Параметры транзисторного УНЧ

Каскады усиления напряжения звуковой частоты чаще всего выполняются на транзисторах, включённых по схеме с ОЭ, так как при этом получается наибольшее усиление сигнала. Рабочую точку усилительного каскада выбирают в каждом конкретном случае в зависимости от параметров, которыми должен обладать усилитель. Основными требованиями, предъявляемыми к каскаду, являются:

- максимальное усиление по напряжению;

- минимальные частотные и нелинейные искажения;

- высокая экономичность;

- температурная стабильность.

Одновременно выполнить все эти требования невозможно. Так, например, при большом усилении снижается устойчивость работы усилителя, который легко возбуждается, превращаясь в генератор, и нарушается его нормальное функционирование. Увеличение температурной стабильности обязательно сопровождается снижением усиления и КПД.

Основным требованием, наиболее часто предъявляемым к предварительным усилителям напряжения, является требование минимальных нелинейных и частотных искажений усиливаемого сигнала. В качестве предварительных усилителей напряжения часто используют каскад со схемой эмиттерной стабилизации (рис. 7, а) или дифференциальный усилитель (рис. 7, б).

 

Рис.7

Типичные схемы предварительных усилителей напряжения

 

Рассмотрим приближённую схему расчета параметров усилителя напряжения (рис. 7, а). Рабочая точка такого каскада выбирается в следующей последовательности:

· Для используемого в схеме транзистора по справочным данным определяют максимально допустимые значения коллекторного тока и напряжения и максимальную рассеиваемую мощность .

 

Например, широко распространенный транзистор КТ315Д имеет следующие параметры:

– максимальный ток коллектора = 100 мА;

– максимальное напряжение коллектор - эмиттер = 40 В;

– максимальная рассеиваемая мощность транзистора = 150 мВт;

– статический коэффициент усиления в схеме с ОЭ h _{21 Э} = 50.

 

· на семействе выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора (рис. 8а) строится линия нагрузки БВ, исходя из следующих условий:

< 0.8 ∙ , (1)

U_п < 0.8∙ . (2)

Выполнение неравенства (1) необходимо потому, что коллекторный ток насыщенного транзистора должен быть меньше максимального допустимого тока . Коэффициент 0,8 гарантирует выполнение этого неравенства при разбросе сопротивления резистора R_k и нестабильности питания U_п.

Выполнение неравенства (2) обеспечивает надёжную работу транзистора в режиме отсечки или при обрыве цепи базовых резисторов, когда напряжение на коллекторе транзистора поднимается почти до U_п.

· Р.т. каскада в режиме класса А выбирается в средней части рабочего участка линии нагрузки БВ и характеризуется тремя параметрами: токами покоя , , напряжением . Затем она переносится на входную ВАХ транзистора, снятую при U_КЭ = , и по найденному значению определяется напряжение (рис. 8б). Изменение положения р.т. обеспечивается изменением сопротивления резистора R_{б 1}.

 

Рис. 8

К расчету параметров усилителя напряжения

 

В инженерных расчетах параметры , , , а через них значения резисторов можно оценить по приближенным формулам, если принять следующие допущения:

– амплитуда входного сигнала настолько мала, что рабочая точка всегда находится на линейном участке динамической характеристики транзистора;

– ёмкость конденсатора Cэ настолько велика, что его сопротивлением переменному току на наименьшей частоте усиливаемого сигнала можно пренебречь (т.е. считать, что переменное напряжение на эмиттере транзистора равно нулю);

– линейный участок динамической характеристики расположен симметрично относительно нуля и напряжения питания, что обеспечивает возможность приблизительно одинакового изменения коллекторного тока в сторону уменьшения и сторону увеличения.

Таким образом, можно выбрать начальное напряжение на коллекторе транзистора в отсутствии сигнала при работе усилителя в режиме класса А равным половине напряжения источника питания = 0.5 ∙ U_п.

Как уже отмечалось, начальный ток коллектора и начальный ток базы выбирают по ВАХ транзистора, однако можно поступить иначе: выбрать начальный ток коллектора, который обеспечивает рассеиваемую транзистором мощность заведомо меньшую максимальной . Для большинства маломощных транзисторов приемлемым можно считать начальный ток коллектора 0.1…1 мА.

Тогда сопротивление коллекторного резистора определяется:

R_{K = =}

Сопротивление в цепи эмиттера R_Э обычно выбирается так, чтобы выполнялось соотношение ≈ 0.1 U_п, т.е. (I_K ≈ I_Э)

R_{Э =}

Величина сопротивления R_{б 2} определяется как

R_{б 2} = ,

где - напряжение базы, которое определяется значением по ВАХ транзистора, I_d - ток делителя, можно выбрать I_d ≈10∙ .

