ТАБЛИЦА 23

По найденному значению мощности Р , подбирают из справочника подходящий тип транзистора. Способ включения выбирают на основании следующих соображений:

1. При включении с общей базой транзистор дает небольшие нелинейные искажения и свойства каскада мало меняются при изменении температуры и замене транзистора, поэтому в двухтактной схеме транзисторы подбирать по р не обязательно.

2. При включении с общим эмиттером в р раз снижается необходимая входная мощность сигнала по сравнению с включением с общей базой, но возрастает коэффициент гармоник. Замена транзистора при таком включении изменяет усиление и характеристики каскада значительно сильнее, чем при включении с общей базой.

3. Включение с общим коллектором также критично к замене транзисторов и требует примерно такой же мощности входного сигнала, как и включение с общей базой. Включение с общим коллектором дает очень малый коэффициент гармоник при малом сопротивлении источника сигнала.

Коэффициент гармоник транзисторного каскада мощного усиления зависит как от способа включения транзистора, так и от от-ношеиня сопротивления источника сигнала (выходного сопротивления предыдущего каскада) /? ст к входному сопротивлению транзистора Явх Ориентировочный вид зависимости к, от способа

включения и отношения дан на рис 2.2. Из рисунка видно,

что наибольший коэффициент гармоник дает включение с общим эмиттером (о. э.), а наименьший - включение с общим коллектором (о. к.).

После выбора способа включения определяют напряжение источника питания (если оно не задано).

Напряжение питания транзисторных каскадов мощного усиления желательно брать возможно более высоким. При этом облегчается конструирование выпрямителя, повышается его кпд, уменьшается потребляемая входной цепью транзистора мощность сигнала и снижается коэффициент гармоник каскада. В трансформаторных каскадах при правильно сконструированном выходном

трансформаторе напряжение питания, подводимое к выходным электродам транзистора Uo, следует брать равным

f/o= (0,3-0,4) . (2.3)

где и Son- максимальное допустимое мгновенное значение напряжения между выходными электродами транзистора для примененного способа включения. Значение f/доп указывается в справочных данных транзистора для разных способов включения.

Пример 2.1. Определим напряжение питания, подводимое к выходным электродам, для трансформаторного каскада мощного усиления на транзисторе П203

В справочных данных для транзистора П203 дано: наибольшее напряжение коллектор-база 1/кбдоп при разомкнутом эмиттере и 7п = -ь20°±5°С равно 70в наибольшее напряжеиие коллектор-эмиттер t/кэ доп при Яб <50 ом я = = -)-20°±5°С равно 55 в. Следовательно, для включения с общей базой можно брать

>кбо= (0,3-0,4) /,йдоп = (0,30,4) 70 =2128 б, а для включения с общим эмиттером

и^во = (0,3-0,4) и ,э доп = (0,3-+0,4) 55 = 16,5-+22 е.

Более высокое напряжение питания брать не следует, так как прн этом транзистор может выйти из строя. Иногда питание каскада мощного усиления % производят от имеющегося источ-ника и напряжение питания оказывается заданным; в этом случае оно не должно превышать величины Uo, найденной, как указано выше. Если оно превышает Uo, то выбранный транзистор непригоден и его надо заменить транзистором с более высоким значением 6доп.

Так как в оконечных каскадах приходится использовать боль шой участок динамической характеристики, для них особое значение имеет осуществление стабилизации режима Схему стабилизации выбирают в соответствии с диапазоном рабочих температур и данными транзистора.

Выбрав схему оконечного каскада, способ включения транзисторов, напряжение, подводимое к

выходным электродам Uo, находят амплитуду переменной состав-ЛЯЮЩеП выходного тока /вых т способом, указанным на стр. 65- 66 пли 91. При расчете транзисторных каскадов определяют необходимый входной ток, а не необходимое входное напряжение

Рис 2 2 -Характер зависимости коэффициента гармоник г од-нотактного транзисторного каскада мощного усилений в режиме А от отношения сопротивления источника сигнала Яист к входному сопротивлению транзистора Ив\

сигнала. Амплитуду тока входной цепи оконечного каскада находят из выражений:

I - I - - W г Д/П (С) л\

э/п - , 6т - ~о I бт - 1 1 а- > \-)

*м11н Рмин 1 Г Рмин

первое из которых относится к включению с общей базой, второе- с общим эмиттером, третье - с общим коллектором.

