Однотактный трансформаторный усилитель мощности на биполярном транзисторе

Исходными данными для расчета однотактного усилителя мощности являются входные параметры двухтактного усилителя мощности (см. подраздел 2.10):

- мощность, потребляемая нагрузкой Р_н= 7,5 мВт;

- сопротивление нагрузки R_н= 1,5 Ом;

- частота сигнала f_н=5,5 кГц;

- амплитуда напряжения на нагрузке

Принципиальная схема однотактного трансформаторного усилителя мощности представлена на рисунке 2.1.

Риcунок 3.1 – Схема однотактного трансформаторного усилителя мощности на биполярном транзисторе

Расчет каскада производится аналогично расчету усилителя с общим эмиттером, но необходимо учитывать, что подключение сопротивления нагрузки R_н к коллекторной цепи транзистора VT1 происходит через трансформатор Тр1. По переменному току напряжение коллектора VT1 U_k и напряжение нагрузки U_н связаны через коэффициент трансформации n:

n=W2/W1= U_н/U_k

3.1 Выбор КПД трансформатора

Выбор КПД трансформатора осуществляем по таблице 2.1. В данном случае принимаем η_тр= 0,65.

3.2 Выбор типа транзистора VT1

Рассчитываем необходимую допустимую мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора.

P_к.доп.=(1,1¸1,2)∙P_н / (h_тр∙h_к),

где h_к – КПД каскада.

Для транзисторов, работающих в режиме A h_к = (0,25¸0,3).

P_к.доп.=1,2∙0,0075 / (0,65∙0,25) = 55,4 мВт.

1) Рассчитываем граничную частоту, которая должна быть в (5¸10) раз больше частоты сигнала в нагрузке

f_гр= (5¸10)∙f_н = (27,5¸55) кГц.

3) U_кэ.max≥ 1,2 (2+2 U_н/n) – неравенство зависит от коэффициента n, который нам неизвестен, поэтому его выполнение проверим позже.

Исходя из полученных данных выбираем транзистор КТ201Б, параметры которого:

U_кэ.max=20 В; I_к.max=20 мА; P_к.max=150 мВт (при температуре окружающей среды Т_с=(-60¸+90) ˚С); U_кэ.отс=2 В; f_гр=3 МГц; h_21э=90 (h_{21э min} = 30).

Рисунок 3.2 – Выходные ВАХ VT1

Рисунок 3.3 – Входные ВАХ VT1

3.3 Выбор положения рабочей точки VT1 по постоянному току

Рабочую точку А необходимо выбирать так, чтобы выполнялись следующие условия:

1. Напряжение питания каскада должно иметь стандартное значение E_к={9,12,18,24 и т.д.} В, причем должны выполняться неравенства:

Для уменьшения количества требуемых питающих напряжений, рекомендуется использовать напряжение питание такое же, как и в двухтактном трансформаторном усилителе мощности.

2. Рабочая точка в режиме A обычно находится в середине активной области работы транзистора VT1.

Пользуясь входными и выходными ВАХ выбираем положение рабочей точки транзистора VT1, работающего в режиме А. Исходя из этого, выбираем:

Е_к=0,9·U_кэmax =0,9·20=18 В.

Строим кривую допустимой мощности:

Р_кmax= U_кэּI_к

Координаты рабочей точки по постоянному току:

I_к0 = 11,875 мA, U_кэ0=E_к/2=9 В, I_б0 = 150 мкA, Uбэ0 = 0,78 В.

3.4 Расчет резисторов R_э, R_ф

Положение рабочей точки А по постоянному току обеспечивается резисторами R_э, R_ф, и ЭДС Е_к: Е_к ≈ I_k∙R_ф + U_кэ + I_э∙R_э и так как I_э ≈ I_k получим окончательное соотношение:

Е_к = I_k( R_ф + R_э)+ U_кэ.

Данное соотношение описывает в координатах I_k,U_кэ уравнение нагрузочной прямой по постоянному току =I, которая на координатных осях отсекает отрезки:

U_кэ= Е_к , при I_k=0 и

I_k.з=Е_к/(R_ф + R_э), при U_кэ=0.

Принимаем: I_k.з=24 мА, Е_к= 18 В, тогда:

R_ф + R_э=

Выбирая падение напряжения на резисторе R_э равным:

U_Rэ=(0,05¸0,15)·Е_к=(0,05¸0,15)·18=(0,9¸2,7) В,

получим величину данного резистора:

R_э=

Выбираем R_э=200 Ом. P_Rэ=I_эо²∙R_э=(12,05)²10^-6∙200=0,029 Вт.

Тогда тип R_э: МЛТ-0,125-200±10%.

Отсюда R_ф=750-200=550 Ом. Выбираем R_ф=560 Ом.

