6) Места включения регулировок определяют, исходя из следующих соображений:

Регулятор усиления (РУ), как правило, ставится на входе усилителя. Однако если Е_г≤1...3 мВ, то для снижения шумов и помех, вносимых регулятором, его ставят после первого каскада усиления напряжения.

Пассивный регулятор тембра (РТ) чувствителен к изменению сопротивления внешних цепей, поэтому от регулятора усиления его необходимо отделять как минимум одним каскадом. Входное сопротивление следующего за РТ каскада должно быть достаточно большим. Наилучшим решением при высоких требованиях к усилителю является применение здесь повторителя напряжения или каскада на полевом транзисторе.

Изобразим структурную схему разрабатываемого УСЗЧ с числом каскадов n=4 (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Схема электрическая структурная разрабатываемого УСЗЧ

2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

2.1 Выбор схемы усилителя мощности

На практике наибольшее распространение получили две типовые схемы построения усилителя мощности. Схема, представленная на рисунке 2.1, используется в стационарной аппаратуре 1-й, а с некоторыми нюансами - и высшей группы сложности.

Рисунок 2.1 – Схема электрическая принципиальная усилителя мощности

В аппаратуре 1-й и 0-й групп сложности допустимо использование двуполярного питания. Это дает возможность подключить нагрузку непосредственно к выходу оконечного каскада, и, что особенно важно, обеспечить нулевое постоянное напряжение на нагрузке.

На транзисторах VT1 и VT2 собран так называемый дифференциальный каскад (ДК). У него два входа: левый по схеме - инвертирующий, правый - неинвертирующий. Резистором R3 устанавливается ток покоя.

R2 - нагрузка VT1 по постоянному току.

R1 обеспечивает привязку базы VT1 к нулевому потенциалу.

C2 - параллельная по напряжению частотно-зависимая местная ООС, служащая для обеспечения устойчивости схемы.

Эта схема имеет ряд важных преимуществ:

1) высокая температурная стабильность, обеспечивающая поддержание нулевого потенциала в точке "О" (на сопротивлении R_н) с высокой точностью; это достоинство определяется уникальными свойствами дифференциального каскада;

2) в схеме можно получить большее усиление в петле ООС, так как в ДК отсутствует местная ООС.

В аппаратах высшего класса вместо цепочки следящей положительной ОС (R6, R7, C3) используют отражатель тока на транзисторе, а для повышения температурной стабильности и подавления синфазных помех вместо R3 можно применить генератор стабильного тока (ГСТ).

2.2 Выбор цепи термостабилизации

На схеме, изображённой на рисунке 2.1, цепь термостабилизации была условно обозначена как R_t. Данная цепь предназначена для создания начального смещения на базах транзисторов выходного каскада. В процессе нагрева их параметры существенно изменяются, что влечет за собой изменение режимов и нарушение работы всей схемы. Цепь R_t в зависимости от температурного режима изменяет напряжение смещения так, чтобы компенсировать изменение параметров транзисторов.

В качестве R_t можно поставить реальный терморезистор, зашунтировав его обычным сопротивлением для снижения его температурной чувствительности (сопротивление терморезистора изменяется с изменением температуры значительно быстрее, чем параметры транзисторов). Однако на практике этот метод используется крайне редко из-за сложности настройки такой схемы.

Выберем термостабилизационную схему, собранную на транзисторе (см. рисунок 2.2). Выбор обусловлен тем, что данная схема обеспечивает лучшую термостабилизацию, по сравнению со схемой, собранной на диодах, и предназначена для работы в высококачественных усилителях первой и высшей группы сложности.

Рисунок 2.2 – Схема электрическая принципиальная цепи термостабилизации

Данная схема применяется в носимой и бортовой аппаратуре. Диапазон рабочих температур -20...+50 ⁰С. Напряжение смещения определяется здесь следующим выражением:

(2.1)

где U_{0 бэ} – постоянное напряжение на переходе эмиттер-база транзистора.

Ток через делитель R_бт – R_б выбирается согласно следующему соотношению:

(2.2)

Транзистор VT также крепится на радиаторе оконечного каскада.

2.3 Расчёт оконечного каскада

Произведём расчёт оконечного каскада по следующей методике:

1) Определяем амплитуду напряжения и тока на нагрузке:

(2.3)

(2.4)

Произведём расчёт:

2) Определяем напряжения источника питания:

(2.5)

где U_ост = 1...3 В – остаточное напряжение на полностью открытом транзисторе выходного каскада при Р=1...10 Вт. Но всегда U_ост>0,4...0,7 В.

Произведём расчёт:

E₀ должно иметь запас 10...15 %, т.е.:

(2.6)

Произведём расчёт:

Выберем E₀ из стандартного ряда Е24 – 51 В. Таким образом напряжение питания для УСЗЧ будет составлять 51,00±2,55 В.