Найдя амплитуду тока сигнала входной цепи, можно перейти к выбору схемы и транзистора предыдущего каскада.

2.4. Выбор принципиальных схем каскадов предварительного усиления, транзисторов для них и способа их включения

Принципиальную схему предоконечного каскада, являющегося последним каскадом предварительного усилителя (реостатную, трансформаторную), выбирают в зависимости от схемы и данных оконечного каскада. В случае трансформаторного двухтактного оконечного каскада с транзисторами одинакового типа проводимости предоконечный каскад делают инверсным.

Если требуемую амплитуду тока сигнала входной цепи оконечного каскада можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора предоконечного каскада, то предоконечный каскад можио сделать реостатным. Если же требуемая амплитуда тока сигнала входной цепи оконечного каскада велика и непосредственное получение ее из коллекторной цепи предоконечного каскада заставляет делать последний очень мощным, предоконечный каскад целесообразно сделать трансформаторным. В этом случае предоконечный каскад рассчитывается как каскад мощного усиления на необходимую мощность сигнала входной цепи оконечного каскада.

При реостатной схеме предоконечного каскада транзистор для него выбирают по требуемой амплитуде тока сигнала и верхней граничной частоте frp. Если выбранное напряжение питания для применяемого транзистора слишком велико, его снижают включением в выходную цепь гасящего сопротивления (сопротивления фильтра) или делителя напряжения. Для трансформаторного предоконечного каскада транзистор выбирают по требуемой мощности сигнала входной цепи оконечного каскада и верхней граничной частоте frp-

После выбора принципиальной схемы предоконечного каскада и транзистора для него выбирают принципиальные схемы н транзисторы для предыдущих каскадов предварительного усиления. Выбор схемы и транзисторов для этих каскадов производят так же, как и для предоконечного каскада. В большинстве случаев каскады предварительного усиления удается сделать реостатны-

МП. в предоконечном каскаде и других каскадах предварительного усиления транзисторы обычно включают с общим эмиттером, так как это позволяет получить от каскада наибольшее усиление.

В первом каскаде усилителя при высоком сопротивлении источника сигнала (порядка !0 ком и выше) транзистор целесообразно включать с общим коллектором.

Для определения необходимого количества каскадов усилителя находят требуемый коэффициент усиления мощности, поделив мощность, отдаваемую оконечным каскадом Р^, на максимальную мощность, отдаваемую источником сигнала Янстмакс , рав-

ную

4 PR

Лм ус = -р-- =-.7- . (2.5)

НС1 макс i-J ист

Так как коэффициент усиления /Смус равен произведению всех каскадов

Лл! ус = Kmi Кк-> . Ки\ (Ж < (2.6)

то, найдя коэффициент усиления мощности оконечного каскада )/мок, коэффициенты усиления мощности предыдущих каскадов (каскадов предварительного усиления), можно найти число каскадов, необходимое для получе1шя требуемого коэффициента усиления мощности всего усилителя /С^ус Приближенное значение коэффициента усиления мощности оконечного каскада для разных способов включения транзисторов можно определить по выражениям, приведенным ниже.

Для включения с общей базой

/мок^О.Э 7] ; (2.7)

1> вх /п ок

для включения с общим эмиттером

/мок -0,9 ; (2.8)

для включения с общим коллектором

АГм к 0,9 3 Yjj, , (2.9)

где и (Укэо- выбранные напряжения питания цепи коллектор-база и коллектор-эмиттер, в вольтах; Рмин- минимальный коэффициент усиления тока примененного транзистора для включения с бщим эмиттером;

и виток- амплитуда напряжения входного сигнала оконечного каскада, определяемая по входной характеристике транзистора, для найденного ранее значения амплитуды входного тока сигнала

Приближенные значения коэффициентов усиления мощности каскадов предварительного усиления можно определить по следующим выражениям.

