5.1.2. Расчет балансного каскада упт

Проектирование балансной схемы транзисторного УПТ сводится к расчету двух одинаковых каскадов, каждый из которых представляет собой однотактный усилитель. Рассмотрим возможный порядок расчета УПТ применительно к схеме на рис. 5.1.

Исходные данные: напряжение на входе в режиме покоя U_вх (обычно U_вх = 0); максимальные изменение напряжения входного сигнала U_вх, внутреннее сопротивление источника входного сигнала R_И; выходная мощность Р_вых; сопротивление нагрузки R_Н; напряжение источника питания Е_пит.

а) б)

Рис. 5.2. Определение Y-параметров транзисторов в семействе выходных

(а) и входных (б) характеристик

В результате расчета требуется определить режим работы каскада и данные элементов схемы. Расчет производим в следующем порядке;

1. Выбираем тип транзисторов. Критерием выбора для работы в схемах УПТ является минимальное значение обратного тока коллектора I_КБО, а также выполнение условия

U_КЭmax  Е_пит.

2. Находим коэффициент усиления каскада по напряжению

К = U_вых /U_вх,

где

 U_вых = Р_вых R_Н .

З. В семействе выходных характеристик транзистора (рис.5.2, а) выбираем рабочую точку Р. Для этого принимаем в режиме покоя

U_КЭр = (0,2 . . . 0.3) Е_пит; I_Кр = 0,5 I_Кmax,

где I_Кmax — справочное значение максимально допустимого постоянного тока коллектора для выбранного транзистора.

4. Проверяем правильность выбора рабочей точки. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в режиме покоя Р_Кр не должна превышать максимально допустимой постоянной рассеиваемой мощности выбранного транзистора

Р_Кр = U_КЭр I_Кр  Р_max.

5. В семействе выходных характеристик отмечаем ток базы I_Бр соответствующей той характеристике, на которой расположена рабочая точка Р (рис. 5.2, б). Далее переносим рабочую точку в семейство входных характеристик транзистора (точка Р на рис. 5.2, 6). Эта точка должна быть расположена на кривой, соответствующей коллекторному напряжению U_КЭр (а при отсутствия такой кривой в семействе характеристик — на той из них, которая снята при U_КЭр  0) и току I_Бр. Рабочей точке Р’ соответствует напряжение U_КЭр’.

Одним из возможных методов расчета транзисторных УПТ является расчет с помощью Y-параметров транзисторов Y₁₁, Y₁₂, Y₂₁ и Y₂₂, каждый из которых имеет размер проводимости. В справочниках Y-параметры транзисторов приводятся редко. Поэтому их следует определить графическим путем в семействах входных и выходных характеристик транзистора. При этом надо учитывать соотношения (для схемы с общим эмиттером)

Y_11э = I_Б/U_БЭ при U_КЭ = const;

Y_12э = I_Б/U_КЭ при U_БЭ = const;

Y_21э = I_К/U_БЭ при U_КЭ = const;

Y_22э = I_К/U_КЭ при U_БЭ = const.

Для определения Y_11э воспользуемся характеристическим треугольником АБВ (рис. 5.2, б), построенным вблизи рабочей точки Р’. Из этого треугольника следует

Y_11э = I_Б/U_БЭ = БВ/АБ при U”_КЭ  0 = const;

Параметр Y_12э определяется также по входным характеристик. Для этого при постоянном напряжении U_БЭр = const, соответствующем ра6очей точке Р’, определяем приращение тока базы I_Б при изменении напряжения на коллекторе U_КЭ. Обычно в справочниках приводится лишь две входные характеристики, снятые при U’_КЭ = 0 и U”_КЭ  0. Если этих двух характеристик для определения Y_12э не достаточно, следует провести вспомогательную характеристику (на рис. 5.2, б показана пунктиром), а напряжение U’”_КЭ определить как среднее значение между U’_КЭ = 0 и указанной в справочнике величиной U”_КЭ  0. Таким образом,

Y_12э = I_Б/U_КЭ = Р’Г/  U”_КЭ — U’”_КЭ  при U_БЭ = const.

Для определения параметра Y_21э воспользуемся вначале выходными характеристиками (рис. 5.2, а), на которых вблизи выбранной рабочей точки Р находим приращение тока базы I_Б и соответствующее ему приращение тока I_К при постоянной величине напряжения U_КЭр .

Из рис. 5.2, а видно, что при изменении тока базы от I_Б3 до I_Б4 ток коллектора изменится на I_К (точка М). Для определения соответствующего приращения напряжения на базе обращаемся к входным характеристикам (рис. 5.2, б), и в области точки Р’ для характеристики, снятой при U”_КЭ  0, определяем, какое приращение U_БЭ соответствует приращению тока I_Б = I_Б4 — I_Б3 (предварительно найденному в семействе выходных характеристик). Тогда

Y_21э = I_К/U_БЭ при U”_КЭ  0 = const.

