Материал: Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И

3.2.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме а

Выбрав на основании оказанного выше схему каскада и способ включения транзистора, определяют мощность сигнала Р~, которую должен отдать транзистор, с учетом КПД выходного трансформатора. Транзистор для трансформаторного каскада мощного усиления, работающего в режиме А, берут с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе РKmzx ≥3P~.

Напряжение покоя между выходными электродами U0 желательно брать наибольшим, так как при этом минимальны нелинейные искажения, облегчается конструирование выпрямителя и повышается его КПД. При включении с общим эмиттером это позволяет также получить наибольший коэффициент усиления мощности каскада, а, следовательно, уменьшить необходимую входную мощность сигнала и коэффициент усиления предварительного усилителя. Поэтому на основании сказанного в таких трансформаторных каскадах при правильно сконструированном выходном трансформаторе напряжение питания, подводимое к выходным электродам транзистора U0, следует брать равным (0,3—0,4) допустимого напряжения между выходными электродами Umax; значение .Umax указывают в справочных данных транзистора для разных способов включения.

Выбрав напряжение питания, находят ток покоя и сопротивление нагрузки выходной цепи. Минимально допустимый ток покоя, при котором каскад сможет отдать необходимую мощность Р~,

(3.2.1)

где — коэффициент использования тока покоя, обычно лежит в пределах (1—0,95); Uвых m — амплитуда напряжения сигнала на первичной обмотке выходного трансформатора, равная разности напряжения покоя U0 между выходными электродами и остаточного напряжения Uост . На семействе выходных характеристик отмечают точку покоя и проводят через нее нагрузочную прямую переменного тока для сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току:

(3.2.2)

Наклон нагрузочной, прямой здесь определяется отрезками U и I, отсекаемыми ею на осях координат(): R~=U/I. Затем отмечают на нагрузочной прямой крайние положения рабочей точки; верхнюю точку находят в начале изгиба статической характеристики, пересекающейся с нагрузочной прямой, а нижнюю точку берут при токе, равном (0,01—0,05)I0. Мощность сигнала, отдаваемая транзистором:

(3.2.3)

Далее переносят крайние точки нагрузочной прямой (точки П и К) на статическую входную характеристику транзистора для примененного способа включения и определяют напряжение смещения входной цепи U0ВХ и удвоенную амплитуду напряжения входного сигнала 2Uвх m

(3.2.4)

Необходимую амплитуду тока сигнала во входной цепи Iвхт определяют через наименьший статический коэффициент передачи тока транзистора, а ток покоя этой цепи берут немного больше амплитуды тока сигнала:

( 3.2.5)

Рис. 3.2.3. нагрузочная прямая транзисторного каскада мощного усилителя, работающего в режиме А (а) и входная характеристика с перенесенными крайними точками нагрузочной прямой каскада (б)

Предыдущая формула относится к включению с общим эмиттером; при включении с общей базой h21э min заменяют на h21б min .

Мощность входного сигнала, входное сопротивление транзистора переменному току и коэффициент усиления мощности каскада определяют по следующим формулам:

(3.2.6)

Затем строят сквозную динамическую характеристику для Rист, равного выходному сопротивлению предыдущего каскада, и по ней определяют коэффициент гармоник методом пяти ординат. Далее рассчитывают наибольшую мощность Р, выделяющуюся в транзисторе в режиме покоя, и необходимую поверхность охлаждения радиатора Прад. Необходимое напряжение источника питания выходной цепи трансформаторного каскада, как видно из рис. 3.1.2 в, равно сумме U0, падения напряжения на резисторе змиттерной стабилизации и падения напряжения на омическом сопротивлении первичной обмотки выходного трансформатора:

(3.2.7)

При питании усилителя от выпрямителя последний проектируют на это напряжение, так как для каскадов предварительного усиления оно будет достаточным. Далее проводят электрический расчет выходного трансформатора.

3.2.3. Расчет двухтактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме в

Расчет каскада начинают с. определения мощности сигнала Р~=РH/'т, которую должен отдавать транзистор работающего плеча за полупериод сигнала.

Затем выбирают транзистор, способ его включения, схему подачи смещения и составляют принципиальную схему каскада. При выборе способа включения транзисторов следует иметь в виду, что коэффициент гармоник при полном использовании транзистора получается в режиме В выше, чем в режиме А; особенно сильно он возрастает в режиме В при включении с общим эмиттером, достигая иногда нескольких десятков процентов, что нередко заставляет отказаться от этого способа включения.

