Расчет бестрансформаторного усилителя мощности на биполярных транзисторах

Расчет бестрансформаторного усилителя мощности на биполярных транзисторах
На рисунке приведена схема двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности на
биполярных транзисторах.
EP
R1
T1
D1
RГ
CP1
CP2
D2
EГ
Uin
T2
Uout
RL
R2
Исходные данные
1. Выходная мощность усилителя Pout , Вт.
2. Сопротивление нагрузки 𝑅𝑙 , Ом.
3. Нижняя граничная частота усилителя fн , Гц.
4. Верхняя граничная частота усилителя fн , Гц.
5. Коэффициент частотных искажений на низких частотах- Mн, Дб.
6. Коэффициент частотных искажений на высоких частотах- Mв, Дб.
7. Выходное сопротивление предыдущего каскада 𝑅Г .
8. Температура окружающей среды t°.
Последовательность расчета
Определяем амплитудные значения выходного и входного напряжений и тока нагрузки:
𝑈𝑜𝑢𝑡 = √2𝑃𝑜𝑢𝑡 ∗ 𝑅𝑙
𝑈𝑖𝑛 ≈ 1,1𝑈𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝑈𝑜𝑢𝑡 /𝑅𝑙
Определяемнапряжение источника питания:
𝐸𝑝 ≥ 2(𝑈𝐾𝑚𝑖𝑛 + 𝑈𝑜𝑢𝑡 )
Величина 𝑈𝐾𝑚𝑖𝑛 характеризует падение напряжения на открытом транзисторе. С увеличением ее
уменьшаются нелинейные искажения, но, соответственно, уменьшается коэффициент полезного
действия каскада. Выбираем 𝑈𝐾𝑚𝑖𝑛 в пределах от одного до трех вольт, но в любом случае больше
чем напряжение насыщения транзистора, которое для кремниевых транзисторов приблизительно
равно одному вольту.
Выбираем транзисторы:
Транзисторы для выходного каскада должны соответствовать ряду требований:
1. Граничная частота транзисторов в схеме с ОЭ (ft) должна быть в 2 – 4 раза больше чем
верхняя граничная частота усилителя.
𝑓𝑡 ≥ 3𝑓в
2. Максимальная допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора,
(с учетом заданной температуры окружающей среды) должна быть больше чем выходная
мощность усилителя:
𝑃𝐾𝑚𝑎𝑥 ≥ 0,3𝑃𝑜𝑢𝑡
3. Максимальный допустимый ток коллектора IK
𝐼𝐾𝑚𝑎𝑥 ≥ 1,2𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑
4. Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер:
𝑈𝐾Э𝑚𝑎𝑥 ≥ 1,2𝑈𝑝
Необходимо подбирать комплементарную пару транзисторов npnи pnpс максимально похожими
параметрами (за исключением полярности). Для выбранных транзисторов строятся входные и
выходные статические характеристики. Графическим способом определяются h-параметры.
Методика построения изложена в лабораторной работе №1[1].
Определяем максимальный ток базы
𝐼Б 𝑚𝑎𝑥 = 𝐼К 𝑚𝑎𝑥 /ℎ21
Рассчитываются элементы цепи смещения транзисторов:
Резисторы базового делителя:

сопротивление резисторов делителя:
𝐸𝑝
𝑅1 = 𝑅2 =
2
− 𝑈𝑑 − 𝑈𝑖𝑛
𝐼Б 𝑚𝑎𝑥 + 𝐼𝑑 𝑚𝑖𝑛
где 𝑈𝑑 – напряжение на открытом диоде. В случае кремниевого диода 𝑈𝑑 ≈ 1В.
А 𝐼𝑑𝑚𝑖𝑛 – минимальный ток через диод обеспечивающий работу усилителя. Рекомендуется
использовать значения в диапазоне от десятых до единиц миллиампера.

