плеча двухтактного усилителя обеспечивают достаточно большие коэффициенты усиления по току.

Несмотря на не идентичность схемных построений плеч усилителя, их асимметрия не сказывается на нелинейных искажениях сигнала из-за наличия глубокой ООС.

Получение мощных выходных колебаний при высоком КПД исключает возможность использования малосигнальных параметров транзисторов в процессе проектирования, поэтому все основные расчеты ведутся по статическим характеристикам транзисторов на средних частотах.

На транзисторе V1 собран каскад предварительного усилителя по схеме с ОЭ, работающий в режиме А. Каскад предназначенный для обеспечения необходимой амплитуды входного сигнала для раскачки выходного каскада на составных транзисторах.

Температурная компенсация составных транзисторов (V2, V4 и V3, V5) осуществляется с помощью терморезистора R_Т с отрицательным ТКС (возможно использование p-n – перехода), через который проходит коллекторный ток V1. Падение напряжения на нем должно быть равным сумме U_бэV2 и /U_бэV4/.

Резистор R3 и конденсатор С_э являются элементами эммитерной термостабилизации транзистора V1. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для задания рабочей точки транзистора V1. Конденсатор С_р1 разделительный, предназначенный для развязки усилителя мощности по постоянному току с предыдущими каскадами.

Расчет производится в такой последовательности.

1. Определяем амплитудное значение переменного напряжения на нагрузке:

2. Находим необходимое напряжение источника питания:

где U_{к min} – остаточное напряжение на коллекторе открытого транзистора.

3. Определяем амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT4(VT5):

4. Находим среднее значение тока, потребляемого от источника питания оконечным каскадом:

где I_К0 – начальный ток коллектора транзисторов VT4, VT5. Принимаем равным 30 мА.

5. Рассчитываем мощность, потребляемую от источника оконечным каскадом, при номинальной выходной мощности:

6. Рассчитаем мощность рассеивания на коллекторе одного транзистора оконечного каскада:

7. По рассчитанным величинам Е_к , I_кm , Р_к выбирает тип транзистора оконечного каскада VT4(VT5), из условия, чтобы рассчитанные значения Е_К , I_кm , Р_К не превышали допустимые и граничная частота f_b выбранного транзистора должна быть больше f_В.

8. На семействе выходных статических характеристик выбранного транзистора строим нагрузочную прямую, левее строим динамическую характеристику I_К = f(I_б).

По выходным и входным статическим характеристикам определяем: U_кm4

U_{ок4 ;} U_бm4 U_об4 I_кm4 I_ок4 I_бm4 I_бm4

9. На основании I_бm4 и U_бm4 находим входное сопротивление транзистора VT4:

10. Сопротивление резисторов R4 и R5 определяем из соотношения:

11. Уточняем значение входного тока оконечного каскада с учетом шунтирующего действия резисторов R4, R5:

12. Определяем ток покоя в рабочей точке транзисторов VT2 и VT3:

13. Выбираем типы транзисторовVT2 p-n-p структуры, VT3 n-p-n структуры, по необходимому значению амплитуды коллекторного тока, равному амплитуде базового тока транзисторов VT4 и VT5,имеющих допустимое коллекторное напряжение не менее Ек. Транзисторы VT2 и VT3 должны иметь близкие параметры. Поскольку режимы работы транзисторов VT2 и VT3 в основном одинаковы, расчет производим для одного плеча. На семействе статических характеристик транзистора VT3 строим линию нагрузки. Затем так же, как и для выходных транзисторов, строим зависимость I_К = f(I_б). Из построения определяем значения U_кm ;U_ок ; U_бm ; U_об ; I_кm ; I_ок ; I_бm ; I_{оm .}

14. Определяем значение коллекторного тока мощность, потребляемую от источника питания по формулам:

15. На основании I_бm2 и U_бm2 находим входное сопротивление транзистора VT2:

16. Определяем необходимые амплитудные напряжения возбуждения верхнего (VT2, VT4) и нижнего (VT3, VT5) плеч оконечного каскада:

17. Сопротивление R6 находим из условия обеспечения режима работы транзистора VT1. Для получения в точке «А» (рис.1.1) напряжения равного 0,5Е_к , нужно, чтобы:

- постоянное напряжение на коллекторе VT1 было равно U_ко1:

(при U_R3 = 1 В)

- постоянная составляющая (I_ок1)коллекторного тока VT1 должна быть больше I_бm2 .

18. Тогда сопротивление R6 определяется как:

19. Находим мощность рассеяния на коллекторе VT1:

20. По расчетным данным и с учетом максимально допустимого коллекторного напряжения, выбираем тип транзистора VT1.На семействе выходных статических характеристик выбранного транзистора строим нагрузочную прямую. Левее строим динамическую характеристику I_К = f(I_б).

По выходным и входным статическим характеристикам определяем:

U_кm1; I_кm1; U_об1; I_об1; I_бm1 и U_бm1

21. На основании I_бm1 и U_бm1 находим входное сопротивление транзистора VT1:

22. Определяем элементы схемы температурной стабилизации оконечного каскада. Сопротивление R_ТШ будет равно:

23. Определим относительное уменьшение напряжение на R_ТШ при максимальной рабочей температуре (t_max = 60 ⁰C ):

24. Определяем необходимое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС):

и выбираем тип терморезистора с ближайшим значением ТКС.

25. Определим величину сопротивления резистора в эмиттерной цепи транзистора VT1, задавшись падением на нем U_R3 = 1 В:

26. Относительное изменение b при изменении температуры определяем из приближенного соотношения:

27. Определяем максимальное допустимое значение коэффициента температурной нестабильности режима VT1 из выражения:

28. Величины сопротивлений делителя R1, R2 находим из выражений:

29. Определим коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах по формуле:

30. Определим необходимую амплитуду входного напряжения:

31. Общее допустимое значение коэффициента частотных искажений распределяем между схемными элементами, вносящими эти искажения. Для схемы (рис.1.1) в области низших частот искажения вносятся конденсаторами С_Р1 (М_Н1), С_Э (М_Н2), С_Р2 (М_Н3). С целью уменьшения габаритов конденсатора С_Р1 принимаем, что он вносит основную часть допустимых искажений, а остальную часть распределяем между остальными конденсаторами:

32. Определяем значение конденсаторов схемы усилителя из допустимых искажений в области низких частот:

33. Оценим коэффициент частотных искажений усилителя вносимый мощными транзисторами оконечного каскада: