книги / Проектирование усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах

Далее находят амплитуду переменной составляющей выходного тока

/Вых т- Для этого с учётом максимально допустимых напряжения и тока коллектора, а также допустимой мощности рассеивания коллектором стро­ ят нагрузочную прямую на семействе статических выходных характери­ стик выбранного транзистора. Для большей уверенности в правильности построения нагрузочной прямой целесообразно рассчитать и нанести на семейство статических характеристик допустимую кривую мощности транзистора с учётом максимальной заданной температуры по исходным данным на проектирование.

Выходную мощность, отдаваемую транзистором, определяют в зави­ симости от режима работы оконечного каскада. Затем по входной динами­ ческой характеристике определяют амплитуды входного сигнала UBX т,

/ах твходную мощность сигнала и коэффициент усиления оконечного кас­ када.

Выбор принципиальных схем каскадов предварительного усиления, транзисторов для них и способа их включения

Если требуется предоконечный каскад, то аналогично описанному необходимо привести его принципиальную схему, выбрать транзисторы и т.д. Если по обоснованию он не требуется, то можно приступать к обосно­ ванию принципиальных схем и выбору транзисторов каскадов предвари­ тельного усилителя. Выбор схем и транзисторов для них производят так же, как и для предоконечного каскада усилителя. В большинстве случаев каскады предварительного усиления удаётся сделать реостатными. Обычно транзисторы в этом случае, как и для предоконечного каскада, включают с ОЭ, что позволяет получить от каждого каскада наибольшее усиление.

Транзистор входного каскада усилителя при высоком сопротивлении источника сигнала (более 10 к) целесообразно включать по схеме с ОК. Можно предусмотреть каскад на полевом транзисторе или использовать биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. IGBT - insulated gate bipolar transistor).

Принципиальную схему предоконечного каскада, последнего в пред­ варительном усилителе (напомним, если по обоснованию этот каскад не­ обходим), выбирают в зависимости от схемы оконечного каскада. В трансформаторном двухтактном оконечном каскаде с транзисторами одной проводимости предоконечный каскад выполняют инверсным.

Если требуемую амплитуду тока сигнала входной цепи оконечного каскада можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора предоконечного каскада, то предоконечный каскад может быть выполнен реостатным. Если это невозможно и, например, если по обоснованию тре­

буется мощный предоконечный каскад, то его лучше сделать трансформа­ торным. В этом случае он рассматривается как каскад мощного усиления на необходимую мощность сигнала входной цепи оконечного каскада.

При реостатной схеме предоконечного каскада транзистор выбирают по требуемой амплитуде тока сигнала и верхней граничной частоте. Если выбранное напряжение питания при этом слишком велико, его снижают включением в выходную цепь гасящего сопротивления (фильтра) или де­ лителя напряжения. Для трансформаторного варианта предоконечного каскада транзистор выбирают по требуемой мощности сигнала входной цепи оконечного каскада и граничной частоте.

Дальнейший эскизный расчёт ведётся по предложенной методике. По завершении эскизного расчёта, составления блок-схемы и прин­

ципиальной схемы всего усилителя переходят к детальному электрическо­ му расчёту оконечного каскада и предоконечного каскада, если его необ­ ходимость обоснована.

Оконечные каскады усиления

Оконечные каскады УНЧ, обеспечивающие большую выходную мощность на нагрузке, чаще всего выполняют по трансформаторной схеме, так как заданное фактическое сопротивление нагрузки каскада обычно от­ личается от того сопротивления, при котором транзистор имеет оптималь­ ный режим работы. Транзисторы должны работать в режиме больших сиг­ налов, близких к предельно допустимым. Поэтому такие каскады рас­

считывают графоаналитическим методом по входным и выходным статическим и динамическим характеристикам транзисторов, заимст­ вованным либо из справочников, либо из заводских ТУ на транзисто­ ры.

Транзисторы и способы их включения, схему каскада и режим рабо­ ты выбирают в основном из условий обеспечения заданной выходной ко­ лебательной мощности и высокого КПД при допустимых нелинейных и частотных искажениях. Уровень искажений особенно важно учитывать при организации источника питания от различных элементов питания или аккумуляторов, так как оконечный каскад чаще всего является главным потребителем энергии. Оконечные каскады могут быть собраны по одно­ тактной или по двухтактной схеме.

