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.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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 RТ с отрицательным ТКС (возможно использование p-n – перехода), через который проходит коллекторный ток V1. Падение напряжения на нем должно быть равным сумме UбэV2 и /UбэV4/.
Резистор R3 и конденсатор Сэ являются элементами эммитерной термостабилизации транзистора V1. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для задания рабочей точки транзистора V1. Конденсатор Ср1 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:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
2. Находим необходимое напряжение источника питания:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
где Uк min – остаточное напряжение на коллекторе открытого транзистора.
3. Определяем амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT4(VT5):
Image may be NSFW.
Clik here to view.
4. Находим среднее значение тока, потребляемого от источника питания оконечным каскадом:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
где IК0 – начальный ток коллектора транзисторов VT4, VT5. Принимаем равным 30 мА.
5. Рассчитываем мощность, потребляемую от источника оконечным каскадом, при номинальной выходной мощности:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
6. Рассчитаем мощность рассеивания на коллекторе одного транзистора оконечного каскада:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
7. По рассчитанным величинам Ек , Iкm , Рк выбирает тип транзистора оконечного каскада VT4(VT5), из условия, чтобы рассчитанные значения ЕК , Iкm , РК не превышали допустимые и граничная частота fb выбранного транзистора должна быть больше fВ.
8. На семействе выходных статических характеристик выбранного транзистора строим нагрузочную прямую, левее строим динамическую характеристику IК = f(Iб).
По выходным и входным статическим характеристикам определяем: Uкm4
Uок4 ; Uбm4 Uоб4 Iкm4 Iок4 Iбm4 Iбm4
9. На основании Iбm4 и Uбm4 находим входное сопротивление транзистора VT4:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
10. Сопротивление резисторов R4 и R5 определяем из соотношения:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
11. Уточняем значение входного тока оконечного каскада с учетом шунтирующего действия резисторов R4, R5:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
12. Определяем ток покоя в рабочей точке транзисторов VT2 и VT3:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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 IК = f(Iб). Из построения определяем значения Uкm ;Uок ; Uбm ; Uоб ; Iкm ; Iок ; Iбm ; Iоm .
14. Определяем значение коллекторного тока мощность, потребляемую от источника питания по формулам:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
15. На основании Iбm2 и Uбm2 находим входное сопротивление транзистора VT2:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
16. Определяем необходимые амплитудные напряжения возбуждения верхнего (VT2, VT4) и нижнего (VT3, VT5) плеч оконечного каскада:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
17. Сопротивление R6 находим из условия обеспечения режима работы транзистора VT1. Для получения в точке «А» (рис.1.1) напряжения равного 0,5Ек , нужно, чтобы:
- постоянное напряжение на коллекторе VT1 было равно Uко1:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
(при UR3 = 1 В)
- постоянная составляющая (Iок1)коллекторного тока VT1 должна быть больше Iбm2 .
18. Тогда сопротивление R6 определяется как:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
19. Находим мощность рассеяния на коллекторе VT1:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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 IК = f(Iб).
По выходным и входным статическим характеристикам определяем:
Uкm1; Iкm1; Uоб1; Iоб1; Iбm1 и Uбm1
21. На основании Iбm1 и Uбm1 находим входное сопротивление транзистора VT1:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
22. Определяем элементы схемы температурной стабилизации оконечного каскада. Сопротивление RТШ будет равно:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
23. Определим относительное уменьшение напряжение на RТШ при максимальной рабочей температуре (tmax = 60 0C ):
Image may be NSFW.
Clik here to view.
24. Определяем необходимое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС):
Image may be NSFW.
Clik here to view.
и выбираем тип терморезистора с ближайшим значением ТКС.
25. Определим величину сопротивления резистора в эмиттерной цепи транзистора VT1, задавшись падением на нем UR3 = 1 В:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
26. Относительное изменение b при изменении температуры определяем из приближенного соотношения:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
27. Определяем максимальное допустимое значение коэффициента температурной нестабильности режима VT1 из выражения:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
28. Величины сопротивлений делителя R1, R2 находим из выражений:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
29. Определим коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах по формуле:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
30. Определим необходимую амплитуду входного напряжения:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
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 СР1 (МН1), СЭ (МН2), СР2 (МН3). С целью уменьшения габаритов конденсатора СР1 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:
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
Image may be NSFW.
Clik here to view.
33. Оценим коэффициент частотных искажений усилителя вносимый мощными транзисторами оконечного каскада:
Image may be NSFW.
Clik here to view.