Для реостатного инверсного касркада с разделенной нагрузкой

АГм-Рмпн. (2.10)

Для трансформаторного каскада (как обычного, так и инверсного) при включении транзистора с общим эмиттером

/м 5 р„ f/k,o . (2.U)

при включении транзистора с общей базой

/См - Ьибо . (2.12)

Для реостатного каскада предварительного усиления при включении транзистора с общим эмиттером

АГ.м - 0,3 , (2.13)

при включении с общим коллектором

Km 0,7 р . (2.14)

Формулы (2.10) - (2.14) являются очень npH6vii№eHHbiMH, так как коэффициент усиления каскада предварительного усиления может меняться в очень широких пределах. Но это не имеет большого значения, так как если после расчета усилителя усиление окажется недостаточным, - можно добавить каскад усиления, а при избытке усиления - убавить один каскад.

Определив количество каскадов, составляют ориентировочно принципиальную схему проектируемого усилителя, введя в нее цепи подачи смещения и стабилизации рабочей точки, развязывающие фильтры и регулятор усиления. В ходе проектирования усилителя может потребоваться необходимость введения отрицательной обратной связи или регулятора тембра. Ввиду того что отрицательная обратная связь и регулировка тембра снижают усиление, выбранного количества каскадов может оказаться недостаточно. В этом случае в усилитель потребуется добавить лишний каскад.

2.5. Распределение по цепям и каскадам усилителя заданных частотных и нелинейных искажений

Составив примерную принципиальную схему усплителя звуковых частот, распределяют допущенные на весь усилитель частотные искажения на низшей рабочей частоте по отдельным цепям, вносящим эти искажения. При этом исходят из искажений, обеспечиваемых при невысокой стоимости, небольших размерах и простой конструкции деталей каскада. В табл. 2.4 даны ориентировочные значения доэффициентов частотных искажений иа ннз-

шей частоте M a<; для транзисторных каскадов. Сложив взятые из табл. 2.4 значения М всех каскадов и цепочек усилителя, сравнивают полученный результат со значением Л1 ус . заданным на усилитель, так как частотные искажения, вносимые отдельными це-

Т л Б л и Ц-А 2 4

Ма>1ме110ванне цепей каскадов

М , да и

Выходной или предварительный трансформатор

Цепочка эмиттерной стабилизации СэЯэ

Цепочка связи CR на входе, выходе или между каскадами

1-1,5 0,31 0,2---0,6

пями усилителя и выраженные в децибелах, арифметически складываются (а выраженные в относительных значения к - перемножаются):

Л1 усдб =M id6\-M,i2d6M ;i06 г . . . ] 15)

Ai yc=M i Af 2 М„з . . . 1

Если полученная сумма превышает заданное на усилитель значение М усдб , то величины М„ди , взятые на отдельные цепи, уменьшают; если же сумма меньше, то их увеличивают до получения результата равного или немного меньшего заданного.

В транзисторных усилителях звуковой частоты частотные искажения на высшей рабочей частоте не распределяют между цепями, так как в основном эти искажения определяются выбранными для усилителя транзисторами и способом их включения. Поэтому частотные искажения на высшей частоте рассчитывают вначале для отдельных каскадов, а затем для всего усилителя по выражениям:

Жзус = Л^в1Жв2Л1 з ... j I )

Если суммарные искажения Мвс окажутся больше заданных, то заменяют транзисторы на другие с большей граничной частотой /грИЛи уменьшают сопротивления в коллекторных цепях /?к .

Заданные на усилитель допустимые нелинейные искажения обычно не распределяют между каскадами, а все значения коэффициента гармоник Кг отводят на оконечный каскад усилителя, так как он работает при наибольшей амплитуде сигнала. Для того чтобы предоконечный и предыдущие каскады не вносили нелинейных искажений, которые нужно учитывать, рабочие точки у них выбирают достаточно высоко.

