книги / Проектирование усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах
..pdf5. Определяем требуемый коэффициент усиления всего усилителя:
_ 4р н Rc 4-30-50-103 _ б 1q6
К*общ |
V |
|
6. Коэффициент усиления по мощности входного и промежуточно каскадов
К Р_ К, пром |
|
6-10ь |
К р К р |
= 251,4 |
|
|
117,44-203,2 |
7. Определяем коэффициент усиления входного каскада и тип тран зистора. С целью унификации используемых при проектировании усили теля транзисторов в качестве входного каскада усилителя можно выбрать тот же транзистор П212А с ОК. Схема включения с ОК транзистора позво лит улучшить согласование внутреннего сопротивления источника входно го сигнала с входным сопротивлением входного каскада:
Крвх = 0,7 Рмин = 0,7-50 = 35.
Таким образом, на долю промежуточных каскадов приходится коэф фициент усиления по мощности
КР = |
------- — --------- |
= 7,18, |
пр°м |
117,44-203,2-35 |
|
т.е. промежуточный каскад должен быть один. После детального расчета оконечного и предоконечного каскадов с учетом КПД трансформаторов их коэффициенты усиления по мощности снизятся, а после коррекции коэф фициентов усиления скорректируется окончательное количество проме жуточных каскадов.
8. Выбираем транзистор и способ его включения для промежуточных каскадов. Схема промежуточного каскада может быть реализована на транзисторе П212А по схеме с ОЭ, которая позволит скомпенсировать ре альное снижение коэффициентов усиления оконечного и предоконечного каскадов после учёта КПД трансформаторов и из-за недостаточного со гласования каскадов.
Коэффициент усиления по мощности промежуточного каскада для включения транзисторов по схеме с ОЭ можно ориентировочно учесть по эмпирической формуле (22):
Чр . » = 5°Ри»»=50'50 = 2500-
9.Проверяем транзисторы П212А по допустимым частотным иска жениям в области верхних частот. В случае применения низкочастотных
транзисторов частотные искажения определяются главным образом свой-
ствами транзистора. Если при этом т = |
F |
< 0,4, то транзистор считают |
|
|
У Гр |
высокочастотным.
Для транзистора П4АЭ оконечного каскада, включённого по схеме с
ОЭ, |
|
|
|
’-2 |
|
|
|
( |
7<ЮП |
|
|
/ |
т |
f |
7500 |
" |
|
1 + |
150000 |
|
= 1,042. |
||
1 |
- а |
, |
1-0,83 |
) |
|
|
|
V |
|
||
Для транзистора П212А предоконечного каскада, включённого по |
|||||
схеме с ОБ, |
|
|
|
|
|
м,в2 |
[ + W = L1 + { |
7500 ' 2 |
-Л. |
||
|
|
J000000J |
|
||
Для этого типа транзистора, включённого по схеме с ОЭ или ОК, |
|||||
f |
т |
( |
7500 |
А |
|
ч2 |
|
|
|
||
^вЗ.4 - л 1 + |
т |
1+ |
1000000 |
= 1,068. |
|
|
|||||
1 - а |
|
1-0,98 |
|
||
|
|
1 |
|
J |
|
При использовании трансформаторов с высокочастотными транзи сторами, как в нашем случае, частотные искажения на верхних частотах определяются свойствами транзистора и трансформатора:
Л/в Л7в] ■К4Tj ,
где М в1 - искажения, вносимые транзистором; Мт1 - искажения, вносимые трансформатором,
== 72=1,41(3 дБ),
на каждый из остальных каскадов с учётом использования согласующего трансформатора предоконечный каскад считают за два, и общее число кас кадов п увеличено до пяти,
М в1 = " - ^ 7 = 47 Ш = 1,089 (< 1 дБ).
М в р = М ,т • М в1 = 1,41 • 1,0893 = 1,82 (< 6 дБ).
Частотные искажения в области нижних частот, приходящиеся на один каскад,
|
М |
141 |
л^нк! ^ 2(и- п;] |
" |
= 41—— = 1,052 (< 1 дБ), |
(1,1-1,2) |
v 1,15 |
М и т< М н к •1,15 = М 2„.к1 •1,15 = 1,0522 •1,15 = 1,34( < 2 д Б ),
где п = 4, m = 2 (трансформаторные каскады),
М н р = 1,052 • 1,34 = 1,409(~ 3 дБ).
