В режиме ав

(3)

для двухтактного бестрансформаторного в режиме В

(4)

в режиме АВ

(5)

где Р _н – мощность в нагрузке;

 _т – кпд трансформатора (табл. 2).

Таблица 2

Примерные кпд трансформаторов и значений

магнитной индукции в сердечнике

Мощность трансформатора, ВА	 т	Вт, Гс (не более)
0,1-1	0,7-0,85	5000
1-10	0,8-0,9	8000
10-100	0,9-0,94	9000

В связи с разработкой и серийном производстве в конце прошлого столетия мощных транзисторов, в современной справочной литературе приводится значительно больше информации о влиянии максимальной температуры окружающей среды на Р _{к доп.} При этом формулы расчёта Р _{к доп} в справочниках на мощные транзисторы для различных типов, даже в пределах одного типа, отличаются. Поэтому в данной методике Р _{к доп} предлагается определять с использованием выходных статических характеристик, в семействе которых строится допустимая кривая мощности при заданной максимальной температуре среды. Дело в том, что мощные транзисторы рассеивают на коллекторе сравнительно малую мощность. Для её увеличения применяют радиаторы, но выходная мощность современных транзисторов уменьшается несколько быстрее, чем считалось ранее. Такой подход к определению Р _{к доп} (t _макс) на этапе эскизного проектирования повышает не только качество проектирования оконечных каскадов, но и усилителя в целом. Кроме того такой способ определения мощности рассеиваемой на коллекторе при максимальной температуре среды позволяет исключить возникающие неопределённости при использовании эмпирических формул (1) – (5). Но ещё важнее, что предложенный способ позволяет более грамотно использовать мощные транзисторы при пониженных рабочих токах, то есть их использование на пониженные мощности.

По формуле Р _{к доп} (t _мак ) = I U задаются током коллектора и по известной Р _{к доп} (t _мак) находят напряжение коллектора U и наносят на семейство выходных статических характеристик допустимую кривую мощности (см. рис. 11а). Затем в этом же семействе выходных статических характеристик по двум точкам строят нагрузочную прямую. Точка а может быть задана из соображений достаточной величины коллекторного тока для нормального режима работы транзистора. При этом ток коллектора не должен быть больше максимально допустимого коллекторного тока по справочнику с одной стороны и не слишком маленьким при использовании транзистора при пониженной мощности с другой стороны. Вторая точка б выбирается в зависимости от режима работы транзистора с учётом максимального допустимого напряжения на коллекторе U _{к макс}. Напряжение питания Е _к не должно превышать значения, определяемого по формуле

Е _к  (0,3 – 0,5) U _{к мак} , (6)

где U _{к мак} – максимальное допустимое напряжение между выходными электродами транзистора по справочнику.

Наклон линии нагрузки аб выбирают так, чтобы обеспечить заданную выходную мощность при высоком к. п. д. и малом К_г. При работе транзистора в режиме А рабочая точка на нагрузочной прямой

а)

б)

Рис. 11. Статические характеристики транзистора биполярного транзистора в режиме А:

а) выходные; б) входные.

выбирается на середине её. В режиме В рабочая точка располагается внизу при нулевом токе коллектора (см. рис. 12 а).

По линии нагрузки определяют отдаваемую транзистором колебательную мощность, учитывая размах изменений напряжения и тока на линейных участках статических характеристик в режиме А по формуле:

Р  = (7)

Полученная мощность должна быть на 10 – 20 % больше заданной, так как ещё не учтены к. п. д. трансформатора ( _т) и нелинейные искажения. Далее переносят крайние точки аб нагрузочной прямой на статическую входную характеристику транзистора и находят входную мощность сигнала (рис. 11б):

Р _вх  = , (8)

где 2I _{вх m} = i _{вх макс} – i _{вх мин} , 2U _{вх m} = u _{вх макс} – u _{вх мин} .

Наконец определяется коэффициент усиления мощности оконечного каскада:

К _{р ок} = , (9)

В режиме работы В выходная, входная мощности и коэффициент усиления мощности оконечного каскада определяют по формулам и рис. 12:

Р _вых  = 0,5 (U _{вых 0} – U _ост) I _макс , (10)

Р _вх  = 0,5 U _{вх m} I _{вх m} , (11)

где U =U , I =I -I

К _{р ок} = , (12)

а)

б)

Рис. 12. Статические характеристики биполярного транзистора в режиме В:

а) выходные; б) входные.

Современные мощные транзисторы имеют достаточно высокую граничную частоту, поэтому второе условие обычно обеспечивается автоматически. Для транзисторов ранних выпусков граничную частоту можно проверить по формуле:

f _  . (13)

Для схем ОК или ОБ частотными искажениями М _в пренебрегают.

Аналогично выбирают транзистор, схему включения предоконечного каскада, а также по выходным и входным статическим характеристикам определяют соответствующие мощности и коэффициент усиления мощности. При выборе транзистора предоконечного каскада определяющее значение имеет входная мощность оконечного каскада. Поэтому транзистор предоконечного каскада должен обеспечить свою выходную мощность не ниже входной мощности оконечного каскада, а даже превышать её . Иначе в первом случае проектируемый усилитель окажется неработоспособным, во втором – произойдёт резкое снижение усиления по мощности при значительном превышении входной мощности расчётного уровня. Важным моментом на этапе эскизного проектирования является недопустимым выбор режима работы транзисторов по постоянному току на различные уровни источника питания, следует помнить об обеспечении достаточного уровня источника питания для всех каскадов.

Для уменьшения нелинейных искажений и мощности входного сигнала, повышения к. п. д. источника питания и упрощения его конструкции величину коллекторного напряжения необходимо брать возможно большей. Однако при этом необходимо помнить, что в трансформаторных каскадах напряжение на коллекторах достигает почти двойного значения напряжения источника питания и что с повышением температуры допустимое напряжение между электродами транзистора уменьшается. Полезно принять к сведению, что для транзисторных усилителей источник питания должен быть стабильным с величиной пульсаций не более 1% и с низким внутренним сопротивлением менее 100 Ом, хотя по заданию источник не проектируется.

Наконец, нелинейные искажения усилителя определяются в основном искажениями, вносимыми оконечным каскадом, так как он работает при наибольшей амплитуде сигнала. Поэтому заданные нелинейные искажения между каскадами не распределяют, а относят их к оконечному усилителю.

Величина коэффициента гармоник зависит от мощности используемого транзистора. Если заданный коэффициент гармоник мал, то транзистор выбирают в 1,5-2 раза большей мощности, чем рассчитанная по эмпирическим формулам (1) – (5) для ранних выпусков транзисторов. Нелинейными искажениями, вносимыми выходным транзистором, можно пренебречь, если расчёт трансформатора произвести по предлагаемой в детальном расчёте методике. В общем нелинейности выходных и входных характеристик уменьшают соответствующим выбором выходного сопротивления предоконечного каскада R_с, пересчитанного во вторичную обмотку межкаскадного трансформатора. Использование для этого эмпирических формул для мощных транзисторов малоэффективно:

R _с = (4-8) R _вх для каскада с ОБ, (14)

R _с = (2-5) R _вх для каскада с ОЭ, (15)

R _с = (0,2-1) R _вх для каскада с ОК, (16)

где R _вх определяется по статическим характеристикам R _вх = , а приведённые в формулах эмпирические коэффициенты не всегда обеспечивают необходимый результат для современных мощных транзисторов.

Кроме того следует помнить, что из-за неполного согласования выхода предоконечного и входа оконечного каскада также снижается усиление каскада. Иногда целесообразно применять схемы с ОБ, ОК или снимать мощность, меньшую, чем может дать транзистор. Но при этом всегда иметь ввиду, что с уменьшением рабочего тока мощного транзистора, из-за соизмеримости его с обратными токами переходов, неизбежно ухудшаются параметры схемы и снижается её стабильность. Подробнее о вопросах согласования выходных и входных сопротивлений, в зависимости от вариантов исполнения схем оконечных и предоконечных усилителей, говорится в рекомендациях по проектированию.

Определение коэффициентов усиления по мощности по эмпирическим формулам, например в нашем случае для оконечного и предоконечного усилителей, может привести к потере каскада в составе усилителя. Поэтому в предлагаемой методике эскизного расчёта коэффициенты усиления по мощности оконечного и предоконечного каскадов рассчитывают по характеристикам. Для случаев, когда это оправдано, можно использовать эмпирические формулы по расчёту коэффициентов усиления мощности для различных способов включения транзисторов в схемах оконечных каскадов:

для схемы с ОБ

К _р  0,9 , Е _с  (4-8) U _вх, (17)

для схемы с ОЭ

К _р  0,9 ( )  _мин, Е _с  (2-5) U _вх, (18)

для схемы с ОК

К _р   _мин, (19)

для составных транзисторов

К _р   _{мин 1}  _{мин 2}. (20)

При использовании межкаскадных трансформаторов, необходимо учесть кпд трансформатора, в бестрансформаторных каскадах он не учитывается.