Однотактная схема позволяет сэкономить один транзистор и полу­ чить достаточно малый коэффициент гармоник Кг = 2-7 %, однако она ра­ ботает только в режиме А и теоретически не может дать КПД выше 50 % (практически до 48 %). При этом нужно учесть, что в режиме «молчания» усилитель потребляет большую энергию.

Двухтактная схема в режиме В теоретически может обеспечить КПД до 78 % (практически до 75 %). Минимальный коэффициент гармо­ ник Кг при этом примерно равен 6-10 %. Габариты выходного трансфор­ матора из-за отсутствия тока подмагничивания значительно уменьшаются. Выходная мощность достигает величины, в 1,5 раза большей, чем мощ­ ность, рассеиваемая на коллекторах триодов.

Двухтактный каскад в режиме АВ обеспечивает меньшие нелиней­ ные искажения, чем в режиме В, но имеет меньший КПД и меньшую вы­ ходную мощность (но всё же в 1,3 раза больше рассеиваемой на коллекто­ рах триодов).

Двухтактные схемы на транзисторах большой мощности можно вы­ полнять и без выходных трансформаторов, так как сопротивление нагруз­ ки, при котором транзистор имеет оптимальный режим работы, можно по­ лучить равным или близким к заданному фактическому. Эти каскады де­ лают только двухтактными, чтобы исключить протекание постоянной со­ ставляющей коллекторного тока через нагрузку. Такие каскады мощного усиления позволяют значительно уменьшить габаритные размеры, вес и стоимость усилителя, повысить его надёжность и избавиться от нелиней­ ных и частотных искажений, вносимых трансформатором. В таких схемах опасны короткие замыкания нагрузки. В бестрансформаторных каскадах можно применить транзисторы с различной проводимостью (дополнитель­ ная симметрия). Для обеспечения малых нелинейных и частотных искаже­ ний транзисторы в плечах двухтактного усилителя подбирают так, чтобы их граничные частоты и коэффициенты усиления отличались не более чем на 20 %.

В оконечных каскадах транзисторы могут быть включены любым, как уже говорилось выше, из трёх известных способов. Напомним об этом.

Схема с общей базой обеспечивает наименьшие нелинейные искаже­ ния и сравнительно малое усиление мощности. Параметры каскадов при этом мало зависят от температуры окружающей среды и замены транзи­ сторов, поэтому в двухтактных схемах при данном включении транзисто­ ров их коэффициенты усиления могут отличаться до 30 %.

Схема с общим эмиттером обеспечивает наибольшее усиление, но вносит сравнительно большие нелинейные искажения.

Схема с общим коллектором чаще применяется в бестрансформатор­ ных двухтактных усилителях, обеспечивает примерно такое же усиление, как схема с ОБ, и несколько меньшие нелинейные искажения, чем схема с ОЭ. При этом входное сопротивление каскада - самое высокое. Параметры же каскада мало зависят от изменения температуры окружающей среды и замены транзисторов.

Овыборе транзистора для оконечного каскада

Вэскизном расчёте уже говорилось, что транзистор должен удовле­ творять трём условиям:

1.Допустимая мощность рассеяния на коллекторе должна быт больше рассеиваемой мощности при заданной максимальной температуре

среды. Формулы для Рктах приводятся в справочниках для всех типов транзисторов. Рекомендуется в первую очередь построить в семействе вы­ ходных статических характеристик выбранного транзистора кривую мощ­ ности на заданную при проектировании усилителя максимальную темпера­ туру. Это избавит от многих неприятностей при построении линии нагруз­ ки и выборе максимальной колебательной мощности данного транзистора.

мощность транзистора с радиатором уменьшается несколько быстрее, чем указывалось выше, а именно на 1,5-1,6 % при повышении температуры на 1 °С:

PiС 7-тах* Летах [1 - (0,015 - 0,16) (Г тах - 25 °С)].

