5.3. Розрахунок лінійного підсилювача

На стадії курсового проектування виконується розрахунок підсилювача по істотно полегшених вимогах. Функціональна і принципова схеми визначені. Необхідно вибрати тип підсилювальних приладів, причому при верхній робочій частоті f_в<10 МГц і потужності, що віддається, у десятки міліватів з метою скорочення номенклатури деталей у всіх каскадах варто використовувати однотипні транзистори. Потім проводиться енергетичний розрахунок підсилювача, уточнюються якісні показники, розраховуються реактивні елементи.

Вибір типу транзисторів

Тип транзисторів вибирається з врахуванням можливості їхнього використання в вихідному каскаді за максимально припустимою потужністю, що розсіюється, на колекторі Р_ктах, граничній частоті підсилення струму в схемі з ЗЕ f_h21Э.

В трансформаторному каскаді, що працює в режимі класу «А», при потужності, що віддається, у десятки міліватів із транзистора завжди можна зняти задану потужність сигналу і забезпечити полегшений температурний режим, якщо виконати умову:

, (3)

де P_H — потужність, що віддається підсилювачем,;

- ККД вихідного трансформатора;

- максимальний ККД підсилювального приладу в режимі «А»;

N₁ - коефіцієнт запасу;

- максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторі.

Для розрахунку зручно прийняти; =0,9;=0,4;N₁=2,5...3.

Підсилювальні властивості транзисторів зі зростанням частоти сигналу значно погіршуються, причому через технологічний розкид характеристик в кожному екземплярі підсилювального приладу вони міняються індивідуально. Для того, щоб спростити процес настроювання підсилювачів і підвищити стійкість в області верхніх частот, тип транзистора вибирають з врахуванням нерівності

f_h21е (2…5)f_в , (4)

де f_h21е - гранична частота коефіцієнта передачі струму транзистора в схемі з ЗЕ (на цій частоті статичний коефіцієнт передачі струму f_h21е зменшується до рівня 0,7 у порівнянні з областю нижніх частот);

f_в - верхня робоча частота.

Іноді в довідниках замість частоти f_h21е вказується частота f_h21б або f_гр . f_h21б це гранична частота коефіцієнта передачі струму h_21б в схемі з ЗБ, тобто частота, на якій цей коефіцієнт зменшується до рівня 0,7 у порівнянні з областю нижніх частот. Частота f_гр - гранична частота транзистора в схемі з ЗЕ, при якій h_21е=1.

Взаємозв'язок між названими частотами можна встановити за допомогою наступних виразів:

f_h21е h_21е f_h21е1,3 f_гр , (5)

, (6)

де h_21е - статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ЗЕ;

- довідкові параметри; межі технологічного розкиду.

В інших випадках у довідниках вказується величина модуля коефіцієнта передачі струму на визначеній частоті f. Тоді можна скористатися виразом

. (7)

Результати обчислень по формулах (3) і (4) дозволяють підібрати підходящий тип транзистора в довіднику.

Розрахунок вихідного каскаду

Розрахунок всіх багатокаскадних підсилювачів починають з вихідного каскаду з метою забезпечення необхідних параметрів вихідного сигналу. Спрощена принципова схема однотактного трансформаторного каскаду пілсилювача потужності приведена на рис. 6. Навантаженням каскаду служить коаксіальна лінія з хвильовим опором ρ.

З метою підвищення надійності радіоелектронної апаратури потужність, що розсіюється реально на транзисторі Р_к в режимі спокою повинна бути менше максимально допустимої. Прийнято витримувати співвідношення

. (8)

В трансформаторному каскаді, що працює в режимі класу «А», напруга між колектором і емітером при досить великому сигналі може приблизно в 2 рази перевищувати напругу живлення. Тому доцільно напругу спокою U_К вибрати з умови

, (9)

де - максимальна допустима напруга колектор-емітер.

Через те, що всі підсилювачі включені послідовно по колу живлення виникає небезпека, що загальна напруга джерел живлення може перевищити межу міцності ізоляції центральної жили кабелю. Тому потрібно обмежити U_КЕ= 5...6 В, Тоді струм спокою I_K дорівнює:

. (10)

Точка спокою (робоча точка) з координатами U_КЕ, І_К позначається на сімействі вихідних статичних характеристик рис. 7. Через цю точку потрібно провести навантажувальну пряму так, щоб з підсилювального приладу можна було зняти сигнал необхідної потужності Р_К~ :

, (11)

де N₂ - коефіцієнт запасу, що враховує втрати енергії за рахунок неточного узгодження з навантаженням і втрат в колі НЗЗ. Звичайно приймають N₂ = 1,2.

Таких прямих можна провести багато, але бажано повніше використовувати напругу джерела живлення і зменшити амплітуду змінної складової струму колектора. Остання обставина дає можливість скоротити межі зміни параметрів транзистора за період сигналу, а це дуже важливо: зменшуються динамічні, частотні і фазові спотворення, зменшується коефіцієнт гармонік. Область використання напруги живлення обмежується пунктирною лінією з індексами 1-1. Ліворуч пунктиру статичні характеристики різко спадають, зменшуєтьсяh_21е та транзистор входить в стан насичення.

Область використання транзистора по струму на рис. 7 обмежена пунктирною лінією з індексами 2-2. При менших струмах колектора різко зменшується h_21е, що добре можна простежити по вхідних характеристиках. Розміри заштрихованих областей різні для кожного типу транзистора. Близька до оптимального величина опору навантаження в колекторному ланцюзі транзистора R_К~ розраховується за формулою:

. (12)

Потім розраховуються амплітуди змінних складових струму I_km і напруги U_km у колекторному колі:

, (13)

. (14)

По осі абсцис від координати U_КЕ праворуч відкладається відрізок I_KR_K~ і через його кінець і крапку спокою проводиться навантажувальна пряма. Відзначаються струми

, (15)

. (16)

При дотриманні умови (3) робоча область навантажувальної прямої автоматично виявиться поза межами областей, що заштриховані на рис.7.

Максимальний і мінімальний струми бази розраховуються з урахуванням використання найгіршого транзистора:

(17)

Струми I_бmax і I_бmin відзначають на осі ординат вхідних характеристик (рис. 8) і знаходять відповідні їм значення напруги між базою і емітером U_{бе max} і U_беmin

Потім визначають амплітуду вхідного струму I_бm, амплітуду вхідної напруги U_бет і вхідний опір транзистора

, (18)

(19)

(20)

Коефіцієнт підсилення напруги вихідного каскаду

(21)

Обчислення, зроблені відповідно до приведеної методики розрахунку, будуть справедливі, якщо вибрати коефіцієнт трансформації Т₂ рівним n₂ і активні опори його первинної r₄ і вторинної r₆ обмоток рівними:

(22)

де  - хвильовий опір кабелю;

- відношення опору первинної обмотки до перерахованого опору вторинної обмотки.

З метою найбільш повного використання напруги живлення в трансформаторних каскадах, де через первинну обмотку протікає постійна складового струму вихідного транзистора, прийнято вибирати с0,5. Для вхідного трансформатора приймають с=1.

Амплітуда сигналу на навантаженні U_H складе;

(23)