Расчет предварительных каскадов УНЧ на биполярных транзисторах

Для расчета предварительных каскадов УНЧ должны быть известны следующие исходные данные, полученные в результате эскизного расчета усилителя и окончатель­ного расчета последующего (например, выходного) каскада: напряжение питания, под­водимое к каскаду (напряжение, приложенное к делителю напряжения в цепи базы последующего каскада) Е_к; диапазон частот усилителя f_н-..f_в; амплитуда переменной составляющей тока на входе последующего каскада _Imвх.сл; входное сопротивление последующего каскада R_вх.сл; допустимые значения коэффициентов частотных искажений Мн и Мв; элементы делителя напряжения в цепи базы последующего каскада R1_сл и R2_сл; тип транзистора, (найденный в результате предварительного расчета уси­лителя).

Расчет резистивного каскада предварительного усиления. Порядок рас­чета предварительного каскада УНЧ рассмотрим на примере наиболее распространенной резистивной схемы при включении транзистора с общим эмиттером (рис. 1).

Рисунок 1 Схема резистивного каскада с общим эмиттером

1. Проверяем правильность предварительного выбора транзистора. Для нормального режима работы транзистора необходимо, чтобы допустимое напряжение между коллектором и эмиттером выбранного транзистора превышало напряжение питания, подводимое к каскаду (напряжение питания Ек любого предварительного каскада равно разности между напряжением питания всего усилителя и падением напряжения на сопротивлениях резисторов развязывающих фильтров, используемых в последующих каскадах)

, ( 1 )

а величина допустимого тока коллектора превышала входной ток последующего каскада не менее чем в 1,5...2 раза

, ( 2 )

2. Определяем величину тока покоя в цепи коллектора по формуле

( 3 )

3. Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора ( рис.1 ). При выборе величины сопротивления R3 в цепи коллектора необходимо удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны, желательно, чтобы сопротивление R3 было возможно больше по сравнению с величиной входного сопротивления последующего каскада. С другой стороны, увеличение R3 при заданном токе коллектора приводит к тому, что падение напряжения на этом сопротивлении увеличивается, a напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ уменьшается до недопустимо малой величины (в течение той части периода усиливаемого напряжения, когда коллекторный ток возрастает, напряжение Uкэ может упасть до нуля и транзистор перестанет усиливать).

С учетом этих требований расчетная формула для определения R3 имеет:

. ( 4 )

Мощность, рассеиваемая на резисторе R3, составляет

4. Определяем сопротивление резистора R4 в цепи термостабилизации по формуле

( 5 )

Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равна . При этом принимают ток эмиттера в режиме покоя I_Эp примерно равным I_Kp. С учетом найденных значений R3, R4, Р_R3 и P_R4 выбираем стандартные значения и тип резисторов R3 и R4

5. Находим емкость конденсатора СЗ (рис.1)

, ( 6 )

где fн выражается в герцах, R₄ — в омах, С_З — в микрофарадах. Рабочее напряжение конденсатора СЗ должно превышать максимальное напряжение на резисторе R4. В транзисторных УНЧ обычно используются электролитические конденсаторы типа К50-6, К50-7, К50-9, К50-12, К50-15 и др.

6. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя

покоя

( 7 )

7. В семействе выходных статических характеристик выбранного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 2, а), отмечаем положение рабочей точки Р с координатами U_кэp и I_кp. Найденному положению рабочей точки соответствует ток базы I_бp. Полученное значение тока базы позволяет определить положение рабочей точки Р' на входной характеристике транзистора, снятой при Uкэ ¹ 0 (рис. 2, б), напряжение покоя участка база — эмиттер U_бэp и входное сопротивление переменному току транзистора рассчитываемого каскада R_вх.

Для нахождения R_вх необходимо провести касательную к точке покоя P’ (рис. 2, б) и найти отношение R_вх = MK/K.P'.

Рисунок 2 Определение режима работы предварительного каскада в семействе выходных характеристик транзистора (а) и по графику входной характеристики (б)

8. Определяем элементы делителя напряжения в цепи базы R1 и R2 (рис. 1). Принимаем падение напряжения на сопротивлении резистора R5 фильтр

Находим напряжение, подводимое делителю R1, R2

Выбираем ток в цепи делителя из ус­ловия

Определяем R1 и R2 по формулам

Падение напряжения на резисторе R4 принимают равным

Необходимо, чтобы выполнялось условие

Выбрав стандартные значения резисторов RI и R2 и определив рассеиваемую на них мощность (), находим тип рассчитанных резисторов.

9. Рассчитываем элементы развязывающего фильтра

Конкретные типы резистора R5 и конденсатора С2 уточняют после определения мощности, рассеиваемой на резисторе и рабочего напряжения конденсатора (порядка 1,5Е_к).

10. Находим амплитудное значение тока на входе каскада

( -минимальное значение коэффициента передачи тока транзистора рассчитываемого каскада).

11. Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах по формуле

,

где R_вх — входное сопротивление рассчитываемого каскада; R_{экв.вых} — эквивалентное выходное сопротивление данного каскада, определяемое по формуле

,

здесь R_2сл — сопротивление резистора R₂ в цепи делителя следующего каскада.

12. Находим минимальное значение коэффициента усиления каскаду по мощности

,

или в децибелах

( )

Необходимо, чтобы полученное значение K_{Pрасч[дБ]} было не ниже принятого в пред­варительном расчете для данного каскада.

13. Емкость разделительного конденсатора С₄, связывающего рассчитываемый каскад с последующим (рис. 1), находим по формуле

(C₄ выражается в микрофарадах; f_н — в герцах; R_экв._вых и R_вх.сл - в омах. Рабо­чее напряжение конденсатора С₄ принимают равным 1,5Е_к).

14. Уточняем величину коэффициента частотных искажений каскада на верхних частотах диапазона

 

где С_о — эквивалентная емкость, нагружающая рассчитываемый каскад (сумма ем­костей участка коллектор — эмиттер данного каскада, участка база— эмиттер по­следующего каскада и монтажной емкости).

Предлагаю ознакомиться с аналогичными статьями: