Расчет усилителя мощности низкой частоты
2. Электрический расчет
2.1 Расчет выходной каскада (Двухтактный транзисторный каскад мощного усиления)
1. Взяв кпд выходного трансформатора равным 0,8 для мощности 7 Вт, найдем мощность, которую должен отдавать один транзистор:
Так как допустимый коэффициент гармоник достаточно велик, для увеличения коэффициента усиления мощности каскада включим транзисторы с общим эмиттером.
2. Подходящим для каскада является кремниевый транзистор типа 2N4920, имеющий максимальную мощность рассеяния Рмакс=30 Вт, допустимое напряжение коллектор-эмиттер при повышенной температуре Uкэдоп=80 В, fгрмин=3МГц.
Рисунок 4 - Принципиальная схема двухтактного выходного каскада
Вследствие большого диапазона температур в рассчитываемом каскаде применим эмиттерную стабилизацию. Для уменьшения разбалансировки тока покоя в схему введем сопротивление RЧ э и RЧ Ч э, тогда принципиальная схема каскада будет иметь вид, изображенный на рис. 5
3. Выберем исходный режим для данного транзистора:
4. На семействе выходных статистических характеристик транзистора 2N4920 для включения с общим эмиттером отмечаем точку покоя 0 с координатами Uкэо=36В, =0,32А и для сопротивления коллекторной цепи по переменному току
Ом
проведем через нее нагрузочную прямую.
()
Из рисунка видно, что остаточное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ ост? 0,05 В, пренебрегая остаточным током коллектора и считая Iк мин?0, отметим крайние положения рабочей точки (точки 1 и 6) на нагрузочной прямой. Графическим способом определим амплитуды входного напряжения и тока: Uкм = 35,95В, Iкм = 0,48А. Рассчитаем выходную полезную мощность:
< Pн.
Определим ток смещения базы Iбо, соответствующий найденной точке покоя при минимальном значении статического коэффициента усиления тока транзистора
мА
По входной характеристике (рисунок 2, приложение А) определим требуемую входную амплитуду напряжения и тока:
,
Входное сопротивление транзистора определим по формуле:
5. Рассчитаем делитель смещения. Для этого зададимся током делителя:
Тогда:
.
Отсюда:
).
Отсюда:
6. Рассчитаем входное сопротивление плеча и требуемую входную мощность:
, где
Следовательно,
Рассчитаем коэффициент усиления по мощности:
Найдем величину стабилизирующих сопротивлений схемы:
Ом
Сопротивления RЧ э и RЧ Ч э возьмем по 1 Ом; тогда сопротивление Rэо, состоящее в общем проводе эмиттеров, должно быть
7. Произведём электрический расчёт трансформатора Tp2. Коэффициент трансформации будет равен:
,
где - выбранное расчётное сопротивление для транзистора одного плеча.
.
Индуктивность первичной обмотки трансформатора:
Где Fmin - нижняя граница спектра усиливаемых частот, Mн.тр - коэффициент частотных искажений в области нижних частот, отведённый на рассчитываемый трансформатор, r1n - активное сопротивление половины первичной обмотки трансформатора :
Сопротивление вторичной обмотки трансформатора:
.
8. Определим коэффициент частотных искажений по верхней частоте:
9. КПД каскада найдём по следующей формуле:
11. Рассчитаем нелинейные искажения каскада, для чего построим нелинейную характеристику плеча, используя входные и выходные характеристики транзистора. При этом для каждой j точки нагрузочной характеристики рассчитывают:
.
Снимая значения Ikj для каждой точки характеристики, а также и с входной характеристики строят зависимость .
Таблица 2 - данные для построения сквозной характеристики
Uбэ j, В |
Iб j, А |
Eист j, В |
|
0,82 |
0,011 |
3,269 |
|
0,84 |
0,012 |
3,51 |
|
0,88 |
0,018 |
4,887 |
|
0,9 |
0,021 |
5,575 |
|
0,92 |
0,026 |
6,708 |
Где - сопротивление транзистора предвыходного каскада. По полученной характеристике графическим способом определяем:
Далее рассчитываем значения тока результирующей сквозной характеристики с учётом асимметрии плеч ():
Рассчитаем амплитуды гармоник тока:
Определим коэффициент гармоник каскада:
= 0,009 = 0,9%.
