Рис.6
Выходной каскад - эмиттерный повторитель (ЭП) на комплементарных транзисторах VT3 и VT4 с параллельным возбуждением, работающий в режиме класса АВ. Его коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Поэтому для обеспечения в нагрузке максимальной мощности в идеале на выходной каскад надо подавать сигнал с амплитудой 0,5Ео. Таким образом, транзистор VT2 должен предельно использоваться по напряжению от полного открывания () до полного запирания (режим отсечки), в режиме покоя потенциал его коллектора относительно корпуса равен - 0,5Ео. Реально это значение больше с учетом падения напряжения . Поэтому в цепь эмиттера нельзя включать резистор для стабилизации тока покоя.
Каскад на VT2 работает, в режиме класса А. Ток покоя VT2 должен быть заметно больше амплитуды базового тока выходных транзисторов. Если бы резистор R7 был подключен непосредственно к корпусу, то R7=0,5Ео/. Величина сопротивления R7 оказывается достаточно малой, т.е. коэффициент усиления каскада на VT2 также невелик.
В режиме покоя конденсатор С4 заряжен до напряжения 0,5Ео. Его емкость выбирается столь большой, что за период сигнала это напряжение практически не меняется. Тогда при полном открывании VT4 по отношению к VT2 ,VT3 и их нагрузкам С4 и Eо оказываются включенными последовательно, т.е. общее напряжение источника питания составляет порядка 1,5Ео. Таким образом удается увеличить амплитуду входного и, следовательно, выходного сигнала.
При отключении нагрузки для обеспечения возможности настройки усилителя ставится резистор R10 (R10 ~ 40 ).
Экономичный режим работы такого выходного каскада достигается за счет правильного выбора напряжения смещения. Часто приходится ставить резистор, изображенный на рис.6 пунктиром.
Более совершенная схема УМЗЧ, лишенная некоторых указанных выше недостатков, представлена на рис.7. Чувствительный элемент схемы термокомпенсации тока покоя выходного каскада выполнен в виде транзистора VT3, который размещается непосредственно на радиаторе выходного транзистора. При увеличении температуры происходит смещение его выходных характеристик и увеличение , вследствие чего падение напряжения на VT3 уменьшается, т.е. уменьшается смещение на выходных транзисторах. Эта схема термокомпенсации работает в несколько раз эффективнее чем при использовании одного диода (см. рис.6). С помощью переменного резистора R8 оказывается очень удобно устанавливать ток покоя оконечного каскада.
Нагрузкой транзистора VT2 теперь уже не является резистор, а генератор стабильного тока (ГСТ) на транзисторе VT4 с элементами термокомпенсации тока покоя в виде диодов VD1, VD2 и выходное сопротивление оконечного каскада. Сопротивление VТ4 для постоянного тока много меньше, чем для переменного. На рис.8 для примера приведено семейство выходных характеристик транзистора, на котором отмечена точка покоя при В, мА. Тогда внутреннее сопротивление VT4 для постоянного тока составит . Для переменного тока , где и – достаточно малые приращения напряжения и тока. В конкретном случае . В рассмотренном примере не учтен резистор R10. За счет него незначительно увеличивается сопротивление нагрузки VT4 по постоянному току и существенно по переменному. За счет R10 будет действовать местная ООС по току, существенно увеличивающая выходное сопротивление VT4, т.е. сопротивление нагрузки VT2.
Сопротивление резисторов R11 и R12 составляют десятые доли Ома. Они ставятся не только для некоторого симметрирования плеч выходного каскада за счет введения местной ООС, но и несколько ограничивают ток VT5, VT6 при перегрузке каскада.
Стабильность потенциала в точке соединения резисторов R11 и R12, равного 0,5Ео, увеличивается при охвате всего усилителя по постоянному току через резистор R6 ООС по напряжению (последовательная по входу). Глубина ООС по переменному току задается резисторами R5, R6.
Описанная схема УМЗЧ широко применяется в усилителях, работающих от одного источника питания. Можно предложить следующий примерный порядок ее расчета.
4) Расчет выходного каскада УМЗЧ
По заданным мощности в нагрузке Рн и сопротивлению нагрузки Rн и определяются амплитуды напряжения и тока:
Umn=2Pн Rн, Umn=2*6*16=13,856(В)
Imn= Umn/ Rн=13,856/16=0,866(А)
Сопротивление резисторов Rэ=R11+R12 в цепи эмиттеров выбирается много меньше Rн (иначе сильно падает КПД).
Пусть:
Rэ=0,05 Rн , Rэ=0,05*16=0,8(Ом)
Рассчитывается напряжение источника питания :
Е0≥2[I(Rэ+ Rн)+1.5Uнас] , Е0≥2[0.866(0.8+16)+1.5*1.5] ≥ 33.5976
где Uнас - напряжение насыщения транзистора , которое для кремниевых транзисторов составляет порядка 1В, а 1,5- коэффициент запаса.
Окончательно величина Е0 выбирается согласно ряду ГОСТа в сторону большего номинала.
