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 Р_Kmzx 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 U_max; значение .U_max 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_~,

, (2.5.1)

где — коэффициент использования тока покоя, обычно лежит в пределах (1—0,95); U_{вых m} — амплитуда напряжения сигнала на первичной обмотке выходного трансформатора, равная разности напряжения покоя U₀ между выходными электродами и остаточно­го напряжения U_ост (рис. 2.5.5а). На семействе выходных характе­ристик отмечают точку покоя и про­водят через нее нагрузочную прямую переменного тока для сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току:

R_~= _~. (2.5.2)

Наклон нагрузочной, прямой здесь определяется отрезками U и I, отсекаемыми ею на осях координат (см. рис. 2.5.3а): 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:

. (2.5.3)

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 U_0вх и удвоенную амплитуду напряжения входного сигнала 2U_{вх m} (рис. 2.6.3 6):

(2.5.4)

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

; (2.5.5)

Рис. 2.5.3. Нагрузочная прямая транзисторного каскада мощного усиления, работаю­щего в режиме А (а) и входная характеристика с перенесенными крайними точками нагрузочной прямой каскада П' и К' (б)

Формула (2.5.5) относится к включению с общим эмиттером; при включении с общей базой h_{21э min} заменяют на h_{21б min} .

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

; (2.5.6)

Затем строят сквозную динамическую характеристику для R_ист, 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 П_рад.

Необходимое напряжение источника питания выходной цепи трансформаторного каскада, как видно из рис. 2.6.2 в, равно сумме U₀, падения напряжения на резисторе змиттерной стабилизации и падения напряжения на омическом сопротивлении первичной об­мотки выходного трансформатора:

, (2.5.7)

где .

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.

2.5.3. Расчет двухтактного транзисторного каскада
мощного усиления в режиме В

Расчет каскада начинают с. определения мощности сигнала Р_~=Р_H/' _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) U_вых.max во избежание пробоя транзисторов; здесь U_выхmax — 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

R_{~п ,} (2.5.8)

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

При включении с общей базой U_ост 0 и U_выхm можно считать равным напряжению питания коллекторной цепи U₀; при включе­нии с общим эмиттером и общим коллектором U_выхm меньше напряжения питания выходной цепи на величину остаточного на­пряжения питания выходной цепи U_ост, 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. 2.5.4а). При включении с общей базой верхним положением рабочей точки, определяющим максимальное значение выходного тока I_max, является пересечение нагрузочной прямой с вертикаль­ной осью семейства выходных характеристик, в этом случае I_max=U₀/ R_~п. При включении с общим эмиттером или общим коллектором верхним положением рабочей точки является пересечение нагрузочной прямой с линией отсечки ОK (рис. 2.5.4а). 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 U_0вх от делителя с малым со­противлением. Величину смещения берут такой, чтобы ток покоя выходной цепи транзистора I₀, в отсутствие сигнала составлял (0.05-0.1)I_max. 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 U_0вх, U_вхт, как и в режиме А, нахо­дят по входной статической характеристике (рис 6.46). Далее по точкам на входной и выходной характеристиках строят обычным образом сквозную динамическую характеристику отмечают на ней точку, соответствующую половине амплитуде ЭДС, находят

Рис. 2.5.4. К расчету двухтактного трансформаторного каскада мощного усиления на транзисторах в режиме В; а — построение нагрузочной прямой; б - входная характеристика транзистора

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 R_Д2 делителя, задающего смещение на вход каскада, рассчитывают, беря постоянную составляющую тока I_дел в этом резисторе в отсутствие сигнала порядка (0,5—2) I_бmax.

_, (2.5.9)

где I_бmax — максимальное значение тока базы за период при мак­симальном (расчетном сигнале, сопротивление резистора R_д1 дели­теля находят исходя из падения напряжения на нем и постоянной составляющей тока, протекающего через этот резистор в отсутст­вие сигнала:

(2.5.10)

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

; , (2.5.11)

где I_вхm определяется для наихудшего транзистора.

Требуемое напряжение источника питания Е для каскада мощ­ного усиления в режиме В определяется выражением:

, (2.5.12)

так как произведение I’₀r_1п 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%.