книги / Проектирование усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах

зации (R3) данный каскад работает только в режиме А. Однако если исклю­ чить сопротивления R3, R'3, R”3, то схема будет пригодной для работы в режиме В. В этом случае транзисторы в плечах двухтактного каскада берут с возможно близкими значениями р. Начальное смещение на транзисторах в этом случае задаётся делителем R\ /?2-

При работе каскада в режиме В сопротивление источника сигнала переменному току Rc для одного плеча двухтактной схемы

Rc « (Лвых н ) пи г

где Лвых - выходное сопротивление транзистора предыдущего каскада пе­ ременному току в рабочей точке;

г | - активное сопротивление первичной обмотки трансформатора Тр1;

«п - коэффициент трансформации по отношению к половинке вто­ ричной обмотки (W| И W2II - число витков первичной и половин­ ки вторичной обмотки), Щ\ = VV2II / W\.

При работе каскада в режиме А

ft _ (^вых! + г\ )п П(^вх2 + 2*211) (■^вых1 + г\ ) п \\ (-^вх2 2*211)

где /?ВЫХ1 - выходное сопротивление транзистора Т1 переменному току в рабочей точке;

/?вх2 - входное сопротивление транзистора двухтактного каскада пе­ ременному току в рабочей точке;

/*2ii - активное сопротивление половинки вторичной обмотки вход­ ного трансформатора Тр1.

При необходимости более полного использования транзисторов и получения с них наибольшей мощности целесообразно применять схему, представленную на рис. 8. На ней транзисторы двухтактного каскада включены с ОБ, что позволяет выбрать напряжение источника питания наибольшей величины и при больших токах коллекторов получить сравни­ тельно малый коэффициент гармоник Кг. Преимуществом этой схемы по сравнению со схемой рис. 7 является то, что при замене транзисторов ко­ эффициент усиления и характеристики каскада почти не изменяются, тран­ зисторы в плечах двухтактного каскада не требуют тщательного подбора. Схема на рис. 8 используется при работе в режиме В и может быть исполь­ зована для работы в режиме А, если в провод средней точки вторичной об­ мотки трансформатора Тр1 включить сопротивление эмиттерной стабили­

зации Лэ. Для выравнивания токов покоя плеч или симметрирования плеч в провода эмиттеров включают небольшие выравнивающие сопротивления Л' и R j. В сравнении со схемой рис. 7 схема на рис. 8 имеет меньший ко­ эффициент усиления мощности и требует на входе большей мощности сигнала.

Рис. 8. Схема двухтактного каскада с транзисторами, включёнными с ОБ и инверсной трансформаторной схемой предыдущего каскада

Сопротивление источника сигнала Rc для одного плеча двухтактной схемы определяется по тем же формулам, что и для схемы рис. 7.

На рис. 9 приведена схема двухтактного трансформаторного каскада, с включением транзисторов с ОК и работающая в режиме В.

При таком включении транзисторов в схеме рис. 9 обеспечиваются очень малый коэффициент гармоник и высокий КПД. Предоконечный кас­ кад выполнен с инверсным трансформаторным выходом. Для сбалансиро­ вания токов покоя плеч оконечного каскада в цепь базы (или эмиттера) транзисторов Т2 и ТЗ включают небольшое балансирующее сопротивление R^ или R£ (на схеме показаны пунктиром).

Сопротивление источника сигнала Rc для одного плеча двухтактной схемы по рис. 9 определяется так же, как и для схем рис. 7 и 8.

На рис. 10 приведена видоизменённая схема двухтактного каскада мощ­ ного усиления, допускающая, в отличие от предыдущей, крепление транзисто­ ров на общем радиаторе или шасси без изолирующих прокладок. В этой схеме коллекторы транзисторов лучше охлаждаются, поэтому с транзисторов можно снять большую мощность, а надёжность схемы при этом выше. Применяют схему в режимах А и В при различных способах включения транзисторов.

При рассмотрении трансформаторных схем оконечных каскадов ут­ верждалось, что использование трансформаторов уменьшает потери энер­ гии питания и увеличивает КПД каскада за счёт исключения протекания постоянной составляющей через сопротивление нагрузки. Однако проте­ кание постоянной составляющей через нагрузку можно исключить приме­ нением специальных двухтактных бестрансформаторных схем. В данном обзоре эти схемы по ряду причин не рассматриваются. Появление в по­ следние годы комплиментарных кремниевых транзисторов с различным типом проводимости, безусловно, повышает интерес к бестрансформаторным схемам мощного усиления. В результате исключения трансформато­ ров из состава схем исчезают вносимые ими частотные и фазовые искаже­ ния, искажения из-за отсечки тока в режиме 5, а также уменьшается вес, габариты и стоимость усилителей.

Расчёт каскадов мощного усиления

Для расчёта транзисторного каскада мощного усиления необходимо иметь следующие данные: выходную мощность Р вых, сопротивление на­ грузки RH(R2), допустимый коэффициент гармоник Кг, низшую и высшую рабочие частоты FHи F B, допустимые коэффициенты частотных искажений Л/н и Мв, низшую и высшую температуры окружающей среды, т.е. диапа­ зон температуры от Тит до Гмакс. Кроме того, должны быть известны тип источника питания и назначение проектируемого усилителя мощности.