2. Граничная частота транзистора /р в схеме с ОЭ или / а в схемах с

ОБ и ОК должна быть выше Г’в, чтобы частотные искажения, вносимые транзистором, были малы. Она определяется заданными частотными иска­ жениями Мв. Полагая, что из-за низкой граничной частоты мощных тран­

зисторов и трансформаторов половина частотных искажений на высшей частоте приходится на оконечный каскад, определяют

К

h -

Отметим, что при выборе мощных транзисторов, включаемых по схемам с ОБ или с ОК, частотными искажениями, вносимыми транзистором на высшей частоте, можно пренебречь (так как /р * / а/р). В настоящее время отечественная промышленность выпускает мощные транзисторы СЧ и ВЧ с высокой граничной частотой, для которых данное условие выполняется автоматически.

3. Транзистор должен вно­ сить небольшие нелинейные ис­ кажения, но в усилителе они оп­ ределяются в основном искаже­ ниями, вносимыми оконечным каскадом, так как он работает при наибольшей амплитуде сиг­ нала. При этом заданные нели­ нейные искажения между каска­ дами не распределяют, считая, что все искажения вносит око­ нечный каскад усилителя.

Величина коэффициента

гармоник Кг зависит от исполь- рис 2 Коэффициент гармоник в зависимости ЗОВЭНИЯ транзистора ПО МОЩНОот использования транзистора по мощности

сти (рис. 3).

Если заданный Кг мал, то транзистор следует выбирать на мощность, в 1,5-2 раза больше, чем рассчитанная по формулам предложенной ниже методики эскизного расчёта УНЧ. Нелинейные искажения, вносимые вы­ ходным трансформатором, можно считать пренебрежимо малыми.

Нелинейные искажения, вносимые транзисторами оконечного каска­ да, зависят от нелинейности их выходных и входных характеристик.

Влияние нелинейности можно уменьшить путём соответствующего выбора выходного сопротивления предоконечного каскада Rc, пересчитан­ ного во вторичную обмотку межкаскадного трансформатора. При этом изза неполного согласования выхода предоконечного и входа оконечного каскада несколько уменьшается усиление оконечного каскада. Кроме того, иногда целесообразно применять схемы с ОБ, ОК или снимать мощность, меньшую, чем может дать транзистор.

Для уменьшения нелинейных искажений и мощности входного сиг­ нала, повышения КПД источника питания и упрощения его конструкции величину коллекторного напряжения необходимо выбирать возможно большей. При этом следует помнить, что в трансформаторных каскадах напряжение на коллекторах достигает почти двойного значения напряже­ ния источника питания и что с повышением температуры допустимое на­ пряжение между электродами транзистора уменьшается. Поэтому напря­ жение источника питания для таких каскадов не должно превышать значе­ ния, определяемого методикой эскизного расчёта УНЧ.

Анализ принципиальных схем оконечных трансформаторных каскадов мощного усиления

Каскады мощного усиления в большинстве случаев выполняются трансформаторными, так как при этом:

-для транзистора можно получить нагрузку переменному току, при которой он отдаёт максимальную мощность сигнала;

-постоянная составляющая выходного тока не протекает через со­ противление нагрузки усилителя, что уменьшает потери энергии питания и увеличивает КПД каскада.

Рассмотрим несколько схем однотактных и двухтактных каскадов мощного усиления и особенности их применения.

На рис. 4 приведена принципиальная схема однотактного каскада мощного усиления звуковых частот с транзистором, включённым с ОЭ и ЛС-связью с предыдущим каскадом.

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема однотактного каскада с транзисто­ ром, включённым с ОЭ и RC-связью

печивает очень малые частотные искажения предыдущего каскада на верхних частотах и устойчива к сохранению режима усиления после заме­ ны транзистора. Данная схема, как и схема на рис. 4, применяется только в режиме А. Входным током транзистора Т2 является ток эмиттера /э, пре­ восходящий по величине ток коллектора /к. Поэтому для уменьшения тока сигнала, снимаемого с транзистора Т1 предыдущего каскада, он включает­ ся через понижающий трансформатор Тр1 с очень малым коэффициентом трансформации. Предоконечный каскад в этом случае обычно рассчиты­ вают как каскад мощного усиления с выходной мощностью, требующейся для подачи во входную цепь оконечного каскада. В схеме используется эмиттерная стабилизация. Сопротивлением эмиттерной стабилизации R3в

схеме является активное сопротивление вторичной обмотки Г2 трансфор­ матора Тр1. Если оно оказывается недостаточным для заданной стабилиза­ ции режима, в цепь эмиттера можно включить дополнительное сопротив­ ление R*э, зашунтировав его ёмкостью Сэ, расчёт которой производится обычным образом.

