Особое внияамие следует уделить тепловому режиму работы тря»зистороь. В случае необходимости транзисторы используют с теплоотводом. При этом рассчитывают площадь теплоотвода и выбирают стандартный теплоотвод в соотаетствни с имеющимися в литературе рекомендациями [2, 22, 27].

4.2. Расчет выходных каскадов УНЧ на биполярных транзисторах

4.2.1. Расчет ,рдмотйнтного выходного каскада (рис. 4.7, о). Исходные данные: выходная мощность усилителя Рдых Диапазон частот /н-./н; сопротивление нагрузки R„; допустимый коэффициент частотных искажений на низких частотах М - допустимый коэффициент нелинейных искажений Кг, пределы изменения окружаю-

щей температуры /,

окр min-"oKp max

ТИП транзистора (по результатам предвари-

тельного расчета); тепловое сопротивление транзистора (между коллекторным переходом и окружающей средой) /?т,п-с-

Расчет производим в следующем порядке:

1. Определяем напряжение нсточника питания цепи коллектора при работ* каскада в режиме класса А по формуле

£„ = (0,4. . ,0,5) иэ гпах, (-2)

где t/j3 - максимально допустимое постоянное напряжение коллектор - эмиттер для выбранного типа транзистора.

2. Задаемся падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки выходного трансформатора

Л£,р=0,1£„ (4.201

3. Задаемся падением напряжения на резисторе R3 цепи термостабнлиэацни (рис. 4.7, о)

4(/да = 0,1г„. (4.S0)

4. Находим напряжение на коллекторе транзистора в режиме покоя (при отсутствии сигнала)

Укэр = г«-АЯ-лУда. (4.31)

5. Определяем коллекторный ток покоя

где Pf - мощность, потребляемая коллекторной цепью выбранного транзистора от источника питания (4.23).

6. Находим сопротивление нагрузки коллекторной цепи транзистора переменному току

?K~ = fK3p/2.b,x.r, (4.33)

где Рых т - мощность, отдаваемая в нагрузку транзистором выходного каскада (4.22).

В семействе выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, строим нагрузочную прямую (рис. 4.10). Для этого отмечаем рабочую точку Р с координатами t/jgp " горизонтальной оси находим точку Б, соответствующую напряжению кэр +крК--- Нагрузочную прямую проводим через точки Р и 5.

В точках пересечения нагрузочной прямой с крайними статическими харанте-рнстиками транзистора (точки Л и Э на рис. 4.10) определяем минимальные и максимальные значения тока н напряжения коллектора /ктш. тая- КЭ min КЭшм. Кроме того, замечаем максимальный ток базы/б max ~ Б5пР" котором ток коллек-

1 Характеристики транзисторов paaj

} приведены в раСоте [32].

а достигает зиа-емпя/к (т.чка М юк базы, соответствующий рабочей точке /g3 и минимальный ток базы - /б,- при котором ток коллектора равеа

(точка В).

7. Находим мощность, отдаваемую каскадом в выбранном режиме, вых.расч = 0.125 (/к max ~ rain) К-1вых.касн, где т]дых каск - выходного трансформатора. Необходимо, чтобы вых.рвсч выя-

8 Ток смещения базы / соответствующий найденной рабочей точке, прн использовании транзистсра с минимальным значением статического коэффициента

(4.34)

(4.35)

передачи тока находим по формуле

Бр так

= Кр21Э1Т11п.

(4.36)

9. Переходим к входной статической характеристике транзистора (рис. 4.П). В большинстве случаев статические характеристики транзистора, снятые при разных напряжениях икЭ "рактически совпадают друг с другом (за исключением характеристики, снятой при UQ= 0). Поэтому обычно в справочниках приводятся лишь две статические входные характеристики, одна из которых соответствует t/j3 = О, а другая - некото-рЛау значению fg отличному от 0. Переносим точки А, Р и S, соответствующие пересечению мэтруэочной прямой со статическими характери-стаками прн = /g, / = и

Рнс. 4.10. Нагрузочная прямая в семействе выходных статических характеристик транзисторного каскада, работающего в режиме класса А

h, (вис. 4.10), на входную оа-таческую характеристику выбранного транзистора, снятую при " •

i:SEiSs=rn==»s

ваемого выходного каскада (рис. 4.11)

fJ.xm = ("бЭ п,.х /„„,=(/вта.