Напряжение питания выходной цепи в режиме В желательно брать возможно более высоким для уменьшения входной мощности сигнала и снижения коэффициента гармоник, но не выше (0,35—0,45) Uвых.max во избежание пробоя транзисторов; здесь Uвыхmax — максимально допустимое напряжение между выходными электродами для выбранного способа включения, взятое из справочных данных. Сопротивление нагрузки одного плеча, выходной цепи переменному току находят из выражения

(3.2.8)

Рис. 3.2.4. К расчету двухтактного трансформаторного каскада мощного усиления на транзисторах в режиме В; а) построение нагрузочной прямой; б) входная характеристика транзистора

где Uост — остаточное напряжение (см. рис. 2.5.4 а).

При включении с общей базой Uост и Uвыхm можно считать равным напряжению питания коллекторной цепи U0; при включении с общим эмиттером и общим коллектором Uвыхm меньше напряжения питания выходной цепи на величину остаточного напряжения питания выходной цепи Uост, которое находят по семейству выходных характеристик транзистора для включения с общим эмиттером при максимальном значении выходного тока.

Для полученного значения R~п на семействе статических выходных характеристик проводят нагрузочную прямую через точку U0, на горизонтальной оси и точку I= U0/ R~п на вертикальной оси (рис. 3.1.4а). При включении с общей базой верхним положением рабочей точки, определяющим максимальное значение выходного тока Imax, является пересечение нагрузочной прямой с вертикальной осью семейства выходных характеристик, в этом случае Imax=U0/ R~п. При включении с общим эмиттером или общим коллектором верхним положением рабочей точки является пересечение нагрузочной прямой с линией отсечки ОK (рис. 3.1.4а). Максимальное значение выходного тока не должно превышать максимально допустимый ток для выбранного типа транзистора.

Для уменьшения нелинейных искажений при слабых сигналах на базу транзистора относительно эмиттера в режиме В подают небольшое напряжение смещения U0вх от делителя с малым сопротивлением. Величину смещения берут такой, чтобы ток покоя выходной цепи транзистора I0, в отсутствие сигнала составлял (0.05-0.1)Imax. При таком смещении нелинейные искажения при слабых сигналах получаются небольшими и их можно не учитывать. Для германиевых транзисторов при комнатной температуре обычно необходимое напряжение смещения 0,15-0,25 В, для кремниевых 0.5-0.6 В. Необходимые напряжения U0вх, Uвхт, как и в режиме А, находят по входной статической характеристике (рис 3.2.46). Далее по точкам на входной и выходной характеристиках строят обычным образом сквозную динамическую характеристику отмечают на ней точку, соответствующую половине амплитуде ЭДС, находят ток I’1, в этой точке и рассчитывают коэффициент гармоник каскада с учетом асимметрии. Наименьший коэффициент гармоник, как и в режиме А, получается в схеме с общим коллектором при условии невысокого выходного сопротивления предыдущего каскада. Резистор RД2 делителя, задающего смещение на вход каскада, рассчитывают, беря постоянную составляющую тока Iдел в этом резисторе в отсутствие сигнала порядка (0,5—2) Iбmax.

(3.2.9)

где Iбmax — максимальное значение тока базы за период при максимальном расчетном сигнале, сопротивление резистора Rд1 делителя находят исходя из падения напряжения на нем и постоянной составляющей тока, протекающего через этот резистор в отсутствие сигнала:

(3.2.10)

Необходимая входная мощность сигнала на одно плечо и входное сопротивление плеча каскада с учетом делителя смещения определяется выражениями

(3.2.11)

(3.2.12)

где Iвхm определяется для наихудшего транзистора. Требуемое напряжение источника питания Е для каскада мощного усиления в режиме В определяется выражением:

(3.2.13)

так как произведение I’0r1п обычно много меньше, чем Uo. Источник питания .каскада, работающего в режиме В, должен иметь низкое выходное сопротивление; изменение напряжения источника питания при изменении входного сигнала от нуля до максимального расчетного значения не должно превышать 10—15%.

