ся. Такая схема может применяться как в режиме А, так и в режиме В при различных способах включения транзисторов.

-СГ>-

fft Rz +

1-Ljk Rt

Рис. 3.8. Принципиальная схема двухтактного каскада мощного усиления с транзисторами, включенными с общим эмиттером

Расчет каскадов мощного усиления в режимах А и В производится различно и рассматривается далее раздельно.

3.3. Расчет однотактного каскада мощного усиления в режиме А

Расчет однотактного каскада мощного усиления в режиме А начинают с определения мощности сигнала Я^по ф-ле (2.1), которую должен отдавать транзистор, выбрав кпд выходного трансформатора в соответствии с указаниями табл. 2.3:

р

р вых

Т

Затем ориентировочно определяют наибольшую мощность, которая будет выделяться в транзисторе при отсутствии сигнала, по формуле

- ( >

На основании расчета Р^н Ро и сказанного на стр. 43-44 выбирают транзистор, способ его включения, напряжение питания выходной цепи транзистора Uo, схему подачи смещения и стабилизации и составляют принципиальную схему рассчитываемого каскада Дальнейший расчет ведут графическим способом, для

цего используют семейство статических выходных характеристик хранзистора для примененного способа включения.

Для нахождения положения точки покоя минимальный допустимый ток покоя выходной цепи определяем по формуле

здесь Uo - напряжение питания выходной цепи транзистора,

Пд-кпд каскада в режиме А, зависящий от типа транзистора, способа его включения, допустимого коэффициента гармоник и питающего напряжения.

Для включения с общей базой ti =0,485-0,495 и почти не зависит от питающего напряжения. Для включения с общим эмиттером и общим коллектором i] падает с понижением напряжения питания, изменяясь для германиевых транзисторов примерно от 0,45-0,475 для питающего напряжения 20-=-25 в до 0,25-=-0,35 для напряжения питания 1,5-нЗ в; для кремниевых транзисторов значения Т1д немного ниже. Отметив точку покоя на семействе выходных статических характеристик, определяют соответствующее ей максимально возможное значение тока смещения входной цепи /вхо. Значение /пхо следует находить для транзистора с наименьшим возможным по справочным данным значением статического коэффициента усиления тока транзистора:

/ - г - /ко / ; -ко / г -эо ,о Q4

вхо - 60 - -Q 1 вхо - эО - -- , вхо - бо - 1 п- К'-У)

гмин *мин I Рмии

Первая ИЗ формул относится к включению транзистора с общим эмиттером, вторая - с общей базой и третья - с общим коллектором. Для хорошего использования транзистора по току амплитуду входного сигнала 1ъхт берут почти равной найденному значению / вхо:

/вхт =(0,960,98)/вхо. (3.10)

Далее определяют сопротивление нагрузки выходной цепи переменному току:

и строят для полученного значения нагрузочную прямую на семействе статических выходных характеристик транзистора методом, описанным в § 1.3. В этом случае сопротивление нагрузки переменному току определяется по отрезкам, отсекаемым нагрузочной прямой на осях координат (рис. 3.9)

Отметив крайние положения рабочей точки Jb

- вхО + /в

И г'вхмии =1вю-вхт НЗ нэпрузочной прямой, соответствующие выбранной амплитуде тока входного сигнала, определяют мощность сигнала.

Рис. 3.9. Нагрузочная прямая транзисторного каскада мощного усиления, работающего в режиме А

При работе с общим эмиттером или общим коллектором верхняя точка нагрузочной прямой должна лежать на сгибе выходной характеристики, соответствующей максимальной амплитуде сигнала. При включении с общей базой она должна лежать на пересечении нагрузочной прямой с вертикальной осью, так как выходные характеристики транзистора при включении с общей базой практически не имеют перегиба (иост=0).

Если найденное верхнее положение рабочей точки отличается от указанного, ее передвигают в нужное место и вновь проводят нагрузочную прямую через точку покоя и верхнее положение рабочей точки, что немного изменит сопротивление нагрузки выходной цепи переменному току.

Мощность сигнала, отдаваемую транзистором, определяют по формуле

= 0,125 (/выхмакс /выхмин) - -g- (3.12)

Если мощность мала, то уменьшают кпд каскада tia, повторяют расчет и вновь проверяют мощность; при большом излишке мощности г1а увеличивают.