Тогда с учётом полученных частотных искажений транзистора час тотные искажения выходного трансформатора
|
М т1 = |
М |
141 |
|
|
^ |
- = - ^ - = 1,353. |
||
|
т1 |
М в1 |
1,042 |
|
Частотные искажения согласующего трансформатора |
||||
|
Мт2 = |
Мв |
1,41 = 1,41. |
|
|
|
м в2 |
1 |
|
10. |
Обосновываем применение цепочек термостабилизации. В за |
|||
нии температура окружающей среды изменяется в широких пределах, по этому применение цепочек термостабилизации целесообразно. В оконеч ном каскаде, работающем в классе усиления В без цепочек температурной стабилизации, необходимо подобрать два одинаковых по коэффициентам усиления (3 транзистора. Что касается температурной стабилизации, её сле дует перенести на предоконечный каскад в цепь эмиттера. В промежуточ ном каскаде обязательно предусмотреть температурную цепочку стабили зации в цепи эмиттера.
На рис. 15, 16 представлены блок-схема усилителя и его принципи
альная электрическая схема. |
|
|
|
||
Источник |
Входной |
Промежу- |
Предоко- |
Оконеч- |
«►Нагрузка |
- ТОЧНЫЙ |
1 |
ный |
|||
сигнала |
каскад |
каскад |
> нечный *> |
||
каскад |
каскад |
|
|||
|
|
|
|||
Рис. 15. Блок-схема проектируемого УНЧ
>л
Рис. 16. Принципиальная электрическая схема проектируемого УНЧ
РАСЧЁТ ДВУХТАКТНОГО ОКОНЕЧНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ В РЕЖИМЕ В
Расчёт производится по схеме оконечного каскада на транзисторах П4АЭ (см. рис. 16) и следующим исходным данным: Р н = 30 Вт, FH= 75 Гц, FB= 7500 Гц, Мн = 3 дБ, Мв= 6 дБ, Кт=1 %, R„ - 9 Ом. Рабочий диапазон температур Тс= (-40... +40) °С.
1. По справочнику [7] выбираем транзистор П4АЭ с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе с теплоотводом при температуре кор пуса ДО 40 °С Рктпшх= 20 Вт.
Использование данного транзистора в двухтактной схеме с выход ным и согласующим трансформаторами позволит развить колебательную мощность в нагрузке, равную 30 Вт.
2. Параметры выбранного транзистора следующие:
граничная частота усиления/ф = 150 к Гц;
наибольшее напряжение на коллекторе в схеме с ОЭ £/к шах= 50 В; наибольший ток коллектора /к тах = 5 А;
а> 0,83 - коэффициент передачи тока в схеме с ОБ;
Р> 5 - коэффициент передачи тока;
наибольший обратный ток коллектора /кбо= 0,5 мА.
3.На этапе эскизного проектирования построены (см. рис. 13, а):
-допустимая кривая мощности в семействе выходных характери
стик транзистора П4АЭ при Т - 40 °С;
-линия нагрузки аб',
-выбрана рабочая точка и показаны входные и выходные амплиту ды токов и напряжений на входных и выходных характеристиках транзи стора;
получены:
колебательная мощность, отдаваемая транзистором в нагрузку
Рвых~= 32,296 Вт;
входная мощность оконечного каскада F BX~= 0,275 Вт;
Кр ок = 117,44 - коэффициент усиления мощности оконечного каска да без учёта КПД трансформатора;
Ек= 20,5 В - величина ЭДС источника питания усилителя. В рабочей точке определены /рт = 0 и £/рх = 20,5 В.
4. Определяем оптимальное нагрузочное сопротивление между кон цами первичной обмотки выходного трансформатора:
R . |
_ 4 (^выкт— Uoст) _ 4 (20,5 1,0) _ 23^544 О м . |
|
3,3125 |
||
|
5. Определяем потребляемую оконечным каскадом мощность б учёта потерь в трансформаторе:
0 |
= 2Е 7вь.хт + Vri71 |
0 = 2 .2 0 ,5 ^ - = 43,0 Вт |
л |
3,14 |
6. Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторах.
К = Ро - Р, = 43,0 - 32,29^ = 11,48Вт,
следовательно, на один транзистор приходится
р> 1 1 д о
р=ijL = ii2Z£ = 5,74В т<20В т.
