Бестрансформаторный усилитель мощности Исходные данные

Бестрансформаторный усилитель мощности
Исходные данные
Бестрансформаторный усилитель мощности (УМ) в режиме АВ на комплементарных
транзисторах с однотактным предвыходным каскадом:
-
выходная мощность xx Вт
-
сопротивление нагрузки x Ом
-
диапазон рабочих частот fн… fв = xx Гц…xx кГц
-
напряжение источника сигнала Eг = x В
-
выходное сопротивление источника сигнала xx Ом.
Общие положения
Упрощенная схема УМ показана на рис.x.
R3
VT2
R1
VT3
RГ
VT1
R5
СВХ
R2
t°
R6
С2
E0
R4
VT4
EГ
С1
RН
R7
Рис.x.
Транзистор VTx (рис.x) включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Каскад на основе
VTx охвачен местной последовательной ООС по току за счет падения напряжения сигнала
на Rx. Весь УМЗЧ, включая VTx, охвачен общей последовательной ООС по напряжению
за счет Rx, Rx и Сx. Позднее будет показано, что сопротивление Rx много больше Rx, а
сопротивление Сx пренебрежимо мало. Коэффициент усиления каскада на VTx
незначителен, так как в каскаде действует ООС, а нагрузкой в основном является низкое
входное сопротивление VTx.
Основное усиление обеспечивается за счет каскада на VTx, включенном по схеме с ОЭ.
Его нагрузкой являются Rx и выходное сопротивление эмиттерного повторителя. За счет
терморезистора Rx обеспечивается начальное смещение для эмиттерных повторителей
(ЭП) на VTx и VTx, которые поочередно работают почти от полного открывания до
полного закрывания.
У ЭП коэффициент усиления по напряжению меньше x. Поэтому с целью наиболее
полного использования напряжения питания VTx работает также в режиме от почти
полного открывания до почти полного закрывания. Однако и при этом оконечные
транзисторы VTx и VTx недоиспользуются по напряжению питания и отдаваемой
мощности, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) усилительного каскада.
На рис.x условно показаны осциллограммы для переменной составляющей сигнала в
отдельных точках анализируемой схемы. При поступлении первого положительного
полупериода сигнала на VTx и VTx ток VTx увеличивается, а ток VTx уменьшается.
Выходной ток VTx
проходит через Сx и сопротивление нагрузки RН. Конденсатор
заряжается до напряжения Еx/x. Полярность указана на схеме. Во время второго
отрицательного полупериода сигнала Сx разряжается через открытый транзистор VTx.
Для наиболее полного использования напряжения источника питания в режиме покоя
напряжение в точке А должно быть равным x,xЕx. Его стабильность зависит от глубины
общей ООС по постоянному току. Поэтому выход усилителя непосредственно
соединяется с первым каскадом через Rx.
Глубина ООС по переменному току определяется заданным коэффициентом усиления,
коэффициентом нелинейных и частотных искажений, нестабильностью напряжения на
выходе. Коэффициент передачи цепи ООС по переменному току задается отношением
сопротивлений резисторов Rx и Rx. В этом случае емкость конденсатора Сx должна
выбираться такой, чтобы его сопротивление на нижней рабочей частоте было бы много
меньше сопротивления Rx.
Как уже отмечалось, недостатком схемы является недоиспользование транзисторов
выходного каскада (ЭП) по напряжению питания и отдаваемой мощности. Для
обеспечения в нагрузке максимальной мощности в идеале на выходной каскад надо
подавать сигнал с амплитудой x,xЕx. Таким образом, транзистор VTx должен предельно
использоваться по напряжению от полного открывания (UКЭ = x) до полного запирания
(режим отсечки), в режиме покоя потенциал его коллектора относительно корпуса равен
x,xЕx. Реально это значение больше с учетом падения напряжения на транзисторе.
Модифицированная схема представлена на рис.x.
R3
VT2
R1
VT1
RГ
СВХ
R5
VT3
VD1
С2
E0
VD2
R2
R4
R6
EГ
С1
VT4
RН
Рис.x.