Аналогичные эмпирические формулы существуют для расчёта коэффициентов усиления по мощности предоконечных каскадов:

для реостатного инверсного каскада с разделённой нагрузкой

К _р   _мин, (21)

для трансформаторного однофазного или парафазного каскада при включении транзистора с ОЭ

К _р  50  _мин, (22)

для такого же каскада при включении транзистора с ОБ

К _р  50, (23)

для реостатного каскада при включении транзистора с ОЭ

К _р  0,3  ² _мин, (24)

для такого же каскада при включении транзистора с ОК

К _р  0,7  _мин , (25)

2. Определение общего коэффициента усиления всего УНЧ:

К _{р общ} = , (26)

Общий коэффициент усиления по мощности является произведением коэффициентов усиления оконечного, предоконечного, промежуточных и входного каскадов:

К _{р общ} = К _{р ок} К _{р пок}   К _{р вх}, (27)

где n – число промежуточных каскадов ( если <1, то промежуточные каскады не используются).

3. Выбрать схему входного каскада, транзистор и определить коэффициент усиления по мощности:

К _{р вх}  0,7  _мин (28)

Поскольку по заданию во всех вариантах сопротивление источника входного сигнала, подключаемого ко входу проектируемых усилителей, достаточно велико, т. е. значительно выше входных сопротивлений транзисторов в схемах с ОЭ и ОБ, поэтому для всех вариантов в общем случае возможно использование схемы с ОК с расчётом коэффициента усиления мощности по формуле (28).

В настоящее время элементная база современной электроники позволяет использование других полупроводниковых приборов с большим входным сопротивлением ( например, полевые транзисторы или интегральные операционные усилители и др.).

4. Определение коэффициента усиления по мощности промежуточных каскадов, уже имея коэффициенты усиления мощности оконечного, предоконечного и входного каскадов:

= (29)

По полученной величине коэффициента усиления уточняется количество промежуточных каскадов.

В литературе изданной в прошлом столетии коэффициенты усиления по мощности для промежуточных и входного каскадов можно было ориентировочно определять по специально полученным графическим зависимостям.

5. Выбрав схемы, транзисторы, определившись с количеством каскадов проектируемого усилителя, определяют допустимые граничные частоты транзисторов всех каскадов, кроме оконечного:

f_  , (30)

где f _  f_ (1- );

n – количество каскадов в усилителе без оконечного.

Предполагается, что все каскады по схеме ОЭ, кроме оконечного, вносят одинаковые частотные искажения.

При наличии межкаскадных трансформаторов в схеме усилителя, учитываются ещё частотные искажения, вносимые трансформатором в области высших частот. Поэтому при расчёте частотных искажений этот каскад считают за два и увеличивают общее число каскадов на 1.

В области низших частот частотные искажения вносятся в основном деталями, входящими в усилитель (трансформаторы, RC-делителями и др.). Порядок величин частотных искажений, вносимых в этом случае, представлен в табл. 3.

Определяют частотные искажения, вносимые каждым каскадом. Для этого полагают, что из заданного коэффициента М _н основные искажения вносят трансформаторы. Считая, что все каскады (кроме трансформаторных) вносят частотные искажения М _нк, на долю трансформаторных относят:

М _нт = (1,1 – 1,2) М _нк (31)

Таблица 3

Распределение частотных искажений в цепях усилителей низкой частоты

Наименование цепей каскадов	M , дБ
Выходной или предварительный трансформатор	1-1,5
Цепь эмиттерной стабилизации Rэ, Сэ	0,3-1
Разделительная R, C цепь на входе, выходе или между каскадами	0,2-0,6

Можно считать, что каждый из оставшихся каскадов вносит частотные искажения, определяемые по выражению

(32)

где n – общее количество каскадов;

m – количество трансформаторных каскадов.

М _{нт 1}  М _нк  1,15 = (М _{нк 1}) ^(n-m)  1,15 (33)

6. Определение доли частотных искажений в области верхних частот оконечного каскада:

, (34)

на каждый из остальных каскадов

(35)

В зависимости от уровня температуры окружающей среды решить вопрос о применении термостабилизирующих цепочек в каскадах УНЧ. Возможно применение развязывающих фильтров с целью повышения устойчивости усилителя.

После завершения эскизного расчёта, составить блок-схему и принципиальную электрическую схему проектируемого усилителя.