ток покоя делителя:
𝐸𝑝 − 2𝑈𝑑
2𝑅1
мощность, выделяемая на резисторах делителя:
𝑃𝑅1 = 𝑃𝑅2 = 𝐼дел 𝑅1
𝐼дел =

Полученные результаты обеспечивают правильный выбор типа резистора.
Требования, предъявляемые к параметрам термокомпенсирующих диодов делителя:



Если транзистор выполнен по кремниевой технологии, то и диод тоже должен быть
изготовленным по аналогичной технологии. В противном случае термокомпенсации не
получиться.
Рабочая частота диода должна быть больше верхней частоты усилителя.
𝑓𝑑 𝑚𝑎𝑥 ≥ 3𝑓в
Учитывая напряжение входного сигнала максимальный ток термокомпенсирующего диода
должен быть больше тока покоя делителя.
𝐸𝑝
𝐼𝑑 𝑚𝑎𝑥 ≥
2
+ 𝑈𝑖𝑛 − 𝑈𝑑
𝑅1
Полученные значения – основа для выбора диода. После выбора конкретного диода строятся его
вольтамперная характеристика как зависимость тока диода от приложенного к нему напряжения.
Выбор рабочей точки на входной и выходной характеристиках транзистора.




Сначала на прямой ветви ВАХ диод определяется прямое напряжение покоя 𝑈0
соответствующее току покоя делителя 𝐼дел . Очевидно, что это напряжение эквивалентно
напряжению на базо-эмиттерном переходе транзистора 𝑈0 ≈ 𝑈БЭ 0
По входной ВАХ определяем ток базы покоя 𝐼Б 0, соответствующий 𝑈БЭ 0 .
Рассчитывается ток покоя коллектора𝐼К 0 = ℎ21 𝐼Б 0.
Напряжение 𝑈КЭ 0 естественно равно 𝑈КЭ 0 = 𝐸𝑝 /2.
IБ
6
IБ max
IБ ~
IБ 0
1
0
UБЭ
UБЭ ~
UБЭ 0
Графический расчет усилителя мощности
На выходных ВАХ любого из транзисторов строится нагрузочная прямая по переменному току в
соответствии с уравнением:
𝐸𝑝
= 𝑈КЭ + 𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑅𝑙
2
Для построения используем две критические точки
𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 = 0,
𝑈 = 0,
{ КЭ
𝐸𝑝
;
2
𝐸𝑝
=
;
2𝑅𝑙
𝑈КЭ =
𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑
На основе нагрузочной прямой строим треугольник выходной мощности 𝑃~ со сторонами 𝑈𝑜𝑢𝑡 и
𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑
Оцениваем возможность получения требуемой выходной мощности по построенному
треугольнику на основе формулы:
𝑃~ =
𝑈𝑜𝑢𝑡 𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑
≥ 𝑃𝑜𝑢𝑡
2
Если это условие не выполняется необходимо увеличить 𝐸𝑝 и все пересчитать.
Далее, переносим значения базовых токов соответствующие точкам пересечения нагрузочной
прямой с выходной ВАХ на входную ВАХ и определяем амплитуду переменной составляющей
тока базы 𝐼Б ~ и напряжения на базо-эмиттерном переходе 𝑈БЭ ~ .
Затем вычисляем значение входного сопротивления транзистора и транзисторной цепи:
𝑟𝑖𝑛 э ≈ 𝑈БЭ~ /𝐼Б ~
𝑟𝑖𝑛 К ≈ 𝑟𝑖𝑛 э + (ℎ21 + 1)𝑅𝑙
Рассчитываем входное сопротивление выходного каскада:
𝑅𝑖𝑛 = 𝑅1 ||𝑅2 ||𝑟𝑖𝑛 К ≈ 𝑅1 /2
Затем определяем коэффициент усиления выходного усилительного каскада:
𝐾𝑈 =
(ℎ21 + 1)(𝑅𝑙 ||𝑟К )
𝑟𝑖𝑛 К
где 𝑟К – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода транзистора в схеме ОЭ
𝑟К =
𝑑𝑈КЭ
𝑑𝐼К
Следующим этапом рассчитывается амплитуда входного сигнала и входной ток. Эти величины