Внутреннее сопротивление источника сигнала

Rc SS(/?вых + Г\) П ,

где /?ВЬ|Х- выходное сопротивление транзистора предыдущего каскада Т1 переменному току в рабочей точке;

Г) - активное сопротивление первичной обмотки трансформатора Тр1;

п - коэффициент трансформации Тр1.

На рис. 6 изображена принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим инверсным каскадом с разделённой нагрузкой. В этой схеме по сравнению со схемами на рис. 4 и 5 нелинейные искажения меньше за счёт компенса­ ции чётных гармонических составляющих в выходном сигнале, а также меньше размеры, вес и стоимость выходного трансформатора, вследствие отсутствия в нём постоянного подмагничивания.

Из-за присутствия эмиттерной стабилизации и ЛС-связи между кас­ кадами данная схема работает только в режиме А. Наличие двух транзи­ сторов вдвое увеличивает выходную мощность двухтактного каскада по сравнению с однотактным. Сопротивление R3 в общем, эмиттерном прово­ де двухтактного каскада обеспечивает эмиттерную стабилизацию режима, а также симметрирует транзисторы двухтактного каскада при различии их коэффициентов усиления. Однако наличие лишь общего сопротивления R3 для обоих транзисторов при различных их температурных коэффициентах иногда приводит к разбалансировке токов покоя плеч после прогрева или

старения схемы. Для уменьшения такой разбалансировки в эмиттер каждо­

го из транзисторов можно включить небольшие сопротивления Л'э и Л"э. Раздельные делители смещения на каждый из транзисторов двухтактного каскада позволяют подобрать одинаковые токи покоя плеч при различных статических коэффициентах усиления тока транзисторов.

Рис. 6. Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами с ОЭ и предыдущим инверсным каскадом с разделённой нагрузкой

Симметричное относительно общего провода напряжение сигнала подаётся на вход двухтактного каскада с разделённой нагрузкой, имеюще­ го хорошую частотную характеристику. Верхний и нижний выходы ин­ версного каскада представляют собой источники сигнала с различными внутренними сопротивлениями. Для верхнего плеча двухтактной схемы

(Лк + ЛД)

где Лд = Л]Л2 /(/?i + R i ) -

У нижнего плеча двухтактной схемы Rc получается меньше вследст­ вие шунтирующего действия эмиттерного выхода транзистора Т1. Для вы­ равнивания сопротивлений источника сигнала для верхнего и нижнего плеч в схему инверсного каскада иногда включают сопротивление R' (изо­ бражено пунктиром).

На рис. 7 приведена принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим трансформаторным инверсным каскадом. Схема даже при большой выход­ ной мощности каскада мощного усиления благодаря трансформаторной связи между каскадами позволяет применить в предыдущем каскаде мало­ мощный транзистор. Предоконечный инверсный каскад рассчитывается

+Е,

Рис. 7. Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включёнными с ОЭ и предыдущим трансформаторным инверсным каскадом

как каскад мощного усиления с выходной мощностью, требующейся для по­ дачи во входную цепь двухтактного каскада. Для упрощения схемы оконеч­ ный каскад имеет один делитель напряжения смещения R\R2 - Вследствие то­ го, что в схеме имеется одно сопротивление эмиттерной стабилизации /?э, в общем, эмиттерном, проводе при различных параметрах транзисторов в пле­ чах двухтактной схемы токи покоя плеч будут различными. Для выравнива­ ния токов покоя плеч можно или подобрать транзисторы в плечах схемы, или, кроме общего сопротивления Лэ, включить в один из эмиттерных прово­ дов небольшие сопротивления R'3 или R" э (см. рис. 7), выравнивающие токи покоя при различных параметрах транзисторов в плечах схемы. Это, как и в предыдущем случае, уменьшает разбалансировку тока покоя при прогреве и старении элементов схемы. Благодаря наличию эмиттерной стабили­