2.2. Описание принципиальной схемы усилителя.

Принципиальная схема усилителя звуковой частоты с однотактным трансформаторным выходным каскадом содержит: входной, предварительный и оконечный каскады усиления. Данная схема приведена на рис.2.2. и составлена с учётом предварительного расчёта усилителя.

Входной каскад. Входной каскад усилителя выполнен по схеме с общим коллектором на составных транзисторах. На схеме составные транзисторы заменены одним с коэффициентом передачи базового тока одного из двух транзисторов.

С источника входного сигнала сигнал подается на вход предварительно­го каскада усиления через разделительный конденсатор С1. Основным эле­ментом каскада является биполярный транзистор VT1. В его базовой цепи протекает ток от источника сигнала относительно малой величины, который управляет током эмиттера и током коллектора. Значение дифференциального коэффициента усиления транзистора по току может изменяться для разных типов транзисторов от десятков до сотен единиц. Другим свойством транзистора, обеспечивающим усиление напряжения входного сигнала, является высокое сопротивление его коллекторного перехода. Транзистор можно представить как управляемое входным сигналом

Рис.2.2. Принципиальная схема УЗЧ с однотактным трансформаторным выходным каскадом.

линейное эквивалентное сопротивление Rэ относительно выводов коллектор-эмиттер. Образованный делитель напряже­ния питания Ек из сопротивлений Rэ и Rн обеспечивает изменение напряже­ния на коллекторе.

В режиме работы каскада по постоянному току можно выделить ряд особенностей. Этот режим характеризуется постоянными значениями токов и напря­жений в цепях коллектора, эмиттера и базы транзистора, которые создаются источником питания. Режим работы каскада по постоянному току следует вы­бирать таким образом, чтобы усиление сигнала выполнялось без искажений. В частности, необходимо получить минимальный коэффициент нелинейных ис­кажений сигнала на выходе при заданном его динамическом диапазоне. Дан­ный коэффициент отображает присутствие дополнительных гармонических составляющих в выходном сигнале, когда на каскад подается синусоидальный сигнал. Появление дополнительных гармоник обусловлено наличием в вольтамперных характеристиках транзистора нелинейных участков. Неискаженный режим работы с максимальным динамическим диапазоном можно получить только в том случае, если точка покоя выбрана в центре линейной области входных и выходных характеристик транзистора.

Включение в эмиттерную цепь резистора R3 создает отрицательную об­ратную связь по постоянному току, которая стабилизирует ток по указанной цепи, а, следовательно, положение точки покоя при различных возмущающих воздействиях. Принцип действия ООС состоит в следующем. С ростом эмиттерного тока возрастает падение напряжения на ре­зисторе R3, это приводит к увеличению потенциала эмиттера относительно общей точки при неизменном потенциале базы, заданным резистивным дели­телем напряжения на резисторах R1 и R2, в результате уменьшается разность потенциалов база-эмиттер, что препятствует возрастанию базового и эмиттерного токов. С увеличением R3 возрастает эффективность действия ООС и по­вышается стабильность работы каскада, однако увеличиваются потери энер­гии в схеме. При этом для сохранения заданного динамического диапазона выходного сигнала требуется увеличение напряжения источника питания.

Предварительный каскад. Предварительный каскад выполнен на транзисторе VT2 по схеме с ОЭ. Усилительный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером (ОЭ) широко применяется для усиления электрических сигналов по току, напряжению и мощности. В нем эмиттерный вывод транзистора является общим в це­пи переменного тока для входного и выходного сигналов

Основным элементом каскада является биполярный транзистор. В его базовой цепи протекает ток от источника сигнала относительно малой вели­чины, который управляет в β раз большим током коллектора и в (1+ β) раз большим током эмиттера, где β дифференциальный коэффициент усиления транзистора по току. Значение β может изменяться для разных типов тран­зисторов от десятков до сотен.

Другим свойством транзистора является высокое сопротивление его коллекторного перехода. Поэтому в схеме замещения усилительного каскада коллекторная цепь транзистора отображается управляемым источником за­данного тока.

Рассмотрим работу каскада в режиме постоянного тока. Этот режим характеризуется постоянными значениями токов и напряжений в це­пях коллектора, эмиттера и базы транзистора, которые создаются источником питания Ек. Режим работы каскада по постоянному току следует выби­рать таким образом, чтобы усиление сигнала выполнялось без искажений. В частности, необходимо получить минимальный коэффициент нелинейных искажений Ксигнала на выходе при заданном его динамическом диапазо­не. Данный коэффициент отображает присутствие дополнительных гармо­нических составляющих в выходном сигнале, когда на вход каскада подает­ся синусоидальный сигнал.

= ∙100%

где U₂, U₃...U_n - дополнительные гармоники выходного напряжения, отсутствующие на входе; U₁ -первая гармоника выходного сигнала.

Появление дополнительных гармоник обусловлено наличием в вольтамперных характеристиках транзистора нелинейных участков. Неискажен­ный режим работы с максимальным динамическим диапазоном можно полу­чить только в том случае, если точка покоя П выбрана, как показано на рис.2.2.1, в центре линейной области входных и выходных характеристик транзистора.

а) б)

Рис. 2.3. Графическое построение режима покоя, токов и напряжений сигнала для каскада ОЭ на выходных (а) и входных (б) характеристиках транзистора

Для выполнения построений на выходных характеристиках (рис. 1.3а) проводят через точку П линию нагрузки каскада по постоянному току (а – б) с учетом заданного напряжения питания . Наклон этой линии к оси абсцисс описывается уравнением баланса напряжений в выходной цепи каскада по постоянному току:

,

где и – напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора в точке покоя; – дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока, его величина обычно находится в пределах 0,9  0,99. Коэффициенты передачи  и  связаны соотношением  =  / (1 –  ).

На выходных характеристиках точка "а" соответствует режиму холодного хода, когда , а точка "б" отображает режим короткого замыкания = 0, при котором:

.

Пересечение линии нагрузки (а – б) с выходной характеристикой в точке П соответствует базовому току , что позволяет определить положение точки покоя на входной характеристике транзистора, рис. 2.3.

Включение в эмиттерную цепь резистора R7 создает отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току, которая стабилизирует положение точки покоя при различных возмущающих воздействиях, обусловленных: колебаниями температуры окружающей среды; нестабильностью напряжения источника питания; изменениями параметров элементов схемы. С увеличением возрастает эффективность действия ООС и повышается стабильность работы каскада, однако, увеличиваются потери энергии в схеме. Для сохранения заданного динамического диапазона выходного сигнала требуется увеличение напряжения . С целью уменьшения потерь энергии и повышения КПД в мощных усилительных каскадах применяют термокомпенсационный способ стабилизации рабочей точки.

Оконечный каскад. Оконечный каскад усилителя аналогичен предварительному, выполнен он по однотактной схеме с транс­форматорным выходом. Включение транзистора выполнено по схе­ме с ОЭ. Выбор этой схемы обусловлен тем, что сопротивление нагрузки относительно мало и составляет 15 Ом. Благодаря трансформаторному каскаду достигается макси­мальный КПД каскада при допустимых нелинейных искажениях. Однако снижается КПД усилителя, поскольку малогабаритные недорогие трансфор­маторы имеют сравнительно малый КПД. Для сглаживания пульсаций напряжения источника питания на базе транзистора применяется низкочастотный фильтр на элементах С5, R10.Конденсатор С6 используется для шунтирования резистора R11 .