P_Rэ=I_ко²∙R_ф=(11,9)²10^-6∙560=0,0793 Вт.

Тогда тип R_ф: МЛТ-0,125-560±10%.

3.5 Наклон нагрузочной прямой по переменному току

Также как и для двухтактного каскада коэффициент передачи n Тр1 обеспечивает любое положение нагрузочной прямой по переменному току ~I. Поворачивая нагрузочную прямую ~I вокруг рабочей точки А, выбираем наиболее ”высокомощный” режим. Но в заданном случае транзистор VT1 выбран с большим запасом по мощности и практически при любом положении ~I мы можем обеспечить требуемую мощность в нагрузке.

3.6 Расчет мощности, выделяемой в коллекторной цепи VT1

Мощность переменного тока Р_~1, поступающая от коллекторной цепи каскада в первичную обмотку трансформатора Тр1 и мощность, отдаваемую в нагрузку Р_н, связаны между собой соотношением:

Р_~1=Р_н/η_тр=0,0075/0,65=0,012 Вт.

С другой стороны:

Р_~1=(1/2)∙U_кэm∙I_кm.

Для обеспечения требуемой мощности Р_~1 на выходных ВАХ необходимо выбрать соответствующие амплитуды U_кэm (DU_кэ) и I_кm (DI_к).

Используя представленные на ВАХ приращения получаем:

Р_~1=0,5∙( I’_кmax-I_к0)∙( U_кэ0-U_кэmin)=0,5∙(18,125-11,875)∙(9-2)=21,88 мВт.

Условие Р_н/η_тр ≈ (1/2)∙U_кэm∙I_кm выполняется (мощность можно выбирать с запасом).

3.7 Расчет нелинейных искажений каскада

Для этого определим амплитуды гармоник коллекторного тока по сквозной динамической характеристике I_к(E_ист) методом пяти ординат.

Сопротивление источника находим по формуле:

R_ист=1,5∙h_11э=1,5∙(DU_бэ / DI_б) | _Uкэ=const

На входных ВАХ используем треугольник MNK для определения h_11э:

h_11э= (DU_бэ / DI_б) | _Uкэ=const=(0,8-0,725)/0,2ּ10^-3=375 Ом.

R_ист=1,5∙375 =562,5 Ом.

Далее, перенося точки на нагрузочной прямой с выходной ВАХ на входную, рассчитываем э.д.с. эквивалентного источника питания по формуле:

Е_ист = U_бэ + I_б∙R_ист

Накопленные данные заносим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Данные для построения сквозной динамической характеристики

Номер точки	Eист, В	Uбэ, В	Iб, мА	Iк, мА
	0,75	0,72	0,0055	5,625
	0,81	0,76	0,1
	0,87	0,78	0,15	11,875
	0,93	0,8	0,2	14,375
	0,99	0,83	0,27	18,125

Строим сквозную динамическую характеристику I_к(E_ист) (см. рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Сквозная динамическая характеристика однотактного трансформаторного усилителя мощности

Уровни сигнала определяются следующим образом: амплитуда Е_{ист m} однозначно определяется “треугольником мощности” АВС на выходных ВАХ транзистора VT1.

По сквозной динамической характеристике находим номинальные токи:

I_к’_max=18,125 мА;

I_кmin =5,6 мА;

I₀=11,9 мА;

I₂=8,6 мА;

I₁=14,85 мА.

Далее определяем амплитуды гармоник тока

Проверка:

I_к’_max = I_1m+ I_2m+ I_3m+ I_4m+ I_mср =18,125 мА;

Находим коэффициент нелинейных искажений для транзистора, работающего в режиме А по формуле:

.

Должно выполняться условие: γ < 4% (1,79 < 4).

3.8 Расчет цепи делителя

1. Находим ток делителя: I_д= 5∙I_б0= 5∙0,15ּ10^-3= 0,75ּ10^-3 А

2. Находим сопротивление резистора R_Д2:

R₂= (U_бэ0 + I_э0∙R_э) / I_д=(0,78+12,025ּ10^-3∙200)/0,75ּ10^-3=4247 Ом.

Выбираем R₂=4300 Ом.

Р_R2= I_д­²∙R₂=(0,75ּ10^-3)²∙4300=0,00242 Вт.

Тип R₂: МЛТ-0,125-4300±10%.

3. Находим сопротивление резистора R₁:

R₁= (E_к - U_Rф - I_д∙R₂) / (I_д + I_б0);

U_Rф= I_ко∙R_ф=11,875∙10^-3∙560=6,65 В.

R₁=(18-6,65-0,75ּ10^-3∙4300)/(0,75 ּ10^-3+0,15ּ10^-3)=9028 Ом.

Выбираем R₁=9100 Ом.