В тех случаях, когда предоконечный каскад вносит значительные нелинейные искажения, го к г ус определяют следуюнщм образом:

Кг ус ~ Укг2ус + Я^г.!ус -(-К^4ус , (2.17)

4 Зак. 2039. 49

Де ivrayc кгз>с. Krijc - коэффициенты гармоник усилителя по второй, третьей и т д гармоникам, которые приближенно находят по формулам

-г 2ус - Г2 г2 г2

г Зус ~ гЗ гз rd -~ . .

(2.18)

Здесь через к,., , Кгз и со штрихами обозначены коэффициенты гармоник по второй, третьей н четвертой гармоникам отдельных каскадов усилителя, вносящих заметные нелинейные искажения Значения с одним штрихом относятся к отиому каскаду, с двумя - к другому, с тремя-к третьему н т д

После выбора схем отдельных каскадов, выбора транзисторов для них, составления принципиальной схемы усилителя и распределения искажений переходят к выбору режима работы транзисторов и электрическому расчету деталей схемы, начиная с оконечного (выходного) каскада

2.6. Пример составления блок-схемы и принципиальной схемы усилителя звуковой частоты

В качестве примера составим блок-схему и принципиальную схему усилителя низкой частоты для радиоприемника.

Предъявленные требования следующие: Я,.ь„-2 вт при а:г<7% и R =4 ом, / = 100 гц, / =5000 гц; М„=Мв <!3(3б Диапазон рабочих температур от - 30° до-f50°С Источником сигнала является диодный детектор приемника с пст =0,5 н Rncr =50 ком, источником питания - аккумулятор с напряжением 12 в, имеющий подзарядку

Так как сопротивление нагрузки мало, то в качестве выходного устройства используем трансформатор. Чтобы постоянная составляющая напряжения от источника сигнала (детектора) не попадала на вход усилителя и не изменяла положения рабочей точки первого транзистора, на вход усилителя поставим простейшее входное устройство - емкость связи с источником сигнала

В проектируемом усилителе оконечный каскад является каскадом мощного усиления. Так как требуемая мощность невелика н источником питания является подзаряжаемый аккумулятор, применять экономичный режим В не обязательно Поэтому в оконечном каскаде используем режим А; для снижения коэффициента гармоник, уменьшения размеров выходного трансформатора и упрощения сглаживающих и развязывающих фильтров оконечного каскада применим двухтактную схему.

Определим коэффициент усиления мощности К , который должен обеспечить усилитель и мощность Р^, которую должен отдать

один транзистор в двухтактной схеме при кпд выходного трансформатора т)т =0,8 (табл. 2.3):

а: = -М^ = ,1 =~° °-

ист макс Щ J ист о,б 0,0

~ - 2.], 2- 0,8 -йй

На эту мощность по справочнику подбираем транзистор П201, имеющий минимальный коэффициент усиления по току Рмш1=20, минимальное значение граничной частоты frp = 100 кгц.

Так как допустимый коэффициент гармоник достаточно велик, для увеличения коэффициента усиления мощности оконечного каскада включаем транзисторы в нем с общи.м эмиттером. Ввиду большого диапазона рабочих температур в оконечном каскаде используем эмиттерную стабилизацию.

Проверим, допустимо ли заданное значение напряжения питания Ек для транзистора П201 при включении его с общим эмиттером Так как согласно справочнику для Гп=-1-50°С и выше допустимое напряжение U кэ мп для транзистора П201 составляет 22 в, то допустимое напряжение питания, подводимое к транзистору, равно

[/кэо 0,35 (/к. д„п = 0,35 22 = 7,7 е.

Так как в оконечном каскаде имеется эмиттерная стабилизация и выходной трансформатор, то подводимое к транзистору напряжение питания будет равно разности напряжения источника питания Е,1 и падений напряжения на первичной обмотке трансформатора и стабилизирующем сопротивлении /?э . Ориентировочно можно считать падение напряжения на первичной обмотке трансформатора равным 0,\ Ек и на сопротивлении Яэ порядка 0,05 Е^ . Таким образом, (/ эо составит-

f/кэо =12-0,1 12-0,05 12=10,2 в,

что превышает допустимую величину 7,7 в, а следовательно, транзистор П201 в данном случае непригоден. Поэтому для оконечного каскада используем транзистор П202, у которого при Гп= + 55°С и выше допустимое напряжение коллектор-эмиттер (/кэтоп=30 в, а следовательно, допустимое напряжение питания транзистора

У эо ~ 0,35 (/кэ иш ==0,35 30=10,5 б,

что достаточно. Значения рч и /гр у него те же, что и \ транзистора П201.