При данных условиях можно реализовать усилитель по бестрансформаторной схеме, так как максимальная мощность обычного двухтактного каскада больше мощности указанной в техническом задании.

(2.7)

3) Определяем максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторах выходных транзисторов:

(2.8)

Произведём расчёт:

4) Определяем желаемый коэффициент усиления по току h₂₁ для выходных транзисторов:

(2.9)

где P_п = 10...20 мВт – выходная мощность предоконечного каскада, работающего в режиме А.

Произведём расчёт:

5) Выбираем транзисторы оконечного каскада (VT4,VT5, см. рисунок 2.1) по следующим параметрам:

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

По данным параметрам из справочной литературы выберем транзистор КТ829А.

Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 – Основные электрические параметры транзистора КТ829А

Iк max, А	Uкэ max, В	Pк max, Вт	h21э max	Iкб0, мА	fгр, МГц	Rт пс, 0С/Вт
8	100	60	750	1,5	4	2,08

6) Проверим, смогут ли выходные транзисторы нормально работать без дополнительного теплоотвода. Максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе P_{к доп} при заданной температуре окружающей среды t_{с max} и отсутствии радиатора определяется выражением:

(2.15)

где t_{п max} – максимальная рабочая температура перехода коллектор-база;

t_{c max} – максимальная температура окружающей среды (+50 ⁰С);

R_{t пс} – тепловое сопротивление промежутка переход-среда.

Обычно t_{п max} выбирается на 5-10% ниже максимальной температуры. Для нашего случая выберем +135 ⁰С.

В соответствии с условиями эксплуатации, данные транзисторы должны работать с дополнительными теплоотводами, то есть с радиаторами. Тепловое сопротивление радиатора и площадь его поверхности определяется с помощью следующих выражений:

(2.16)

(2.17)

Величина параметра f_h21 выбирается согласно выражению:

(2.16)

где |h₂₁| – модуль коэффициента усиления по току, измеренный на частоте f_изм.

Произведём расчёт:

7) Определяем постоянный ток и мощность, потребляемые оконечным каскадом от источника питания, и коэффициент полезного действия:

(2.18)

(2.19)

(2.20)

8) Дополнительный расчет оконечного каскада:

(2.21)

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

(2.26)

Результаты расчёта оконечного каскада сведём в таблицы 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2 – Рассчитанные данные

	Тип транзистора	Pк доп , Вт	Iк доп, А	Uкэ доп, В	h21э max	fгр, МГц
VT4	КТ829А	9,89	3,25	66,3	750	4
VT5	КТ829А	9,89	3,25	66,3	750	4

Таблица 2.3 – Рассчитанные данные

	Тип транзистора	h21э	I0 б, мА	I0 к, мА	U0 к, В	Iкm, А
VT4	КТ829А	750	0,17…0,5	0,125…0,375	-10	2,5
VT5	КТ829А	750	0,17…0,5	0,125…0,375	-10	2,5
	Тип транзистора	Iбm, мА	Uкm, В	Rвх, кОм	Pк, Вт	S, см2
VT4	КТ829А	3,3	20	6	60	170
VT5	КТ829А	3,3	20	6	60	170

2.4 Расчёт предоконечного каскада

Нумерация элементов соответствует схеме (см. рисунок 2.1). Для расчета необходимо иметь следующие исходные данные:

1) амплитуду тока базы выходных транзисторов:

(2.27)

2) входное сопротивление оконечного каскада:

(2.28)

3) Напряжение смещения (напряжениями на резисторах R9 и R10 как правило можно пренебречь):

(2.29)

где U_{бэ 4}=U_{бэ 5} ≈ 0,5...0,6 В для режима В. При этом учитывается падение напряжения на каждом из переходов база-эмиттер составных транзисторов.

Произведём расчёт:

Перейдем непосредственно к расчету.

1) Задаемся током покоя:

(2.30)

Зададим ток покоя I_{0 к3}=20 мА.

2) Выбираем R7 = (30...50)∙R_н=(30…50)∙8=240…400 Ом. Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R7=270 Ом.

3) Рассчитываем R6:

(2.31)

Возьмём из ряда Е12 стандартное значение R6=1000 Ом.

4) Емкость C4 рассчитывается из соображений, приведенных далее. При этом учитываются частотные искажения, вносимые этой емкостью.

5) Выбираем VT3 по следующим параметрам:

(2.31)

где

(2.32)

Подставим полученное значение в выражение 2.31:

(2.32)

где

(2.33)

(2.34)

(2.35)

По данным параметрам из справочной литературы выберем транзистор 2SD1898.

Выпишем из справочника его основные параметры и сведём эти данные в таблицу 2.4.

Таблица 2.4 – Основные электрические параметры транзистора 2SD1898

Iк max, А	Uкэ max, В	Pк max, Вт	h21э max	Iкб0, мкА	fгр, МГц	Rт пс, 0С/Вт
1	80	2	390	0,1	100	2,08