Р_R1=(I_д + I_б0)_­²∙R₁=(0,75ּ10^-3+0,15ּ10^-3)²∙9100=0,00737 Вт.

Тип R₁: МЛТ-0,125-9100±10%.

3.9 Расчет выходного трансформатора

Находим сопротивление нагрузки коллекторной цепи VT1 по переменному току:

R_~=Uкэ_m/Iк_m

R_~=( Uкэ_{0 ­}- Uкэ_min)/( I’к_max- Iк₀)=(9-2)/[(18,125-11,875)ּ10^-3] = 1120 Ом

Коэффициент трансформации находим по формуле:

Находим активное сопротивление первичной обмотки

r₁= R_~(1-η_тр)∙с/(1+с)

Находим активное сопротивление вторичной обмотки

, где с=(0,5¸0,7)

Получаем:

r₁=1120∙ (1-0,65)∙0,7/1,7=161 Ом

r₂=1/1,7∙0,967∙0,35/0,65=0,306 Ом

По полученным данным выбираем типовой трансформатор ТМ10-16, параметры которого:

Номинальная мощность Р_ном=0,01 В·А.

1) Входное сопротивление R_вх=2256 Ом.

2) Выходное сопротивление R_вых=17,5 Ом.

3) Коэффициент трансформации n=0,095.

4) Сопротивление первичной обмотки по постоянному току r₁= 166 Ом.

5) Сопротивление вторичной обмотки по постоянному току r₂= 0,7х2 Ом.

3.10 Температурная стабильность каскада

Температурная стабильность каскада определяется по формуле:

S = (1+D) / (1 - a_min + D),

причем должно выполняться условие S < 4 (для однотактных усилителей мощности на биполярных транзисторах, работающих в режиме А).

a_min = h _{21э min} / (1+ h_{21э min})= 30/31=0,9677.

Находим S:

S=(1+0,132)/(1-0,9677+0,132)=6,89

Т.к. условие S < 4 не выполняется, поэтому вместо резистора R₂ ставим термистор, параметры которого:

ММТ-4-4,3 кОм ± 20%; ТКС=3 %/˚С; t_раб=(-60…+125) ˚С.

3.11 Расчет блокирующих конденсаторов С_ф,С_э

Величины емкостей конденсаторов выбираются исходя из условия:

Хс(f_н) << R; , отсюда

1. Находим емкость конденсатора С_ф:

U_{Сф max}= 2∙U_Rфo = 2∙7,4=14,8 В.

Выбираем С_ф=0,56 мкФ. Тип конденсатора С_ф: К53-1-0,56±20%-20.

2. Находим емкость конденсатора С_э:

U_cmax= 2∙U_Rэo = 2∙2,41=4,82 В.

Выбираем С_э =1,5 мкФ. Тип конденсатора С_э: К53-1-1,5±20%-20.

3.12 Определение входных параметров

Находим входное сопротивление каскада

R_вх.к.= (R₁|| R₂)|| h_11э = [4300∙9100/(4300+9100)]||375= =2920∙375/(2920+375)=332 Ом.

Находим входную мощность каскада

P_вх.к.= I_бm∙U_бэm / 2 = (0,27ּ10^-3-0,15ּ10^-3)∙(0,83-0,78)/2= 0,003 мВт.

3.13 Расчёт разделительного конденсатора С1

мкФ.

Выбираем С1 =1 мкФ.

Тогда тип С1: К53-1-1±20%-30.

3.14 Определение коэффициентов усиления

Коэффициент усиления по мощности:

K_P = P_н / P_вх = 0,0075/(0,003ּ10^-3)=2500

Коэффициент усиления по напряжению:

=

Коэффициент усиления по току:

K_I=K_P/K_U=2500/3,31=755,29
4 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

Исходные данные:

- мощность, потребляемая нагрузкой Р_н= 3 мкВт;

- сопротивление нагрузки R_н= 332 Ом;

- частота сигнала f_н=5,5 кГц;

- амплитуда напряжения на нагрузке

- коэффициент нелинейных искажений в нагрузке ГСС γ_н = 0.37%;

- коэффициент нелинейных искажений двухтактного усилителя мощности γ_2УМ = 3.46%;

- коэффициент нелинейных искажений однотактного усилителя мощности γ_1УМ = 1.79%;

- коэффициент нелинейных искажений вносимых генератором γ_Гsin = (0.9÷0.95)∙γ_н = 0.34%_.

- -мощность, потребляемая нагрузкой ГСС Р_нГСС = 12,5 Вт;

- сопротивление нагрузки ГСС R_нГСС = 25 Ом;

- нестабильность амплитуды ∆U_н/U_н= 10^-2.

Рис. 5.1 – Принципиальная схема ПУ с инверсным включением

Выполним предварительный усилитель (ПУ) на ОУ с инвертирующим включением.