2.2 Расчёт предоконечного каскада
Рисунок 5 - фазоинверсный каскад
В нашем случае предоконечный каскад будет являться фазоинверсным резистивным каскадом (резистивным ввиду того, что Pвх выходного каскада лежит в пределах от 1 до 2мВт). Исходными данными для расчёт будут являться входные параметры выходного каскада: , ,
1. Выберем транзистор:
- по максимальному напряжению
- по максимальному току .
- по частоте .
Транзистор марки 2N4399.
Таблица 3 - параметры транзистора 2N4399
Параметр |
Ikmax,А |
Uкэmax, В |
h21Э |
Tkmax, 0С |
Fmax,МГц |
Pkmax |
|
Значение |
30 |
60 |
15….60 |
175 |
4 |
5 |
2. Выберем исходный режим работы транзистора:
Выходное сопротивление транзистора равно:
3. Рассчитаем и :
4. Определим ток базы при заданном токе коллектора:
где
Отсюда:
По графику входные ВАХ (рисунок 4, приложение B) определим напряжение база-эмиттер:
.
5. Рассчитаем коэффициенты усиления по току и напряжению:
- коэффициент усиления по напряжению,
где - эквивалентное сопротивление нагрузки.
- входное сопротивление транзистора ФИК:
где - ток ООС, сопротивление rб = 0,1 Ом.
.
.
Коэффициент усиления по току найдём по следующей формуле:
где - входное сопротивление транзистора следующего каскада.
Коэффициент усиления по мощности:
6. Рассчитаем требуемые входные амплитуды тока и напряжения
где - напряжение на входе транзистора выходного каскада
= 0,054 В.
7. Рассчитаем схему стабилизации рабочей точки транзистора. Зададимся током делителя . Определим и:
8. Рассчитаем разделительные ёмкости Cp2 и Cp3:
где Mнс2 = 3дБ, Mнс3 = 3дБ - коэффициенты частотных искажений, отведённые на эти разделительные ёмкости, в области малых частот.
Выходное сопротивление нижнего плеча фазоинверсного каскада Rвых.инв определяется выражением:
Где - внутреннее сопротивление эквивалентного источника сигнала для ФИК.
Где - эквивалентное сопротивление делителя смещения, - сопротивление в цепи коллектора каскада, предшествующего ФИК. Так как предшествующий каскад - эмиттерный повторитель, то сопротивление в цепи коллектора для него будет равно (по справочнику).
Тогда:
9. Рассчитаем частотные искажения каскада в области высоких частот. Оценим ёмкость, нагружающую каждое плечо инверсного каскада:
Где :
Тогда:
Коэффициент частотных искажений:
Где
= 1,015
10. Найдём ёмкость Cp1:
Где
2.3 Расчёт эмиттерного повторителя
Рисунок 6 - эмиттерный повторитель
1.Выберем транзистор по следующим критериям:
Uкэ max>27В. Fh21э >60кГц.
Транзистор марки BD536 (таблица 5).
Таблица 5 - параметры биполярного транзистора BD536
Параметр |
Ikmax,А |
Uкэmax, В |
h21Э |
Tkmax, 0С |
Fmax,МГц |
Pkmax |
|
Значение |
4 |
60 |
25….100 |
175 |
3 |
50 |
2. Зададимся напряжением U0kэ = 24В, током I0к = 17.4мА. Тогда по графику входные ВАХ (приложение C рисунок 7)определим напряжение U0бэ , если ток I0б = I0к/h21э = 0,0174/50 = 0,0003 = 3мА, при h21э = (h21эmin * h21эmax)-1/2 = 50. U0бэ = 0,8В. каскад усилитель транзистор радиоприемник
3. Вычислим сопротивления Rэ и Rб для нашей схемы:
4. Входное сопротивление эмиттерного повторителя:
Где
.
5. Рассчитаем коэффициенты усиления по напряжению, току, мощности:
6. Найдём ёмкость на входе каскада
7. Рассчитаем коэффициент усиления по мощности для всего усилителя:
Полученный коэффициент приблизительно равен .