3.2.4. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления

Включение нагрузки непосредственно в выходную цепь усилительных элементов без выходного трансформатора позволяет устранить вносимые последним частотные, фазовые и нелинейные искажения, уменьшить габаритные размеры, массу, объем и стоимость каскада, повысить его КПД и избавиться от нелинейных искажений, вызываемых отсечкой тока в режиме В. Однако в обычных однотактных схемах непосредственное включение нагрузки оказывается невозможным из-за прохождения через нагрузку постоянной составляющей тока, вызывающего резкое уменьшение отдаваемой каскадом мощности и его коэффициента полезного действия. Прохождение постоянной составляющей тока через нагрузку и связанное с этим снижение КПД, а также вносимые транс-форматором искажения и потери отсутствуют в схемах бестрансформаторных двухтактных каскадов, имеющих несколько разновидностей. Одной из них является бестрансформаторный двухтактный каскад с параллельным (несимметричным) выходом, варианты схем которого изображены на рис. 3.2.5 (цепи подачи смещения на управляющие электроды усилительных элементов здесь не показаны). Каскады типа рис. 3.2.5 требуют подачи на вход двух равных напряжений сигнала противоположных полярностей, которые, как и в обычной двухтактной схеме, подаются от инверсного каскада. Питание коллекторных цепей транзисторов в схеме рис. 3.2.5а производится от двух одинаковых источников питания, соединенных последовательно, или от одного источника со средней точкой. Если желательно использовать один источник питания без средней точки, применяют схему рис. 3.2.5б; нагрузку здесь включают через разделительный конденсатор С.

При одинаковых верхней и нижней половинках схемы рис. 3.2.5а постоянная составляющая тока через нагрузку Rн включенную в средний провод, не проходит, так как средние значения токов питания плеч I~1 и I~2 равные по величине, в этом проводе направлены в противоположные стороны и взаимно уничтожаются. Переменные составляющие токов 274 плеч I~1 и I~2 проходят через нагрузку в одном направлении и складываются.

Рис. 3.2.5. Транзисторные бестрансформаторные двухтактные каскады с несимметричным выходом: а) с двумя источниками питания или одним источником со средней точкой; б) с одним источником питания без средней точки, но с разделительным конденсатором

В схемах рис. 3.2.5 усилительные элементы по отношению к источнику (или источникам) питания, т. е. по постоянному току, включены последовательно, а по отношению к нагрузке или по переменному току — параллельно; последнее снижает расчетное сопротивление нагрузки и приближает его к сопротивлению обычных электродинамических громкоговорителей.

Напряжение питания и режим работы каскада выбирают такими, чтобы заданное сопротивление нагрузки RH обеспечивало полное использование усилительных элементов как по току, так и по напряжению. В транзисторных каскадах, работающих на громкоговоритель, напряжение питания Е и режим работы каскада подбирают так, чтобы сопротивление громкоговорителя оказалось равным расчетному сопротивлению коллекторной нагрузки. Рассмотренный бестрансформаторный двухтактный каскад можно упростить, если использовать в нем транзисторы с одинаковыми параметрами и характеристиками, но с противоположным характером проводимости — в одном плече транзистор типа p-n-p, в другом — транзистор типа n-p-n. Такой каскад не нужда-ется в инверсном каскаде, так как входные цепи его плечей .можно объединить; при подаче одного и того же напряжения сигнала на управляющие электроды обоих плеч ток в одном плече будет расти, а в другом - падать и схема будет работать как двухтактная. Схемы типа рис. 3.2.6 представляют собой двухтактный каскад с несимметричными выходом и входом; иногда их называют двухтактными каскадами с дополнительной симметрией — в них, так же как и в схемах рис. 3.2.5, выходные цепи усилительных элементов по постоянному току включены последовательно, а по переменному — параллельно. Каскады с дополнительной симметрией при работе как в режиме А, так и в режиме В позволяют использовать в качестве предыдущего каскада не инверсный, а обычный однотактный резисторный каскад даже без разделительного конденсатора (рис. 3.2.7). Бестрансформаторные каскады типа рис. 3.2.5 и 3.2.21 могут работать как в режиме А, так и в режиме В; три работе в режиме А их максимальный КПД теоретически равен 50%, а в режиме В—78,6%, как и у трансформаторных каскадов. Реальный же КПД у бестрансформаторных каскадов обычно оказывается выше, чем у трансформаторных, так как у них отсутствуют потери в трансформаторе. Способы включения транзисторов в бестрансформаторных двухтактных каскадах теоретически могут быть любыми, однако в практических схемах в большинстве случаев транзисторы оказываются включенными с общим коллектором и реже с общим эмиттером.