Далее описанным в § 1.3 методом переносят крайние точки нагрузочной прямой (точки Я и /С) на статическую входную характеристику транзистора для примененного способа включения и определяют амплитуду переменной составляющей тока и напряжения входного сигнала (рис. 3.10). Если необходимо, находят также входную мощность сигнала Рвх^, входное сопротивление тран-

зистора переменному току за период сигнала Rbxtp и коэффициент мощности каскада Км:

Рях- =

(3.13)

(3.14)

На основании полученных данных и § 2.4 выбирают схему предыдущего каскада, транзистор для него и находят выходное сопротивление предыдущего каскада /? ct (см. стр. 57-63). Расчет

Ввх/акс

Рис. 3.10. Входная характеристика с перенесенными крайними точками нагрузочной прямой каскада П' и К'

коэффициента гармоник мощного каскада производят методом пяти ординат по сквозной динамической характеристике, построенной для найденного значения /? ст (см. § 1.3). Расчет сопротивлений примененной схемы стабилизации точки покоя и проверку ее работы производят по указаниям § 1.6. Найдя из проверки стабилизации максимальное значение тока покоя выходной цепи омакс, рассчитывают наибольшую мощность Р, выделяющуюся в транзисторе в режиме покоя:

Р = Р^ + Р^ = /о„акс f/o + /вхо вхо (3.15)

Здесь Но - напряжение покоя на выходном электроде; /вхо и и вхо - ТОК И напряжение смещения входной цепи; по найденному значению Р определяют необходимую поверхность охлаждения радиатора 5ехл (см. стр. 55).

5* 67

Выходной трансформатор рассчитывают, как трансформатор с активной нагрузкой; его коэффициент трансформации определяют по формуле

Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора находят из выражений:

.,/?.(1- ),.,=. 1: . (3.17)

Коэффициент с берут от 0,5 до 0,7, что уменьшает падение напряжения на первичной обмотке трансформатора и повышает кпд каскада. Необходимую индуктивность первичной обмотки трансформатора определяют из выражения

где Ran = ЧгН- , , , п/--сопротивление эквивалентного

Ri + fl+f 2+< н

генератора;

Л1нт - коэффициент частотных искажений, вносимый трансформатором на низшей рабочей частоте/ ; Ri - выходное сопротивление транзистора в рабочей точке, определяемое по выходным статическим характеристикам транзистора. Если Ri транзистора рассчитываемого каскада много больше величины R, что почти всегда имеет место в транзисторных каскадах мощного усиления, то Li находя г по приближенной формуле

0 159(.-.,)

Коэффициент частотных искажений, вносимый трансформатором в области нижних рабочих частот, можно рассчитать по формуле

0,159 (А-..-/-,)

. ,--. (3.20)

Допустимую индуктивность рассеяния выходного трансформатора можно найти по заданному коэффициенту частотных искажений М в на высшей рабочей частоте по формуле

6,28/з Т^в-1. (3.21)

При этом коэффициент частотных искажений, вносимый трансформатором в области высших рабочих частот, можно рассчитать по формуле

6,28Мз

(3.22)

Ввиду того что RiJR, допустимое значение индуктивности рассеяния трансформатора , найденное по ф-ле (3.21), получится много больше ее действительного значения. Действительная индуктивность рассеяния, даже при трансформаторе с сердечником из трансформаторной стали, обычно не превышает 1-2% от /-ь поэтому i-i у выходного трансформатора каскада мощного усиления нет необходимости рассчитывать, и частотные искажения на верхних частотах у такого трансформатора практически отсутствуют.

В случае применения в каскаде эмиттерной стабилизации блокировочный конденсатор Сэ рассчитывают, исходя из допустимых частотных искажений Мцэ на низшей рабочей частоте по формуле

здесь

/Wio [до] == Мн каск 1дб] - МпТ [дб]

Частотные искажения, вносимые этой емкостью Л1 э , и сквозную крутизну характеристики эмиттерного тока сможно рассчитать по формулам:

УИ .Л (1 + ;с R.r+{b,28u:sR.y

- - у l+(6,28/ CV.)

v ист 1 А вх ОЭ

(3.24)

При эмиттерной стабилизации требуемое напряжение источника питания для каскада мощного усиления определится из выражения

= f/o + /в макс + Лочакс .?э , (3.25)

где

До макс ~ /кО макс -бо

При питании усилителя от выпрямителя на это напряжение и проектируют выпрямитель, так как для каскадов предварительного усиления это напряжение будет вполне достаточным.