Величина сопротивления R_б1 определяется как

R_{б1 =}

Если схема усилителя допускает подстройку сопротивления хотя бы одного резистора (обычно резистор R_б1 разбивается на два - постоянный и подстроечный), для инженерных расчетов бывает достаточно точности более простых выражений, определяемых следующими условиями без привлечения ВАХ транзистора.

Поскольку для нормальной работы транзистора (в режиме класса А) эмиттерный переход должен поддерживаться в открытом состоянии, т.е. напряжение на базе на 0.6 В (для кремниевых транзисторов) должно быть выше напряжения на эмиттере: U_Б = U_Э + 0.6В.

Кроме того, для обеспечения стабильности постоянного смещения на базе транзистора ток делителя I_d должен значительно превышать ток базы (примерно в 5…10 раз).

Базовый ток можно оценить как ≈ / h _{21 Э} (где h _{21 Э} – коэффициент усиления транзистора в схеме с ОЭ, приводится в справочной литературе).

Таким образом, ток делителя можно выбрать I_d ≈ 10∙ =

и, если пренебречь базовым током, значения сопротивлений делителя R_{б 1} и R_{б 2} определяются из соотношений:

I_d = ; U_Б = I_d ∙ R_{б 2}.

Выбор значений ёмкостей конденсаторов зависит от требований, предъявляемых к частотным характеристикам усилителя, в частности к нижней граничной частоте f_n усиливаемого сигнала:

C_Э >> ; C_{б > ;} C_к > ,

где R_вх – входное сопротивление усилителя, R_вых – выходное сопротивление, R_н – сопротивление нагрузки. Обычные значения ёмкостей конденсаторов C_Э - 10…100 мкФ, C_б и C_к - 0.05…50 мкФ.

Входное и выходное сопротивления усилителя (переменному току) можно оценить следующим образом. Напряжение входного сигнала U_вх поступает через разделительный конденсатор C_б на базу транзистора и вызывает протекание тока через резисторы R_{б 1}, R_{б 2} базового делителя и в цепи базы транзистора и изменяет ток коллектора на ∆ I_K и напряжение на коллекторе на ∆ U_КЭ = ∆ I_K ∙ R_k. Входным сопротивлением каскада являются параллельно включенные резисторы базового делителя (R_{б 1} || R_{б 2}) и входное сопротивление транзистора

h _{11 Э} (h _{11 Э} ≈ h _{21 Э} ∙ (25 мВ/ I_K [ мA ]) ~ 1 кОм).

R_вх = R_{б 1} || R_{б 2} || h _{11 Э} .

Обычно сопротивление резисторов R_{б 1} и R_{б 2} значительно больше входного сопротивления h_11Э транзистора, поэтому выражение для R_вх можно упростить: R_вх = h_11Э.

Следует отметить, что входное сопротивление переменному току отличается от входного сопротивления постоянному току, т.к. мы использовали допущение, что из-за наличия конденсатора C_Э отрицательная обратная связь по переменному току отсутствует (переменное напряжение на эмиттере транзистора равно нулю). Наличие ООС по постоянному току приводит к тому, что входное сопротивление постоянному току будет определяться величиной (R_{б 1} || R_{б 2}), поскольку входное сопротивление транзистора в данном случае определяется как h_21Э ∙ R_Э и обычно имеет большую величину. В любом случае, лучше выбирать R_{б 1} || R_{б 2} << h _{21 Э} ∙ R_Э.

Для переменного тока можно считать, что входной ток практически весь поступает в базу транзистора

I_вх = ≈ I_Б,

следовательно, переменная составляющая тока коллектора

= h_21Э ∙ I_Б = ,

а напряжение на коллекторе, представляющее собой выходное напряжение,

= = ∙ R_K = ∙ .

Выходное сопротивление каскада определяется параллельным соединением резистора R_k и выходного сопротивления транзистора 1/h_22Э.

R_вых = R_k || (1/ h _{22 Э} ),

где h _{22 Э} – выходная проводимость транзистора в схеме с ОЭ (~50 См).

Коэффициент усиления по напряжению определяется как

K_U = =

Этот параметр усилителя зависит от частоты и амплитуды усиливаемого сигнала. Это объясняется тем, что с понижением частоты падение напряжения на конденсаторах C_б и C_k под действием входного и выходного токов каскада увеличивается и представляет собой потери напряжения сигнала, а конденсатор C_Э все меньше шунтирует резистор R_Э, что увеличивает полное сопротивление эмиттерной цепи транзистора и глубину отрицательной обратной связи по переменному току, следовательно, уменьшает коэффициент K_U.

При повышении частоты сигнала необходимо учитывать влияние входной и выходной (паразитных) ёмкостей транзистора, шунтирующих входное и выходное сопротивления каскада, что проявляется уменьшением полезного тока, поступающего на его вход и в нагрузку.