являются выходными параметрами предыдущего каскада:
𝑈вх = 𝑈𝑜𝑢𝑡 /𝐾𝑈
𝐼вх =
𝐼Б 𝑚𝑎𝑥 𝑟𝑖𝑛 К
√2𝑅𝑖𝑛
=
𝑈вх
𝑅𝑖𝑛
На следующем этапе рассчитываем емкости разделительных конденсаторов:
IK
IБ 5
IБ max
Epp/2R
1 1
E
/2R
6
IБ 4
5
IБ 32
4
Iload
3
IБ 2
2
IБ 1
1
0
IБ 0
Ep/2 UКЭ
Uout
UК min
`
𝐶𝑝1 ≥
1
2
2𝜋𝑓н (𝑅г + 𝑅𝑖𝑛 )√𝑀н1
−1
𝐶𝑝2 ≥
1
2
2𝜋𝑓н (𝑟вых + 𝑅𝑙 )√𝑀н2
−1
где Mн1, Mн2 – части общего коэффициента частотных искажений усилителя мощности на
нижней граничной частоте, выделяемые на каждый из разделительных конденсаторов.
Конкретные величины определяются самостоятельно используя формулу:
Mн = Mн1Mн2
𝑟вых =
(𝑅г ||𝑅1 /2)+𝑟𝑖𝑛 э
ℎ21 +1
– выходное сопротивление транзистора со стороны эмитерного вывода.
При выборе конкретной величины разделительного конденсатора используется упрощенный ряд
Е6 (Приложение2).
Требования к оформлению курсового проекта.
1. Выполнить расчеты. Все промежуточные вычисления должны быть приведены в отчете.
Недопустимо приводить только конечный результат.
2. Необходимо привести все графические ВАХ и результаты графических расчетов.
3. Необходимо провести моделирование выходного каскада и показать соответствие
исходных данных и результатов моделирования. Моделирование проводить в среде
OrCAD PSpice. Использовать режим Transient
Приложение 1
Варианты заданий на курсовое проектирование
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Pout, Вт
0,4
0,8
0,2
0,6
1,0
1,4
1,8
2,2
0,6
3,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
3,6
𝑅𝑙 , ом
50
75
100
16
4
6
8
6
50
4
50
75
8
12
8
6
4
12
8
6
4
12
8
6
4
Fн, Гц
1000
30
10
20
20
100
300
20
2000
30
10
20
20
100
300
30
10
20
20
100
300
30
10
20
20
Fв, кГц
2000
15
40
15
22
6
3,4
20
1000
15
40
15
22
6
3,4
15
40
15
22
6
3,4
15
40
15
22
Mн, Дб
6
10
20
6
10
20
20
6
10
20
6
10
20
20
10
6
10
20
6
10
20
6
10
20
10
Mв, Дб
6
10
20
6
10
20
20
6
10
20
6
10
20
20
10
6
10
20
6
10
20
6
10
20
10
𝑅Г , ом
1000
300
400
500
600
700
800
900
1000
300
400
500
600
700
800
900
1000
300
400
500
600
700
800
900
1000
t°, °С
25
30
40
25
30
40
25
30
40
25
30
40
25
30
40
25
25
30
40
25
30
40
25
30
40
Приложение 2
Упрощенный ряд конденсаторов Е6
Кодовое обозначение
пкФ (pF)
Ряд Е3
Ряд Е6
109
109
1.0
159
1.5
229
229
2.2
339
3.3
479
479
4.7
689
6.8
100
100
10
150
15
220
220
22
330
33
470
470
47
680
68
101
101
100
151
150
221
221
220
331
330
471
471
470
681
680
102
102
1000
152
1500
222
222
2200
332
3300
472
472
4700
682
6800
103
103
10000
153
15000
223
223
22000
333
33000
473
473
47000
683
68000
104
104
154
224
224
334
474
474
684
105
105
нФ (nF) мкФ (µF)
0.001
0.0015
0.0022
0.0033
0.0047
0.0068
0.01
0.015
0.022
0.033
0.047
0.068
0.1
0.15
0.22
0.33
0.47
0.68
1.0
1.5
2.2
3.3
4.7
6.8
10
15
22
33
47
68
100
150
220
330
470
680
1000
0.0001
0.00015
0.00022
0.00033
0.00047
0.00068
0.001
0.0015
0.0022
0.0033
0.0047
0.0068
0.01
0.015
0.022
0.033
0.047
0.068
0.1
0.15
0.22
0.33
0.47
0.68
1.0