6. Пример расчёта усилителя низкой частоты

6.1. Задание

Составить блок-схему и принципиальную электрическую схему усилителя низкой частоты по следующим исходным данным :

- требуемая мощность в нагрузке Р _н = 30 Вт;

- сопротивление нагрузки R_н = 9 Ом;

- коэффициент нелинейных искажений К_г = 7%;

- полоса усиливаемых частот F_н = 75 Гц , F_н = 7500 Гц;

- коэффициент частотных искажений М _н = 3 дБ , М _в = 6 дБ;

- рабочий диапазон температур t_с = (-40...+40 )°С;

Источником усиливаемого сигнала является Е _с = 1 В и R_с = 50000 Ом. Источник питания выбрать самостоятельно.

Произвести детальный расчёт оконечного и предоконечного каскадов проектируемого усилителя.

6.2. Эскизный расчёт усилителя низкой частоты

1. Выбираем транзистор для оконечного каскада и определяем способ его включения. Так как сопротивление нагрузки мало, а выходная мощность велика, то оконечный каскад должен быть трансформаторным. Для обеспечения высокого к.п.д. при сравнительно больших допустимых нелинейных искажениях можно выбрать двухтактную схему оконечного каскада, работающую в режиме В. Транзистор можно включить по схеме с ОЭ.

Выбираем по справочнику   транзистор П4АЭ с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе с теплоотводом Р_{к доп} = 20 Вт при температуре корпуса до 40°С. А по приведённой в справочнике зависимости величины рассеиваемой мощности от температуры корпуса, транзистор П4АЭ при 40 способен рассеивать мощность равную 25 Вт.

Параметры выбранного транзистора следующие:

F_гр = 150 кГц – граничная частота;

U_{к доп} = 50 В – наибольшее напряжение коллектора в схеме с ОЭ;

I_{к доп} = 5 А – наибольший ток коллектора;

β ≥ 5 – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ;

α ≥ 0,83 – коэффициент передачи тока в схеме с ОБ;

I_ко = 0,5 мА – наибольший обратный ток коллектора.

2. Определение коэффициента усиления мощности оконечного каскада.

В семействе выходных статических характеристик транзистора П4АЭ строим кривую допустимой мощности рассеяния на коллекторе Р _{к доп} = 25 Вт при t = 40°С ( см. рис.13 а ). Строим линию нагрузки аб. Ориентировочно задаёмся величиной напряжения источника питания по допустимому напряжению на коллекторе:

Е _к ≤ 0,5 U _{к доп} = 25 В,

выбираем Е_к = 20,5 В.

Выбираем на нагрузочной прямой рабочую точку. Определяем выходные амплитуды тока и напряжения.

Проверяем транзистор по частотным свойствам:

Гц,

22500 > .

Определяем выходную колебательную мощность, отдаваемую транзисторами в нагрузку,

Вт.

Она должна быть больше заданной, так как ещё не учтён кпд выходного трансформатора.

Определяем мощность , потребляемую оконечным каскадом ,

Вт.

Определяем мощность , рассеиваемую на коллекторах,

Вт,

откуда на один транзистор приходится

а)

б)

Рис. 13. Характеристики транзистора П4АЭ в схеме с ОЭ в режиме В:

а) выходные, б) входные

< Вт.

Выбранный транзистор удовлетворяет всем требованиям и при максимальной температуре среды работоспособен с радиатором. Определяем входную колебательную мощность оконечного каскада по входной динамической характеристике ( см. рис.13б ):

Вт.

Коэффициент усиления мощности оконечного каскада усилителя равен:

.

Для получения входной мощности, составляющей 0,210 Вт, требуется введение в схему усилителя дополнительного каскада малой мощности , т. е. предоконечного каскада.

3. Выбор транзистора предоконечного каскада, обоснование схемы каскада и способа включения транзистора.

Выходная мощность предоконечного каскада должна быть не меньше входной мощности оконечного каскада , а даже больше из-за возможных потерь при согласовании каскадов.

По справочнику выбираем транзистор П212А  . Он имеет следующие параметры:

f _гр = 1 МГц – граничная частота;

U _{к доп} = 70 В – наибольшее напряжение коллектора;

I _{к доп} = 0,5 А – наибольший ток коллектора;

β = 50-200 – коэффициент передачи тока при t =70°C;

α = 0,98 – 0,995 – коэффициент передачи тока в схеме с ОБ;

I _оэ = 50 мкА – наибольший обратный ток эмиттера.

Транзистор П212А способен рассеивать без теплоотвода на коллекторе мощность до 0,75 Вт при t _c до 60°С, а при заданной в задании температуры среды 40°С рассеиваемая мощность составляет :

Вт.