к 2 2
7 По входной динамической характеристике определяем амплиту возбуждающего напряжения (иъхт) и тока (/вх ,„), а также среднее за пери од входное сопротивление каскада переменному току (см. рис. 13, б):
R |
U |
1225 |
= д!^вхт = 4 i2±f£ = 1o 9 0 M . |
||
|
/ |
0 45 |
|
1вх т |
|
8. Выбираем оптимальное сопротивление источника входного сигна ла для одного плеча каскада от предварительно найденного значения по
формуле |
Rc =Явх /4 |
Линейность проходной динамической характеристи |
|
ки обеспечивается при сопротивлении 2 Ома. |
|||
9. |
По расчетным координатам в точках 0, 1,2, 3, 4, р.т, тока коллек |
||
тора /к и сигнала |
Яс строим проходную динамическую характеристику |
||
(рис. 17): |
|
|
Ас= / (Яс), я с = IQRC+ UQ3 , |
|
|
|
|
|
Яса= 0,45 |
2 + 1,225 = 2,125 В ,/и = 3,3125 А; |
|
|
ЯС| = 0,3 -2 + 1,023 = 1,623 В, /к1 = 2,6625 А; |
||
|
Яс2= 0,2 |
2 + 0,8722 = 1,2722 В, / к2 = 2,0312 А; |
|
|
Яс3 = 0,1 |
2 + 0,6833 = 0,8833 В, 7 ^= 1,2075 А, |
|
|
Яс4= 0,05 • 2 + 0,5294 = 0,6294 В, / к4= 0,52 А; |
||
|
|
Яср.т = 0 -2 + 0 = 0 В ,/Кр.т = 0 А. |
|
Рис. 17. Проходная динамическая характеристика/к =fiE,с) транзистора П4АЭ в режиме В с р.т и в режиме АВ с р.т'
10. |
На проходной характеристике определяем положение рабоч |
||||||
точки и амплитуду ЭДС возбуждающего сигнала Ес т. |
|||||||
|
Ес т = Есmax- Есmin = 2,125 - 0 = 2,125 В; |
||||||
|
|
|
Ьср Т = Ьс min—0 В, |
/р т —0 А. |
|||
11. |
Методом пяти ординат определяем составляющие коллекторн |
||||||
тока и коэффициент нелинейных искажений Кг (см. рис. 17): |
|||||||
|
|
/кш ах=/а-/р.т=3,3 1 2 5 -0 = 3,3125 А; |
|||||
|
|
|
/к1 = /1 - /р.т = |
- |
0 = 1.9 А. |
||
Задаёмся коэффициентом асимметрии е = 0,05, тогда |
|||||||
|
/ , , , = f ( ^ „ + W = f w |
+ W |
= 3.475A^ |
||||
|
|
/ |
= !km ax = М |
1 ^ = 0,828А; |
|||
|
|
|
ml |
2 |
2 |
|
|
|
/ |
|
/ K m ax -^ Kl = M |
l j - ^ ^ - Q |
]1625 А: |
||
|
/m3 - |
|
з |
3 |
|
|
|
Ы г + Ъ + Ъ |
|
Vo,Q8282 + 0.16252 + 0,0357^ |
A", |
" |
100% = 5,35%. |
Л», |
3,475 |
12. Уточняем колебательную мощность, отдаваемую каскадом в на грузку:
Рн = - /^ Л Л т = - • 3,4752 • 23,544 • 0,94 = 33,4 Вт.
88
13.Определяем мощность, развиваемую транзистором предоконеч ного каскада:
р = Ecmhv = 2>12Ё;°>45 = 0>478 Вт>
г д е / Q тах / Вхш 7 б тах /б min 4 5 0 0 4 5 0 м А .
14. Определяем полный коэффициент усиления по мощности:
|
р |
33 4 |
К = £ н = |
= 6 9 ,8 7 . |
|
' |
Р с |
0 ,4 7 8 |
15. Определяем коэффициент трансформации выходного трансфор матора:
п = Яij___ |
= 0,637 |
'RK-r|T |
V23,544-0,94 |
16. Определяем сопротивление обмоток выходного трансформатора:
|
R |
9 3 S 44 |
г, < - ^ ( 1 |
- Лт) = ± ± £ Z I(1 _ 0,94) = 0,75 Ом; |
|
1 |
2цт |
т 2-0,94V |
r2 < |
(1 - Лт) = — — (1 - 0,94) = 0,287 Ом. |
|
|
2Лт |
2-0,94 |
17. Определяем индуктивность первичной обмотки:
^ |
Ян +г2 |
9 + 0,287 |
Ц> |
|
= 0,028 Гн. |
|
2KFHH2/ M 2 -1 |
2-3,14-75-0,6372л/2 2 -1 |
18. Определяем частотные искажения в области верхних частот, вн симые транзистором:
F |
7500 |
1 В |
|
м ъх = wl + -V fo-J = |
l + V750' 10 J = 1 0 4 2 |
( 1 - a ) 2 |
(l-0,83)2 |
19. Определяем частотные искажения Мв2, приходящиеся на долю трансформатора^
М4
Мв2 = — s- = —— = 3,838. Мв1 1,042
20.Определяем допустимую индуктивность рассеяния:
^(*„ых + Дк)У^в2 -1 = (200 + 23,544)д/3,8382 - 7 = Q 0175 Гн.