В режиме покоя конденсатор Сx заряжен до напряжения x,xЕx. Его емкость выбирается
столь большой, что за период сигнала это напряжение практически не меняется. Тогда при
полном открывании VTx по отношению к VTx ,VTx и их нагрузкам Сx и Ex оказываются
включенными последовательно, т.е. общее напряжение источника питания составляет
порядка x,xЕx. Таким образом, удается увеличить амплитуду входного и, следовательно,
выходного сигнала.
Другое отличие модифицированной схемы состоит в том, что в качестве элемента схемы
термокомпенсации тока покоя вместо терморезистора Rx (см. рис.x) используются диоды
VDx и VDx. Они крепятся непосредственно на радиатор одного из выходных
транзисторов. При увеличении температуры диода его вольт-амперная характеристика
(ВАХ) смещается влево примерно на x,x мВ/°С. Токи покоя баз транзисторов VTx и VTx в
несколько десятков раз меньше тока покоя коллектора VTx. Поэтому ток диода можно
считать практически постоянным, величина которого определяется режимом работы
транзистора VTx. В случае повышения температуры радиаторов транзисторов VTx и VTx
падение напряжения ни диоде уменьшается. Соответственно уменьшается ток покоя через
выходные транзисторы. Вследствие схожести ВАХ диода и входной характеристики
транзистора и их температурных зависимостей такое решение оказывается более
эффективным, чем использование терморезистора.
Расчет выходного каскада УМ
По заданным мощности в нагрузке Рн и сопротивлению нагрузки Rн и определяются
амплитуды напряжения и тока:
Umn = (xPн∙Rн) = (x∙xx∙x) = xx В
Imn = Umn / Rн = xx / x = x,x А
Рассчитывается напряжение источника питания:
Еx ≥ x∙(Umn + x,xUнас) = x∙(xx + x,x∙x) = xx В
где Uнас – напряжение насыщения транзистора , которое для кремниевых транзисторов
составляет порядка xВ, а x,x – коэффициент запаса.
Окончательно величина Еx выбирается согласно ряду ГОСТа в сторону большего
номинала:
Еx = xx В
Тогда напряжение покоя и рассеиваемая мощность на выходных транзисторах будут
равны:
Uк = x,xЕx = x,x∙xx = xx,x В
Рк = x,xxx Uxк/ Rн = x,xxx∙xx,xx / x = x,x Вт
Выбор транзистора производится при соблюдении следующих условий:
Ркmax ≥ x,xРк = x Вт
UКЭmax ≥ x,xЕx = x,x∙xx = xx,x В
IKmax ≥ x,xImn = x,x∙x,x = x,x А
fhxxК ≈ fhxxЭ ≥ (x…x)fв = (xx…xxx) кГц
где
Ркmax, UКЭmax, IKmax, fhxxК и
fhxxЭ – соответственно предельная рассеиваемая на
коллекторе мощность, предельные напряжения коллектор-эмиттер и ток коллектора,
верхняя граничная частота транзистора в схеме с включения с общим эмиттером и общим
коллектором, а fв – верхняя рабочая частота сигнала.
В данном случае подходят транзисторы КТxxxБ (VTx) и КТxxxБ (VTx), имеющие
Ркmax = x Вт, UКЭmax = xx В, IKmax = x А, fhxxЭ ≥ xxx МГц, hxxЭ ≥ xxx.
Максимально возможная отдаваемая в нагрузку мощность:
Рн.max= (UК - Uнас)x / xRн = (xx,x - x)x / x = xx,x Вт
Ток покоя окончательного каскада Iпxx, ток покоя базы Iбпxx и амплитуда базового тока
Iбmnxx:
Iпxx = (x,xxx…x,xx)∙Imn = (x,xxx…x,xx)∙x,x = (x,xx…x,xx) А
(выбираем Iпxx = x,xx А)
Iбпxx = Iпxx / hxxЭ = x,xx / xxx = x,xxxx А = x,x мА
Iбmnxx = x,xImn / hxxЭ = x,x∙x,x / xxx = x,xxx А = x мА
Входное сопротивление каскада:
Rвхxx  (x+ hxxЭ) Rн = xxx∙x = xxxx Ом = x кОм
Коэффициент передачи принимаем равным x,x.