Расчёт каскада мощного усиления включает в себя: выбор напряже­ ния источника питания, если оно не задано, выбор рабочей точки покоя (тока покоя выходной цепи), тока покоя и напряжения смещения входной цепи, сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току, проверку по выходной динамической характеристике (нагрузочной прямой), отда­ ваемой каскадом колебательной мощности ~Р, определение амплитуды то­ ка и напряжения входного сигнала (входной мощности) и входного сопро­ тивления каскада, расчёт коэффициента гармоник каскада Кг, расчёт со­ противлений, задающих смещение, и цепи стабилизации, если она необхо­ дима, расчёт электрических данных выходного трансформатора (L\, L$, и,

гъ г2)>его конструктивный расчёт (при необходимости) и расчёт радиато­ ра, охлаждающего транзистор каскада мощного усиления.

Расчёты каскадов мощного усиления в режимах А, В и АВ различа­ ются и рассматриваются отдельными примерами в данном пособии после методики эскизного расчёта всего усилителя.

в режиме АВ

для двухтактного бестрансформаторного в режиме В

(4)

в режиме АВ

(5)

где Рн - мощность в нагрузке; г|т - КПД трансформатора (табл. 2).

Таблица 2

Примерные КПД трансформаторов и значения магнитной индукции в сердечнике

В связи с серийным производством в конце прошлого столетия мощ­ ных транзисторов в современной справочной литературе приводится зна­ чительно больше, чем ранее, информации о влиянии максимальной темпе­ ратуры окружающей среды на Рктах- При этом в справочниках расширены формулы расчёта Ркшах мощных транзисторов даже в пределах одного ти­ па или приводятся графики зависимости Рктах от температуры, естествен­ но с учетом теплоотводов, т.е. радиаторов. Поэтому в данной методике обязательным предлагается построение в семействе выходных статических характеристик допустимой гиперболы мощности Рктах при заданной мак­ симальной температуры среды в задании на проектирование. Такой подход к определению Рктах (Тмакс) на этапе эскизного проектирования повышает не только качество проектирования оконечных и предоконечных каскадов, но и усилителя в целом. Кроме того, такой способ учета Р к т а х ( Т маКс) ис­ ключает возникающие неопределённости при использовании эмпириче­ ских формул (1) - (5). Но ещё важнее, что предложенный способ позволяет

грамотно использовать мощные транзисторы для проектирования УНЧ на пониженных токах и мощностях.

По формуле /*кшах (Тмакс) = IU задаются током коллектора и по из­ вестной величине допустимой мощности находят напряжение коллектора

UK, затем наносят на семейство выходных статических характеристик до­ пустимую кривую мощности (рис. 11, а). В этом же семействе выходных статических характеристик по двум точкам строят нагрузочную прямую. Точка а может быть задана из соображений достаточной величины коллек­ торного тока для нормального режима работы транзистора. При этом ток коллектора не должен быть больше максимально допустимого коллектор­ ного тока, приведенного в справочнике, и в то же время не слишком ма­ леньким при использовании транзистора при пониженной мощности. Точ­ ка 6 выбирается в зависимости от режима работы транзистора с учётом максимального допустимого напряжения на коллекторе {У^тахНапряже­ ние питания £ кне должно превышать значения, определяемого по формуле

зистора в режиме А рабочая точка (р.т) выбирается на середине нагрузоч­ ной прямой. В режиме В рабочая точка при нулевом токе коллектора рас­ полагается внизу (рис. 12, а).

По линии нагрузки определяют отдаваемую транзистором колеба­ тельную мощность, учитывая размах изменений напряжения и тока на ли­ нейных участках статических характеристик в режиме А (см. рис. 11, а) по формуле

Полученная мощность должна быть на 10-20 % больше заданной, так как ещё не учтены КПД трансформатора (г|т) и нелинейные искажения.

Далее переносят крайние точки аб нагрузочной прямой на статиче­ скую входную характеристику транзистора и находят входную мощность сигнала (рис. 11,6):

И, наконец, определяют коэффициент усиления мощности оконечного каскада

В режиме работы В выходная, входная колебательные мощности и коэффициент усиления мощности оконечного каскада определяют по сле­ дующим формулам и рис. 12:

вх

Современные мощные транзисторы имеют достаточно высокую гра­ ничную частоту, поэтому второе условие обычно обеспечивается автома­ тически. Для транзисторов ранних выпусков граничную частоту можно проверить по формуле

да

Для схем с ОК или ОБ частотными искажениями М в пренебрегают. Аналогично выбирают транзистор, схему включения предоконечно­

го каскада и по выходным и входным статическим характеристикам опре­ деляют соответствующие мощности и коэффициент усиления мощности. При выборе транзистора предоконечного каскада определяющее значение имеет входная мощность оконечного каскада. Поэтому выходная мощ­ ность транзистора предоконечного каскада должна быть не ниже входной мощности оконечного каскада, или даже превышать её. Иначе в первом случае проектируемый усилитель окажется неработоспособным, а во вто­ ром случае произойдёт резкое снижение усиления по мощности при значи­ тельном превышении входной мощности расчётного уровня. На этапе эс­ кизного проектирования недопустим выбор режима работы транзисторов по постоянному току на различные уровни источника питания, следует помнить об обеспечении достаточного уровня источника питания для всех каскадов.

Для уменьшения нелинейных искажений и мощности входного сиг­ нала, повышения КПД источника питания и упрощения его конструкции величину коллекторного напряжения необходимо брать возможно боль­ шей. Однако при этом необходимо помнить, что в трансформаторных кас­