Найдем приближенное значение амплитуды тока входной цепи транзистора оконечного каскада.

г /кт 0,232 л л1 I /- i 1 г.

= -р-- -- =0,0116а= 11,6 .ча,

Рмип 2U

4* 51

где

2r,.r гд Ек 2 . 0,8 . 0,45 12

= 0,232 а.

Выбор т)а - кпд каскада в режиме А - сделан в соответствии с рекомендациями § 3.3.

Приближенное значение коэффициента усиления мощности каскада при вктючении с общим эмиттером составит

К

Мок

:0,9

и

-Рмин % - 0.9 ? г, 0,9 .20.0,8=625,

так как амплитуда напряжения входного сигнала (/бэт , найденная по входной характеристике транзистора П202, для амплитуды входного тока сигнала /бт=11,6 ма составляет 0,235 в (рис. 2 3)

Рис 2 3 Входная характеристика транзистора П202 для включения с общим эмиттером

Предоконечный каскад, являющийся последним каскадом предварительного усиления, делаем инверсным, так как оконечный каскад - двухтактный. Так как требуемую амплитуду входного тока сигнала оконечного каскада можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора П14, инверсный каскад можно сделать реостатным Применим в данном случае простую и часто используемую схему инверсного каскада с разделенной нагрузкой Транзистор П14 И1меет следующие данные, наибольший ток коллектора в режиме усиления 20 ма, миним'альный коэффициент усиления по току р„ = 20, минимальную граничную частоту /гр=1 Мгц, наибольшее напряжение коллектор-эмиттер (при сопротивлении между эмиттером и базой не более 1 ком) 15 в.

Допустимое напряжение питания для транзистора П14 составит

Uk. о (0,30,4) икэ ДСП = (0,34-0,4) 15= 4,5-+6 в.

Излишнее напряжение источника питания можно погасить на сопротивлении развязывающего фильтра /?ф в цепи коллектора. Коэффициент усиления мощности инверсного каскада с разделенной нагрузкой ориентировочно будет равен

МИ ~ Рмии = 20.

Следовательно, коэффициент усиления мощности оконечного и инверсного каскадов составит:

мок

ми=625

20=12 500.

Этого усиления недостаточно, а поэтому добавим в усилитель реостатный каскад предварительного усиления. Из соображений однотипности используем в этом каскаде транзистор П14; так как сопротивление источника сигнала велико (. = 50 ком), для улучшения согласования входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника сигнала транзистор в первом каскаде усилителя включаем с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Этот каскад дает усиление мощности:

мэп

0,7 р„ н =0,7 . 20=14

Так как общее усиление трех каскадов составляет лишь 12500 14=175 000, в усилитель между эмиттерным повторителем н инверсным каскадом придется ввести еще один реостатный каскад предварительного усиления на транзисторе П14, включенном с общим эмиттером Его усиление ориентировочно будет равно

Ку, 0,3 р\ , =0,3 202= 120

Тогда общий коэффициент усиления мощности усилителя окажется равным-

АГмуе =175000 120 = 21 000000,

что вполне достаточно При расчете усилителя коэффициент усиления каскадов может оказаться меньше найденных ранее ориентировочных значений, поэтому получившийся запас усиления полезен

Ввиду большого диапазона рабочих температур усилителя для стабилизации положения рабочих точек во всех реостатных каскадах также введем эмиттерную стабилизацию.

На рис 2 4 изображена блок-схема проектируемого усилителя; его ориентировочная принципиальная схема с цепями подачи сме-

g входное

Умит/пер-иый peocj татный поВтори-1 тЩ

Реостат -л ный каскад

ИнВерс--I ный \-каснад

мощного исийе-ния

2-токт-, . , ншкаснао[ }рчхоаное /устройство

Источник питания

Рис 24 Блок-схема усилителя, к примеру п 2 6