Емкость выходного конденсатора Cx должна удовлетворять условию
Cx  x / (xfнRн) = x / (x∙xx·x) = x,xxx Ф = xxxx мкФ
Выбираем Cx = xxxx мкФ.
Расчет предоконечного каскада УМ
Каскад на транзисторе VTx в режиме класса А и его ток покоя должен превышать
амплитуду базового тока выходного каскада:
Ikx  x,xIбmnxx =x,x∙x,xxx=x,xxx А
Выбираем Ikx = x,xx А. тогда мощность, рассеиваемая на коллекторе
Ркx=x,x Ikx Еx = x,x∙x,xx∙xx = x,xx Вт
Для предоконечного каскада желательно выбрать транзистор с возможно большим
коэффициентом передачи по току, соблюдая условия
Ркmax ≥ x,x Ркx = x,x∙x,xx = x,xx Вт
UКЭmax ≥ x,xЕx = x,x∙xx = xx,x В
IKmax ≥ x,x Imn = x,x Iбmnxx = x,x∙x,xxx = x,xxx А = x мА
fhxxК ≈ fhxxЭ ≥ (x…x)fв = (xx…xxx) кГц
В данном случае подходит транзистор КТxxxxИ (VTx), имеющий Ркmax = x,x Вт,
UКЭmax = xx В, IKmax = x,x А, fhxxЭ ≥ xxx МГц, hxxЭ ≥ xxx.
Поскольку транзисторы VTx и VTx являются составными, то есть имеют x
последовательно соединенных перехода эмиттер-база, то для создания смещения
используем цепочку не из двух, а из четырех последовательно соединенных диодов. В
качестве диодов используем универсальные диоды КДxxxА(Б), имеющие предельно
допустимый ток до x,x А.
Определим сопротивление резистора коллекторной нагрузки Rx (рис.x):
Rx = x,xEx / Ikx = x,x∙xx / x,xx = xxxx Ом
Выбираем стандартный номинал Rx = x,x кОм.
Сопротивление нагрузки по переменному току – это параллельно соединенные Rx и
входное сопротивление выходного каскада (влияние цепи ОС пока не учитываем):
RНx = Rx ∙ Rвхxx / (Rx + Rвхxx) = xxxx∙xxxx / (xxxx + xxxx) = xxx Ом
Коэффициент усиления каскада без местной ОС:
КVTx = hxxЭ RНx / hxxЭ ≈ xxx∙xxx / xxx ≈ xxx
Здесь
hxxЭ = hxxЭ∙U / Ikx = xxx∙x,xxx / x,xx = xxx Ом
U – термический потенциал (x,xxx В при xx°С)
Входное сопротивление каскада:
Rвхx  hxxЭ = xxx Ом
Расчет каскада предварительного усиления
Ток покоя следует принять Ikx = x…x мА. При малых токах частотные свойства
кремниевых транзисторов существенно ухудшаются.
Тип транзистора выбирается аналогично VTx .Подойдет любой маломощный транзистор с
высоким значением коэффициента передачи по току, например КТxxxxИ), имеющий
Ркmax = x,xx Вт, UКЭmax = xx В, IKmax = x,x А, fhxxЭ ≥ xxx МГц, hxxЭ ≥ xxx.
Выбираем Ikx = x мА. Падение напряжения на резисторе в цепи эмиттера выбираем x,x от
напряжения питания входного каскада, то есть x,x·x,x·Ex. Тогда
Rx = x,x·x,x·Ex / Ikx = x,x·x,x·xx / x,xxx = xxxx Ом
Выбираем стандартный номинал Rx = x,x кОм.
Величину резистора Rx определим из выражения для коэффициента усиления УМ,
охваченного общей цепью обратной связи (выражение справедливо, если коэффициент
усиления без ОС много больше, чем при наличии ОС):
КуОС = x + Rx / Rx
Требуемый коэффициент усиления равен
Ку = Umn / (Eгx) = xx / (x·x) = x,x = КуОС
То есть
Rx = Rx / (КуОС - x) = xxx Ом
Выбираем стандартный номинал Rx = xxx Ом.