2яД, |
2-3,14-7500 |
21. Определяем падение напряжения на первичной обмотке тра форматора:
п |
- 1 |
т |
1 |
3,3-0,75 = 0,394 В. |
^тО |
Л |
■'Кшахг1 ~ /, |
. . . |
|
|
2л |
2-3,14 |
|
|
22. Уточняем напряжение источника питания:
Е'к =EK+UTO=20,5 + 0,394 = 20,894 В.
23. Уточняем потребляемую мощность:
V |
о г ' |
шах |
.т(гс |
0 , |
|
3,3 + 0 |
|
|
0 |
= |
4 3 9 Вт. |
||||||
р , |
= 2 £ , |
|
^р |
, = 2 2 |
||||
0 |
к |
|
л |
|
|
3,14 |
|
24. Определяем КПД оконечного каскада:
Т1 = ^ • 100% = — -100% = 76 %. Ро 43,9
РАСЧЁТ ОДНОТАКТНОГО ПРЕДОКОНЕЧНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА В РЕЖ ИМ Е А
Схема усилителя представлена на рис. 16.
1.По справочнику [7] выбираем транзистор П212А с допустим
мощностью рассеяния на коллекторе без теплоотвода при +60 °С, Рк шах =
=0,75 Вт.
Взадании на проектирование максимальная температура среды со
ставляет 40 °С, а входная расчётная мощность оконечного каскада равна
0,275 Вт, поэтому выбранный транзистор проходит по допустимой мощно сти рассеяния на коллекторе. При этом запас по допустимой мощности рассеяния на коллекторе позволяет использовать выбранный транзистор в режиме А. Схема включения транзистора с ОБ обоснована в эскизном
расчёте.
2. Параметры выбранного транзистора следующие: граничная частота усиления/гр = 1 МГц; наибольшее напряжение коллектора С/к тах~ 70 В; наибольший ток коллектора /к т ах= 0,5 А;
Р= 50-200 - коэффициент передачи тока при Т= 70 °С;
а= 0,980-0,995 - коэффициент передачи тока в схеме с ОБ;
наибольший обратный ток эмиттера /коэ= 50 мкА.
3.На этапе эскизного проектирования построены (см. рис. 14, а):
-допустимая кривая мощности в семействе выходных статических
характеристик транзистора П212А при Тс = 40 °С; - линия нагрузки аб;
выбрана рабочая точка, показаны входные и выходные амплитуды токов и напряжений на входных и выходных характеристиках транзистора;
получены:
-колебательная мощность предоконечного каскада Рн= 0,447 Вт;
-входная мощность предоконечного каскада Рвх - 0,0022 Вт;
- коэффициент усиления мощности предоконечного каскада
Ар пок= 203,2;
-коллекторное напряжение источника питания Ек = 18,5 В.
Врабочей точке определены /рт = 0,06 A, Up7 = 18,5 В.
4.Определяем оптимальное нагрузочное сопротивление в цепи кол лектора между концами первичной обмотки промежуточного трансформа тора:
=2 и вых/ 2/вых = 32,5/0,11 = 295,5 Ом.
5.Потребляемая каскадом мощность без учёта цепей стабилизации
Л>= £ к / к Р.т= 18,5-0,06= 1,11 Вт < 1,36 Вт.
6. |
Определяем |
среднее за период входное сопротивление каска |
|
переменному току: |
|
|
|
|
D |
_ 2^Пвх m |
0,16 |
|
^VBX~ |
2/ , вх m |
= 1,6 Ом. |
|
|
0,1 |
|
7. Для уменьшения коэффициента гармоник выбираем величину противления источника сигнала для предоконечного каскада по формуле