Такая мощность позволяет использовать данный транзистор в режиме А в схеме однотактного усиления. Для связи с выходным двухтактным оконечным каскадом потребуется включение в схему предоконечного каскада согласующего инверсного трансформатора. С целью повышения устойчивой и стабильной работы всего усилителя, выбранный транзистор целесообразно включить по схеме с ОБ.

4. Определение коэффициента усиления мощности предоконечного каскада.

На выходные статические характеристики транзистора П212А наносим расчетную кривую допустимой мощности рассеяния на коллекторе (см. рис. 14а).

Строим линию нагрузки аб, выбираем рабочую точку с учетом предварительно заданного уровня напряжения питания для оконечного каскада, но без учета цепей температурной стабилизации и потерь в первичной обмотке согласующего трансформатора :

В.

Зададимся, с учетом оконечного каскада, в рабочей точке напряжением U_рт =18,5 В, а в детальном расчёте предоконечного каскада, напряжение питания будет скорректировано с учётом температурных цепей стабилизации.

Определяем выходную мощность, отдаваемую предоконечным каскадом,

Вт.

Определяем входную мощность на входе предоконечного каскада:

Вт.

Тогда коэффициент усиления по мощности предоконечного каскада равен :

а)

б)

Рис. 14. Характеристики транзистора П212А в схеме с ОБ в режиме А:

а) выходные; б) входные.

5. Определяем требуемый коэффициент усиления всего усилителя:

6. Коэффициент усиления по мощности входного и промежуточного каскадов вместе равен :

7. Определение коэффициента усиления входного каскада и типа транзистора.

С целью унификации используемых при проектировании усилителя транзисторов в качестве входного каскада усилителя можно выбрать тот же транзистор П212А с ОК. Схема включения с ОК транзистора позволит улучшить согласование внутреннего сопротивления источника входного сигнала с входным сопротивлением входного каскада:

Таким образом, на долю промежуточных каскадов приходится коэффициент усиления по мощности :

т. е. промежуточный каскад должен быть один. После детального расчета оконечного и предоконечного каскадов, их коэффициенты усиления по мощности снизятся, а после коррекции коэффициентов усиления скорректируется окончательное количество промежуточных каскадов.

8. Выбор транзистора и способа его включения для промежуточных каскадов.

Схема промежуточного каскада может быть реализована на транзисторе П212А по схеме с ОЭ, которая позволит скомпенсировать реальное снижение коэффициентов усиления оконечного и предоконечного каскадов после учёта кпд трансформаторов и из-за недостаточного согласования каскадов.

Коэффициент усиления по мощности промежуточного каскада для включения транзисторов по схеме с ОЭ можно ориентировочно учесть по эмпирической формуле ( 22 ):

9. Проверка транзисторов П212А по допустимым частотным искажениям в области верхних частот .

В случае применения низкочастотных транзисторов, частотные искажения определяются главным образом свойствами транзистора и, если при этом, ,то транзистор считают высокочастотным.

Для транзистора П4АЭ оконечного каскада , включённого по схеме с ОЭ:

Для транзистора П212А предоконечного каскада , включённого по схеме с ОБ:

.

Для этого типа транзистора , включённого по схеме с ОЭ или ОК:

При использовании трансформаторов с высокочастотными транзисторами , как в нашем случае , частотные искажения на верхних частотах определяются свойствами транзистора и трансформатора:

,

где -искажения ,вносимые транзистором;

-искажения , вносимые трансформатором,

,

на каждый из остальных каскадов с учётом использования согласующего трансформатора, предоконечный каскад считают за два и общее число каскадов n увеличено до пяти

(<1 дБ).

( < 6 дБ).

Частотные искажения в области нижних частот , приходящиеся на один каскад,

( < 1 дБ),

(  2 дБ),

где n = 4 , m = 2 (трансформаторные каскады).

( ~ 3 дБ).

Тогда частотные искажения выходного трансформатора с учётом полученных частотных искажений транзистора равны :

Частотные искажения согласующего трансформатора составляют:

10. Обоснование применения цепочек термостабилизации.

Температура окружающей среды в задании изменяется в широких пределах, поэтому их применение целесообразно. В оконечном каскаде, работающем в классе усиления В без цепочек температурной стабилизации, необходимо подобрать два одинаковых по коэффициентам усиления β транзистора. Что касается температурной стабилизации, её следует перенести на предоконечный каскад в цепь эмиттера. В промежуточном каскаде обязательно предусмотреть температурную цепочку стабилизации в цепи эмиттера.

На рис. 15, 16 представлены блок-схема усилителя и его принципиальная электрическая схема.

Рис. 15 Блок-схема проектируемого УНЧ.

Рис. 16 Принципиальная схема проектируемого УНЧ