Теперь влияние цепи ОС на коэффициент усиления предоконечного каскада. Новое
значение сопротивления нагрузки по переменному току – это параллельно соединенные
(Rx + Rx) и старое значение RНx: входное сопротивление выходного каскада (влияние
цепи ОС пока не учитываем):
R’Нx = RНx ∙ (Rx + Rx) / (RНx + Rx + Rx) = xxxx∙(xxxx + xxx) / (xxx + xxxx + xxx) = xxx Ом
Коэффициент усиления каскада:
КVTx = hxxЭ RНx / hxxЭ ≈ xxx∙xxx / xxx ≈ xxx
Ток через делитель Rx,Rx выбираем из условия
Iд = (x…xx) Iбx = (x…x) Ikx / hxxЭ = (x…x) ·x,xxx / xxx = x,x·xx-x…x·xx-x А = xx…xx мкА
Напряжение на базе транзистора VTx равно
Uбx = x,xEx + URx + Uбэx = x,xEx + x,x·x,xEx + Uбэx = x,x·xx + x,x = xx,x В
Тогда
Rx = Uбx / Iд = xx,x /(x,x·xx-x…x·xx-x) = x,x·xxx…x,x·xxx Ом = xxx кОм…x,x МОм
Выбираем Rx = xxx кОм. Сопротивление резистора Rx:
Rx = (Ex - Uбx) / (Iд + Iбx) = (xx – xx,x) / (x·xx-x + x·xx-x) = x,xx·xx-x =xxx кОм
Выбираем Rx = xxx кОм.
Сопротивление резистора Rx выбираем примерно в xx раз большим, чем Rвхx, то есть
Rx = x кОм.
Сопротивление нагрузки каскада по переменному току – это параллельно соединенные Rx
и входное сопротивление предоконечного каскада:
RНx = Rx ∙ Rвхx / (Rx + Rвхx) = xxxx∙xxx / (xxxx + xxx) = xxx Ом
Коэффициент усиления каскада при наличии местной ОС:
КVTx = hxxЭ RНx / Rx ≈ xxx∙xxx / xxx ≈ xxx
Входное сопротивление каскада:
Rвхx  (x+ hxxЭ) Rx = xxx∙xxx = xxxx Ом = x кОм
Эта величина много больше выходного сопротивления источника сигнала.
Емкость входного конденсатора Cвх должна удовлетворять условию
Cвх  x / (xfн Rвхx) = x / (x∙xx·xxxx) = x·xx-x Ф = x мкФ
Выбираем Cx = x,x мкФ.
Емкость конденсатора Cx должна удовлетворять условию
Cx  x / (xfн Rx) = x / (x∙xx·xxx) = x·xx-x Ф = xx мкФ
Выбираем Cx = xxx мкФ.
В завершении определим коэффициент усиления всего усилителя без ОС:
Kу = КVTx· КVTx· КVTxx = xxx·xxx·x,x = xxxxx >> KуОС
Окончательная схема показана на рис.x.
+27В
R3
2к
VT2
R1
180к
VT1
VT3
VD1
R5 1,3к
RГ
СВХ
4,7 мкФ
R2
330к
EГ
VD2
С2 4700 мкФ
VD3
R4
200
С1
100мкФ
VD4
R6 1,3к
VT4
RН
Рис.x.
УМ на интегральной микросхеме
Заданные параметры можно обеспечить, используя, например, микросхему типа
КxxxУНxx. Ее основные параметры:
Типовая схема включения при двухполярном питании показана на рис.x:
Рис.x.
На этом рисунке Rx – цепь подачи смещения на транзистор входного каскада, Rx, Rx и Сx
– цепь общей ОС (аналогично Rx, Rx и Сx на рис.x), Rx и Сx – цепь, выравнивающая
импеданс динамической головки по частотному диапазону.