„i„)/2-

(4.37) {4.3S)

11. Определяем вводную мощность, необходимую »"i;*f каскада, т. е. мощность, которую должен развивать предоконечныи каскад

= f.xm=x»,«-

(4.39)

• 12. Рассчитываем входное сопротивление транзистора переменному току за риод сигнала («средней входное сопротивление «„.cp)

(4.40)

. в с„р«о™к.х по полупроидинновь». прн5ор.« Обь.™» ук,эыв.ют .елида •21Эат

„"Гзо..тГ. р.с"ет„ы, гоотношвилх .«„.«альное ана.еп.е „ого параметр, (порядка 105

13. Находим „оэфф„ц„е„™ усиления каска.та по иаприжению „ „о „одип-™

Л„ = Р..

(4 42)

14. Определяем коэффициент нелинейных искажений сигнала. При работе биполярного транзистора в режиме больших сигнале» нелинейные искажения будут наблюдаться во входим! и выходной его цепях. Поэтому для вычисления коэффициента гармонвк следует предварительно рассчитать и построить сквозную динамическую карактеристнку, представляющую собой зависимость тока коллектора от ЭДС эквивалентного генератора входного сигнала Еу- Необходимость в этой характеристике вызвана тем, что часть напряжения источника сигнала, поступающего на выходной каскад, падает на внутреннем сопротивлении этого источника (IRh), что приводит

к зависимости входного напряжения от тока базы и к фактическому искривлению входной динамической характеристики.

Для построения сквозной динамической характеристики необходимо;

Рис. 4.п. Входная статическая характеристика транзистора с перенесенными точками А, В и Р

Рис. 4.12. График зависимости L-

э) задаться внутре}!нни сопротивленкев эквивалентного генератора входного сигнала /?„ (50,..300) Ом:

б) отметить для нескольких точек нагрузочной прямой значения тока /{ (рнс. 4.10). Так, для точек А> Р и В ток /( соответственно равен тех- КР»

в) на графике пходной характеристики отметить несколько точек, соответствующих выбранным точкам нагрузочной прямой, и определить в них величины/g Ht/gg, Так, на рис. 4.! I ллч точек А, Р и В искомые токи и напряжения соответственно равны /Б.4-=/Бт.х: (Ба4- tBSmaxi V=V ЪР=ЬЭ бВ = *= б rain- ВЭв- = min

г) рассчитать значения ЭДС эквивалентного генератора входного сигнала для различных значений U и Ig по формуле

E,==U-{-IR„. (4.43)

Для выбранных точек получим; £БЭЛ+ Б.4м; Еу = &Эр + e-R

Таким образом, току 1ца= „,йя *оотвУт ЭДС Я-; току/,(р соответствует ЭДС Ер; току / = /к n,in соответствует ЭДС Е,;

д) по полученным значениям в прямоугольной системе координат строим график зависимости /j = /{£[.) (рис. 4.12).

Для того чтобы рассчитать коэффициент нелинейных искажений, нужно разделить рабочий участок на горизонтальной оси (между точками С н D) на четыре одинаковые части и для пяти точек, ограничивающих эти части, определить значения со

ответствующих им токов 1}у j. /

rain- KJ Кр К2

к max (Р" 4.12). Тогда амплитуда

первой гармоники тока коллектора подсчитывается по формуле

Кт. =1(К max " к ш.п) + (к2 " к)1Д Амплитуда второй гармоники тока

Кш3 = (к max + Kn.i.-SV-Амплитуда третьей гармоники

К = 1(/к „ах - к mm) - 2 (/К2 " Ы,)]"-Коэффициент нелинейных искажений определяем по формуле

Необходимо, чтобы

(4.44;

(4.45:

(4.46

(4.4 (4.4«

т. е. чтобы полученная величина коэффициента гармоники не превышала эаданног допустимого значения. В этом случае можно обойтись без введетия отрицательно! отной связи. Если же условие (4.48) не выполняется, то выходной каскад необхо двмо охватить цепью отрицательной обратной связи к произвести дополнительны! paciWTэлементов этой цепи (см. § 4.5).