Пример 3.1. Рассчитаем однотактный транзисторный каскад мощного усиления в режиме А для рабочей полосы частот ЭОгц+ЗОООгч, имеющий Al <;i,5d6, отдаваемою в нагрузк> мощность Явых =1 ег и коэффициент гармоник Kr<;6%.

Каскад работает на нагрузку =3 ом через выходной трансформатор и предназначается для работы в комнатных условиях (7* окр мин =-f 10°С и 7* окр макс = = -Ь30°С). Напряжение источника питания задано и составляет 13 в.

Так как допустимый коэффициент гармоник велик, берем включение транзистора с общим эмиттером; ввиду того, что каскад трансформаторный, применяем эмиттерную схему стабилизации точки покоя. Для дополнительного сглаживания пульсаций источника питания в цепь делителя включае.ч фильтр С ф1 (рис 3 И).

Г

lluUiy-

Рис. 3.11. Принципиальная схема однотактного транзисторного каскада мощного усиления, к примеру 3.1

Определим мощность, которую должен отдавать транзистор, выбрав кпд выходного трансформатора равным 0,75 в соответствии с табл. 2.3:

0,75

= 1,33 em.

При кпд каскада в режиме А порядка 0,45 подводимая к транзистору от источника питания мощность составит примерно

1,33 0,45 ~ 0,45

= 3 вт.

Полагая падение напряжения на сопротивлении первичной обмотки трансформатор г| порядка

0,1£ = 0,1 13=1,3 в

и задавшись падением напряжения на сопротивлении эмиттериой стабилизиции /?э . равным 0,09£к =0,09 13 1,2 в, получим напряжение питания цепи коллектор-эмиттер

и , =13-(l,3-f 1,2) = 10,5 в.

Отсюда максимальное напряжение, которое должен выдержать транзистор, составит

КЭО

10.5

= 26,25 в.

Подходящим для каскада является германиевый транзистор типа П202, меющий максимальную мощность рассеяния с дополнительным внешним радиа- овом Рмакс =10 ег, допустимое напряжение коллектор-эмнттер при повыщен-Hoii температуре t/кэ доп =30 в, Рмин =20, максимальное значение обратного тока коллектора /кнс =2 ма при 17кб <20 в н температуре коллекторного перехо-=+70°С (нз данных П201, имеющего те же обратные токи), тепловое сопротивление Лтт =3,5°С/вг, /грмнн=200 кгц.

Необходимое значение тока покоя цепи коллектора /ко составит:

1,33

0,45 . 10,5

= 0,284 а.

На семействе выходных статических характеристик транзистора для включения с общим эмиттером (рис. 3.12) отмечаем точку покоя О с координатами

-- икяО

Чооат

Рис, 3.12, Построение нагрузочной прямой, к примеру 3.1

С-кэо =10,5 е; /кв =0,284 а и для сопротивления нагрузки коллекторной цепи переменному току

кэО

10,52

2Я~ 2Я проводим через нее нагрузочную прямую

п 22,2

~ / ~ 0,538

2 1,33

= 41,2 ом

= 41,2 ом

Полагая остаточное напряжение коллектор-эмиттер f/кэ ост 0,5 в, минимальный ток коллектора /к мин =0,01 а, отметим крайние положения рабочей точки / и б на нагрузочной прямой и определим мощность сигнала, отдаваемую 1Ранзистором в выбранном режиме:

= 0,125 (/, ,-/к )2/?к^ =0,125(0,525-0,01)2 41,2=1,37

что достаточно.

Ток смещения базы /бо > соответствующий найденной рабочей точке, при наихудшем транзисторе П202, имеющем Р = 20, составит

ho -

~ = =0,0142а= 14,2 ма.

