Исходными данными для расчета однотактного каскада мощного усилителя на транзисторе в режиме класса А являются выходная мощность, полоса воспроизводимых частот при допустимых коэффициентах нелинейных и частотных искажений, сопротивление источника входного сигнала (выходное сопротивление предыдущего каскада) и сопротивление нагрузки.
В качестве примера рассмотрим порядок расчета усилительного каскада с общим эмиттером, обладающего большим усилением по мощности.
Если предполагается использовать выходной трансформатор, то, задавшись к. п. д. выходного трансформатора, следует определить выходную мощность коллекторной цепи по формуле
где ηтр — к. п. д. выходного трансформатора, который, в зависимости от мощности, равен 0,75—0,97.
По полученной величине Рк выбирают транзистор с тем условием, чтобы
где Ртр.вых — выходная мощность, которую транзистор может отдать нагрузке, указывается в справочниках. При выборе типа транзистора следует учитывать указываемые в справочниках значения коэффициента нелинейных искажений. Если его величина окажется больше заданной, то транзистор следует выбирать с большим запасом по мощности.
Напряжение источника питания должно быть не более половины допустимого напряжения на коллекторе. Напряжение на коллекторе в режиме покоя Uк.п будет меньше, чем напряжение Е источника питания на величину падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки выходного трансформатора, не превышающего 0,5—1,0 в.
Задавшись к.п.д. коллекторной цепи усилителя 0,4— 0,45, можно определить ток коллектора в режиме покоя:
 |
На рис. 186 приведены семейства статических характеристик транзистора П-202, с помощью которых далее поясняется порядок расчета усилителя. Рис. 186. Характеристики транзистора П-202: а — выходные; б — входные. |
Через точку покоя А, определяемую Iк.п и Uк.п, и точку на оси абсцисс выходных характеристик, соответствующую напряжению 2Е, проводим нагрузочную характеристику (рис. 186, а). Точке покоя А соответствует ток покоя базы Iб.п. Амплитуда тока базы Imб должна быть несколько меньше тока Iб.п. Рабочий участок динамической характеристики ВС определяется точками пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками, соответствующими токам базы Iб.п± Imб. В выбранном режиме транзистор должен отдать мощность
Мощность, определяемая источником питания,
P0=EIк.п ≤ Pк.доп
Для определения нелинейных искажений обычно строят сквозную характеристику, представляющую собой зависимость тока коллектора от э. д. с. входного сигнала. Для установления этой зависимости сначала строят входную динамическую характеристику (рис. 186, б) по точкам BDAFC нагрузочной прямой. Для каждой точки определяют напряжение Uб и рассчитывают э. д. с. источника сигнала по формуле
Ес = Uб + IбRс
где Rс — сопротивление источника входного сигнала.
Построив сквозную характеристику (зависимость тока коллектора от напряжения источника Eс), можно спроектировать крайние точки этой характеристики на ось Ес. Разделив полученный отрезок пополам, находят на этой оси точку K, которая определяет истинное положение точки покоя А и относящиеся к ней ток покоя коллектора I'к.п, напряжение смещения базы U'б и ток базы I'б. Найдя значения токов Iк1 и Iк2, соответствующие половине амплитуды входного сигнала, рассчитывают по методу пяти координат гармонические составляющие тока коллектора и определяют коэффициент нелинейных искажений
Полученный коэффициент нелинейных искажений должен быть не больше заданного.
Входная мощность, необходимая для раскачки каскада,
гдеImвх и Umвх — амплитуды тока и напряжения на входе.
Амплитудой входного тока мы уже задались раньше, а величину Umвх следует определить по крайним точкам В и С входной характеристики:
Коэффициент усиления по мощности
Входное сопротивление каскада
Сопротивление нагрузки, пересчитанное в первичную цепь выходного трансформатора,
Если известно сопротивление нагрузки Rн, то коэффициент трансформации выходного трансформатора
Из предварительного расчета выходного трансформатора известны его индуктивность первичной обмотки L1 и индуктивность рассеяния Ls. Тогда коэффициент частотных искажений в области нижних частот определяется по формуле
а коэффициент частотных искажений в области верхних частот — по формуле
В каскадах, работающих в режиме класса А, можно применять смещение фиксированным током базы:
Исходные данные для расчета двухтактного усилителя мощности низкой частоты на транзисторах остаются теми же, что и для однотактного усилителя.
Выбрав схему включения транзисторов и задавшись к. п. д. выходного транзистора, определяют мощность, которую должен обеспечить выходной каскад:
Транзистор следует выбирать из условия
Напряжение источника питания в режиме В выбирают по возможности более высоким, так как при этом снижаются входная мощность и коэффициент нелинейных искажений. Однако напряжение источника питания не может составлять более 0,4—0,45 максимально допустимого напряжения между выходными электродами транзистора.
Максимальная амплитуда напряжения сигнала на выходе определяется разностью между напряжением источника питания Е и падением напряжения ΔU, которое является суммой падения напряжения на первичной обмотке трансформатора и остаточного напряжения на коллекторе. Чем меньше ΔU, тем больше нелинейные искажения, поэтому ΔU не должно превышать 0,1÷0,2Е. Максимальная амплитуда выходного тока сигнала (в нашем случае тока коллектора) может быть рассчитана по формуле
где Iк — наибольший допустимый ток коллектора, приводимый в справочниках. Мощность, потребляемая каждым транзистором от источника питания,
Коэффициент полезного действия, мощность, рассеиваемая на коллекторе, и сопротивление нагрузки переменному току определяются обычными соотношениями. Нагрузочную прямую можно построить по двум точкам:
Iк = 0 при Uк = E
и
Так же, как и при расчете усилителя мощности однотактного, путем последовательного переноса точек нагрузочной прямой нужно построить входную динамическую характеристику, по которой определить начальное смещение на входном электроде, необходимое для устранения нелинейных искажений в области малых входных сигналов. Крутизна рабочего участка входной характеристики может изменяться не более чем в 2 раза.
Зная коэффициент усиления по току (если он не приведен в справочнике, то его можно рассчитать по первичным параметрам транзистора или задаться им ориентировочно), следует определить амплитуду тока входного сигнала для схемы с общей базой:
а для схемы с общим эмиттером:
Входное сопротивление переменному току сигнала определяется по формуле
где Umвх — амплитуда напряжения
сигнала, которую определяют по входной характеристике, учитывая
величину Imвх и напряжение смещения на входном электроде
Ес.
Мощность входного сигнала рассчитывают по формуле
Оценку работы двухтактного усилителя мощности на транзисторах, с точки зрения вносимых нелинейных искажений, производят так же, как и в однотактном усилителе мощности методом пяти координат, с той лишь разницей, что в расчетные формулы вводят коэффициент асимметрии А. По сквозной характеристике предварительно определяют значения токов I'макс, I'п, и тока I'1, соответствующего половине амплитуды входного сигнала. Далее рассчитывают Iмакс, I1, I0, Iмин с учетом разброса параметров усилительных элементов схемы:
Iмакс=(1 +A)I'макс; I1 =
(1+А)I'1;
I0 = 2АI'0; I2 =
-(1-А)I'1;
Iмин = -(1-А)I'макс.
Величина коэффициента асимметрии А определяется схемой включения транзисторов и сопротивлением источника сигнала. Так, при схеме включения с общей базой и при сопротивлениях источника сигнала, значительно превышающих входное сопротивление транзистора, коэффициент асимметрии составляет сотые доли единицы. По мере снижения сопротивления источника сигнала величина коэффициента А возрастает и может доходить до 0,2—0,3. При включении транзисторов по схеме с общим эмиттером следует подбирать транзисторы по значению β. Если у транзисторов эти значения отличаются более чем 1,3—1,5 раза, то коэффициент асимметрии А не превышает 0,15—0,2.
Коэффициент трансформации выходного трансформатора
где Rк — сопротивление нагрузки переменному току коллектора.
Индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора
где r2 — сопротивление вторичной обмотки выходного трансформатора. Элементы схемы, обеспечивающие выбранный режим работы транзистора и его стабильность, рассчитываются по формулам, приведенным ранее.