15. Определяем необхошмую поверхность охлаждения радиатора, обеспечива ияцуго допустимую температуру коллекторного перехода.

S; 1000/(/?„.От), (4.49

где S-площадь теплоотвода, см; - тепловое сопротивление выбранног

типа транзистора (указывается в справочниках по полупроводниковым приборам] "ОмВт; Of-коэ4ф1ииент теплоизлучения от теплоотвода в окружающую среду мВт / (см "С). Коэффициент От зависит от количества тепла, отводимого от тепле отвода за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Обычно принимают о, = = 1.5 мВт /(см" °С). Теплопроводность повышается с увеличением площади S ти лоотвода. Отвод тепла за счет конвекции растет с увеличением разности температу тетлоотвода и окружающей среды. Конвекция улучшается при вертикальном полож* ини теплоотвода. Максимальный отвод тепла за счет излучения составляет 0,6 мВт (га* °С). Рекомендуется покрывать теплоотвод (радиатор) черной матовой краске или зачернять его другим способом для увеличения эффективности отвода тепла г счет излучения. В ряде случаев в качестве теплоотвода выгодно использовать мета* лические шасси и стенки блоков аппаратуры.

16. Рассчитываем элементы цепочки термостабилизацин RC (рис. 4.7, а). В а ответствии с формулой (4.30) падение напряжения на резисторе ?3 равно

а ток, проходящий через этот резистор, равен

где/эр, /р, бр-токи эмиттера, коллектора и базы соответственно для выбранно!

положения рабочей точки. Тогда

(4.5

Выбрав нш(ииальное значение сопротивления резистора R3, находим мощность, рассеиваемую на этом резисторе,

после чего выбираем конкретный тнп резистора.

Емкость конденсатора С2 находим по формуле

С.= 10V2n/a0.1/?3. i-)

где /„ - низшая частота заданного частотного диапазона усилителя.

В формулу (4.53) значение R3 подставляется в омах, а - в герцах; С2 получаем в микрофарадах.

Поскольку величина сопротивления резистора /?3 обычно невелика (единицы - десятки Ом), значение С2 может оказаться слишком большим (тысячи микрофарад и выше). Конденсатор такой большой емкости даже при малом рабочем напряжении (порядка Д /дз) имеет большие габариты, массу и стоимость. Поэтому в таких случаях целесообразно исключить его нз схемы, хотя при этом возникает отрицательная обратная связь по переменному току, приводящая к некоторому уменьшению коэффициента усиления каскада. В связи с тем, что расчетное значение коэ4к})ициента усиления по мощности (см. формулу (4.42)) обычно превышает принятое в предварительном расчете значение (20...30 дБ), уменьшение коэффициента усиления нз-за появления обратной связи можно считать допустимым.

,. 17. Определяем сопротивления резисторов R\ и R2 делителя напряжения а цепи базы (рис. 4.7, а). Принимаем падение напряжения на сопротивлении R4 фильтра

At/; = {0,1...0.2)£«. (4.54)

Находим напряжение, подводимое к делителю

иЕу,- U. (4.55)

Выбираем ток в цепи делителя из условия

/д(2...5)/в,,. (4.56)

Определяем R\ и R2 по формулам

/?. = (/д - Ш, - t/B3p)/(G. Н- -д): (4-57)

R = (R,+UMU- (4.58,

Прн этом необходимо, чтобы

/?,= (5...10)/?з,р, (4.5Э)

т. е. чтобы резистор R2 заметно не уменьшал входное сопротивление каскада.

Выбрав номинальные значения сопротивлений резисторов R\ и /?2 и рассчитав мощность, рассеиваемую на них (Р = /д/?1; Р= IR, определяем соответствующие типы резисторов делителя.

18. Находим элементы фильтра по формулам

RSUjJ}, CiXIO. ,.50)/,;?,. (4.60)

Для получения значения С\ в микрофарадах частоту fa выражают в герцах, а ?4 - в мегомах.

Мощность, рассеиваемая на резисторе /?4, равна Pj ~ IRi, рабочее напряжение конденсатора С\ должно быть не меньше напряжения источника питания.

19. Определяем коэффициент трансформации выходного трансформатора

¥

(4.61)

20. Находим активные сопротивления первичной и вторичной обмоток выходного трансформатора

, = «К~<1-Ч,,вых)2Л,..ь.к; г, = /?„(! - т), ,,„,),2ti,,,„j.

(4.62) (4.63)

21. Определяем индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора с jji" учетом допустимых частотных искажений на нижних частотах

(4.64)

i.i = («»+-s)/2n/„n»/AlJ

,-1-

Индуктивность рассеяния выходного трансформатора для транзисторного выходного каскада обычно не рассчитывают, так как она на верхних частотах диапазона практически не вносит искажений.

22. Находим КПД каскада

Ч.Ы, ««« = ..х.р.с/Скр + бр) f". <4-«5)

где /кр и вр - та**" коллектора и базы в выбранной рабочей точке.

23. Конструктивный расчет выходного трансформатора может быть произведен в соответствии с методикой, изложенной в работах [12, с. 142-145; 27, с. 44- 55; 37, с. 152-182].

4.2.2. Расчет двухтактного выходного каскада (рнс. 4.7, б). Исходные данные для расчета двухтактного выходного каскада характеризуются теми же показателями, которые используются для расчета однотактного каскада (см. 4.2.1).

Расчет производим в следующем порядке:

1. Выбираем режим работы двухтактного каскада. Поскольку наиболее полно преимущество двухтактного каскада (большая выходная мощность, отсутствие постоянного подмагничивания сердечника, минимальные нелинейные искажения) реализуется в режиме класса В, целесообразно вести расчет для данного режима работы,

2. Находим мощность, которую должен отдать каскад в нагрузку,

.ых.к.ск = вых/1,2, где 11,2- КПД выходного трансформатора, выбираемый в пределах 0,75...0,85.

3. Находим КПД двухтактного каскада, работающего в режиме класса В,

Пеь.,,аск=095т],,л/4, (4.67)

4. Подбираем тип транзисторов. Для этого определяем мощность, рассеиваемую в коллекторном переходе каждого транзистора, по формуле

к = .«...в.. <1 - Ч.ы....„)/2ч.ь„...с.- «-68)

По найденному значению Рц выбираем транзисторы, у которых паспортное значение максимально допустимой мощности, рассеиваемой на коллекторе, превышает расчетное значение (Рк: тал к)- выбранных транзисторов находим параме-

тры h.ji

кЭтах. /к шах. БС п-с (табл. 4,3).

5. Определяем напряжение источника питания

= (0,35 . . . 0,4) (Уэ тях-

6. Находим сопротивление нагрузки, приведенное к одному плечу каскада,

/г„ = 0,9£;/2Рдц ц.. (4.70)

7. Максимальное значение тока коллектора каждого транзистора в рабочем режиме определяем по формуле

/крта«-0-95£к ?н Cl-l)

8. В семействе выходных статических характеристик выбранного транзистора, включенного но схеме с общим эмиттером, строим нагрузочную прямую, проходящую через точки А я Б с координатами = кртах- КЭ - (точка Л) и= О, (/3 = (точка Б) (рис. 4.13). Отмечаем точки пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками транзистора (точки/-7 на рис, 4,13). Определяем ток базы /gp п,,, соответствующий току коллектора (значение токд базы в рабочем режиме /ватах Р"* - выбирается между значениями п /7).