Амплитуда переменной составляющей входного тока / вх /тг которую должен обеспечить предыдущий каскад, при наихудшем транзисторе будет равна

вхт hm

А{ макс /к мн

0,525-0,01 2 20

= 12,9 ма.

Находить амплитуду переменной составляющей входного тока по семейству выходных характеристик как разность значений ie для крайних положений рабочей точки 1 н 6 нельзя, так как приводимые в справочниках семейства выходных статических характеристик обычно не соответствуют транзистору, имеющему минимальное значение р.

i(i,Ma

0,1 0,2

Щэт

Рнс. 3.13. Входная характеристика транзистора П202 для включения с общим эмиттером, к примеру 3.1

Так как в справочниках для транзистора П202 дана лишь статическая входная характеристика для t/кэ =5 в, значения Leao, f/вх m > вх,-< и /? вх найдем приближенно по этой характеристике, перенеся на нее точки 1,0 п 6 нагрузочной прямой (рис. 3.13, точки (У н б'). Это даст

= 0,36 в, Чихш = 2=0,46-0,2 = 0,26 е. Следовательно, предыдущий каскад должен отдавать мощность сигнала р^ = 2b4h \ О'О^Э о^оз 0,84 мет.

Входное сопротивление транзистора переменному току за период сигнала

п 2(/з. 2U,3 . 0.26 .

- 24, -2.0,0129 Коэффициенты усиления мощности и напряжения каскада прн этом составят:

Я~ 1,37 0,75 Т:- 0,84 . 10-3 f/кэ /кш/?к~ (0,525-0,1) 41,2 - С/вэт бэ. 2 0,13 °

Расчет коэффициента гармоник можно производить только после выбора схемы н транзистора предыдущего каскада; сделаем это. Так как амплитуду тока входного сигнала /бт=12,9 ма можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора П15А, - предыдущий каскад возьмем реостатным. Предположим, что его расчет дал значение =270 ом.

Для определения сопротивления источника сигнала /?ист (выходного сопротивления предыдущего каскада) рассчитаем делитель смещения R{ и R2 на основании рекомендаций и формул § 1.6.

При замене транзистора в каскаде вследствие большого разброса значений Р у отдельных экземпляров даже при эмиттерной стабилизации ток покоя цепи коллектора может сильно возрасти, что ухудщит кпд каскада, увеличит потребляемую усилителем мощность и размеры охлаждающего транзистор радиатора. Поэтому для повышения экономичности рассчитаем стабилизацию, источник питания и радиатор не на замену транзистора, а лишь на изменение температуры, но для наиболее неблагоприятного случая Рмакс =200, что встречается у транзисторов П202.

Прн установке в каскад транзистора с меньщим значением р (до Рмин=20) сопротивление Ri берут меньщее, обеспечивающее /ко =0,284 а.

При падении напряжения Ез иа сопротивлении Rs , равном !,2 в, величина Яэ составит

/?з - -rf = -г^ =4,22 ом.

эО мнн комнн U,Z04

Значение R2 возьмем равным

/?2=(5--15)/?в,оэ=7 . 10,1=70,7 ом

(берем стандартное сопротивление 68 ом, см. приложение 6).

Зададимся максимальной температурой коллекторного перехода на 15°С ниже максимально допустимой для выбранного транзистора (-f85°C), т. е. равной -1-70°С; тогда прн t/бэО =0,36 в, минимальной температуре перехода 7мнн = =7 окрмин =10°С, максимальной температуре перехода 7 макс =-f70°C максимальное и минимальное напряжения смещения составят:

бэо макс = Обэо + 0,0022 (20- Гп мин) = 0,36 + 0,0022 (20 - 10) = 0,382 в, бэо мни = бэо - 0,0022 (Гп макс - 20) = 0,36- 0,0022 (70 - 20) = 0,25 в.

Максимальное значение начального тока коллектора в условиях эксплуатации

Т„ Т 0-70

i П макс - J с --

/кнмакс /кнс 2 10 =2 . Ю' 2 =2 Мй.

Взяв падение напряжения на Яф равным 2 в, получим напряжение, подводимое к делителю смещения £к =£к -£ф =13 - 2 = 11 в, которое и используем для расчета Ri и /комакс