Тогда напряжение покоя и рассеиваемая мощность на выходных транзисторах будут равны:
Uк=0,5Е0; Uк=0,5*33.5976=16.7988(В)
Рк=0,101 U2к/ Rн, Рк=0,101*(16.7988)2/16=1,781(Вт)
Выбор транзистора производится при соблюдении следующих условий:
Ркmax≥1.3 Рк; Ркmax≥1,3*1,781=2,3(Вт)
UКЭmax≥1.2Е0; UКЭmax>=1.2*33,5976=40,3171(В)
IKmax≥1.2 Imn; IKmax≥1.2*0,866=1,0392(А)
fh21К≈ fh21Э≥(3…5)fв; fh21К≈ fh21Э≥ (24…40)
где Ркmax ,UКЭmax, IKmax, fh21К и fh21Э- соответственно предельная рассеиваемая на коллекторе мощность, предельные напряжения коллектор-эмиттер и ток коллектора , верхняя граничная частота транзистора в схеме включения с общим эмиттером и общим коллектором , а fв- верхняя рабочая частота сигнала.
Иногда в справочниках вместо частоты fh21Э, указывается частота fh21Б или fТ. fh21Б-это предельная частота коэффициента передачи тока h21Б в схеме с общей базой , т.е. частота на которой этот коэффициент уменьшается до уровня 0,7 по сравнению с областью нижних частот.
После того, как было произведено часть расчетов, происходит выборка транзистора по полученным параметрам, из выше приведенных формул. В моем случае подходит германиевый транзистор: ГТ403, для которого h21Э=30.
Частота fТ- граничная частота транзистора в схеме с общим эмиттером при которой h21Э=1.
Взаимосвязь между названными частотами определяется с помощью следующих выражений:
fh21Э* h21Э≈ fh21Б≈1,3 fТ ;
h21Э= h21Эmax* h21Эmin ;
h21Э – статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ , h21Эmax и h21Эmin - справочные параметры : пределы технологического разброса.
В других случаях в справочниках указывается величина модуля коэффициента передачи тока на определенной частоте f.Тогда можно воспользоваться выражением:
fТ≈│ h21Э │* f.
При прочих равных условиях выходные транзисторы желательно выбирать с большим -h21Э.
Максимально возможная отдаваемая в нагрузку мощность:
Рн.max=(UК-Uнас)2Rн/(Rн+RЭ)2
Рн.max=(16,7988-1,5)2*16/(16+0,8)2=13,27(Вт)
Ток покоя окончательного каскада, ток покоя базы и амплитуда базового тока:
Ik5=0.05Imn; Ik5=0.05*0,866=0,0433(А)
IB5=Iкз/h21Э;
IBm5=1.1 Imn/ h21Э; IBm5=1,1*0,866/30=0,031(А)
Коэффициент усиления и входное сопротивление оконечного каскада:
К3=КЭН=(1+ h21Э)R11/r1Б+(1+ h21Э)(rэ+ Rэ+ Rн)
r1Б-можно пренебречь , R11= Rэ=0,8(Ом)
rэ=0,026π/ Imn =0,026*3,14/0,866=0,09(Ом)- среднее сопротивление эмиттера для транзистора , работающего в режиме класса В.
К3=КЭН=(1+30)*0,8/(1+30)(0,09+0,8+16)=0,047
Rвх.эп= r1Б+(1+ h21Э)(rэ+ Rэ+ Rн)=523,59(Ом)
Амплитуда входного сигнала :
Uмвв3=Uмн/ К3=13,856/0,047=294,8(В)
Расчет площади радиатора при необходимости производится согласно рекомендациям приведенными в следующих разделах.
5) Расчет предоконечного каскада УМЗЧ
Каскад на транзисторе VT2 в режиме класса А и его ток покоя должен превышать амплитуду базового тока выходного каскада:
Ik2 =1,3IBm5=1,3*0,031=0,0403(А)
Рк2=0,5 Ik2 Е0=0,5*0,0403*33,5976=0,6769(Вт)
Для предоконечного каскада желательно выбрать транзистор с возможно большим коэффициентом передачи по току, соблюдая условия
Ркmax≥1.3 Рк; Ркmax≥1,3*1,781=2,3(Вт)
UКЭmax≥1.2Е0; UКЭmax>=1.2*33,5976=40,3171(В)
IKmax≥1.2 Imn; IKmax≥1.2*0,866=1,0392(А)
fh21К≈ fh21Э≥(3…5)fв; fh21К≈ fh21Э≥ (24…40)
Вновь, после проведенного ряда расчетов, произвожу выборку транзисторов VT2 и VT4
и по полученным параметрам подходит транзистор ГТ402Д, h21ЭVT4=30.
Входная емкость VT2 заметно шунтирует сопротивление нагрузки. С целью уменьшения искажений в области верхних частот следует:
fh21Э≥(50…100) fв
При прочих равных условиях для рассчитываемого каскада надо выбрать транзистор с меньшим выходным сопротивлением с целью уменьшения искажений в области верхних частот , возникающих из-за большой входной емкости выходного каскада.