Параметр Y_22э находим аналогично. Для этого по входной характеристике определяются взаимосвязанные приращении I_К и I_Б (при U_БЭр = const), а затем на выходных характеристиках находят соответствующее напряжению U_КЭ приращение тока I_К. Так, например, для рис. 5.2, б изменению напряжения  U”_КЭ — U’”_КЭ  соответствует изменение тока базы, определяемое отрезком Р’Г.

В семействе выходных характер (рис. 5.2, а) отмечаем точку К, соответствующую U’”_КЭ и I_Б5, и некоторую точку, соответствующую напряжению U”_КЭ и току I_Бр (в данном случае точку Р). При переходе от точки Р к точке К (U_КЭ = U_{КЭ р} — U’”_КЭ ) ток коллектора меняется от I_Кр до I’_К (I_К = I’_К — I_Кр). Следовательно,

Y_22э = I_К/U_КЭ = (I’_К — I_Кр)/ (U_{КЭ р} — U’”_КЭ ) при U_БЭ = U_{БЭ р} =const.

6. После определения Y-параметров транзистора проверяем правильность выбора транзистора из условия

К < Y_21э /( Y_22э + 2/ R_Н ),

где R_Н = R₄ (рис. 5.1).

Если условие не выполняется, то необходимо выбрать другой транзистор и повторить все предыдущие пункты расчета или уменьшить знаданное значение коэффициента усиления K.

7. Находим величину сопротивлений резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов (R₃ = R₇ на рис. 5.1) по формуле

R_К = R₃ = R₇ = K R_Н / [Y_21э R_Н — K( Y_22э R_Н + 2)],

где R_Н = R₄ (рис. 5.1).

Мощность, рассеиваемая на резисторах R₃ = R₇ , равна

Р_Rк = I_Кр² R_К.

Выбираем стандартное значение сопротивлений резисторов R₃ = R₇ из табл.2.1.

8. Определяем ток, проходящий через резистор R₆,

I_R6 = 2 (I_Кр + I_Бр ).

9. Находим величину сопротивления резистора R₆ по формуле

R₆ = (Е_пит — U_КЭр — I_Кр R_К ) /I_R6.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R₆ равна

Р_R6 = I_R6² R₆.

Находим стандартный тип резистора R₆.

10. Определяем сопротивление переменного резистора по формуле

R₅ = 0,05 R₆.

11. Находим величины сопротивлений резисторов делителей напряжения R_д1 = R₁ = R₈ и R_д2 = R₂ = R₉. Делитель напряжения, составленный из этих резисторов, обеспечивает устойчивость рабочих точек транзисторов по базовым цепям. Поэтому токи делителей быть больше токов баз примерно в 5 раз. Тогда

I_Rд2 = 5 I_Бр ;

I_Rд1 = 6 I_Бр.

Величину сопротивления R_д1 = R₁ = R₈ находим по формуле

R_д1 = R₁ = R₈ = (Е_пит — U_БЭр — I_R6 R₆ ) / I_Rд1.

Мощность, рассеиваемая на резисторах R_д1 равна

Р_Rд1 = I_Rд1² R_д1.

Находим R_д2 = R₂ = R₉

R_д2 = R₂ = R₉ = (U_БЭр — I_R6 R₆ ) / I_Rд2.

Мощность

Р_Rд2 = I_Rд2² R_д2.

Выбираем стандартные резисторы R₁ , R₂ , R₈ , R₉ (табл. 2.1).

12. Находим входное сопротивление каскада R’_вх без учета влияния сопротивлений делителя

R’_вх = 2 (Y₂₂ R_К R_Н + 2 R_К + R_Н )/[( Y₂₁ Y₂₂— Y₁₂ Y₂₁ ) R_К R_Н + Y₁₁ (2R_К —R_Н)],

где R_К = R₃ = R₇ , R_Н = R₄ (рис. 5.1).

13. Определяем общее сопротивление R_д.общ делителей между базами транзисторов

R_д.общ = 2 R_д1 R_д2 /( R_д1 + R_д2 ),

где R_д1 = R₁ = R₈ , R_д2 = R₂ = R₉.

14. Находим результирующее входное сопротивление каскада R_вх. Сопротивления R’_вх и R_д.общ включены параллельно. Поэтому

R_вх = R’_вх R_д.общ (R’_вх + R_д.общ ).

Полученное значение R_вх должно быть больше или одного порядка с заданным внутренним сопротивлением R_Н источника входного сигнала. В этом случае можно обойтись без дополнительного согласования источника входного сигнала с входным сопротивлением усилителя.