Исходными данными для расчета усилительного каскада являются напряжение источника питания Ек, параметры рабочей точки транзистора: ток покоя I 0 к и напряжение покоя U 0 кэ; сопротивление нагрузки Rн; минимальная частота усиливаемого сигнала f 0.
Например. В качестве исходных данных для выполнения примера расчета принимаем:
Ек = 24 В;
I 0 к = 15 мА;
U 0 кэ = 12 В;
Rн = 600 Ом;
f 0= 400 Гц.
Условия расчета
В предлагаемой методике расчета не рассматривается вопрос выбора режима работы транзистора по постоянному току.
Решение этих вопросов представляет собой самостоятельную, достаточно сложную задачу, решение которой, как правило, является неоднозначным и зависит от множества дополнительных условий и ограничений. Учет всех этих требований потребовал бы применения нескольких вариантов подхода к решению задачи и сильно увеличил бы и без того достаточно большой объем работы по данной теме.
В основу расчета каскада положено использование входных и выходных характеристик примененного транзистора, по которым определяются необходимые для расчета параметры транзистора.
Порядок расчета
5.5.1. Производится выбор транзистора по выше описанной методике в пункте 1.3, а так же с учетом того что:
, 
= 180 мВт,
где 
.
Выбираем транзистор МП – 25 с параметрами:
| 
| 
| 
|
| 300 мА | 13 ÷ 25 | 40 В | 200 мВт |
|
5.5.2. Расчет сопротивлений резисторов.
|
|
|
|
|
I 0 б ≈ 0.9 мА;
б) определяем постоянную составляющую тока эмиттера
I 0 э = I 0 к + I 0 б = 15 + 0.9 =
|
в) величину падения напряжения на резисторе Rэ принимаем равной 0.2 Ек. Определяем сопротивление резистора
Rэ = 
г) определяем сопротивление резистора
Rк = 
|
|
|
U 0 бэ ≈ 0.25 В;
|
|
|
ж) определяем сопротивление резистора R 2:
R 2 = 
з) определяем сопротивление резистора R 1:
R 1 = 
5.5.3. Определение коэффициента нестабильности каскада:
а) определяем величину Rд:
Rд = 
б) определяем коэффициент усиления транзистора
в) определяем коэффициент нестабильности
Si = 
Приемлемые значения коэффициента нестабильности лежат в пределах 3 ÷ 5.
В случае, если величина Si, полученная расчетом, лежит вне указанных пределов, следует изменить параметры цепи смещения. Для увеличения Si необходимо уменьшить ток делителя Iд или величину падения напряжения на резисторе Rэ.
В нашем случае Si = 2.18 < 3. Уменьшаем величину тока делителя Iд и повторяем расчеты, начиная с п.5.5.2.в. 
5.5.2. е¤) принимаем Iд = 5 I 0 б = 5 ∙ 0.9 = 4.5 мА;
ж¤) определяем сопротивление резистора R 2:
R 2 = 
з¤) определяем сопротивление резистора R 1:
R 1 = 
5.5.3. а¤) определяем величину Rд:
Rд = 
в¤) определяем новое значение коэффициента нестабильности
Si = 
Такое значение Si можно считать удовлетворительным, поэтому останавливаемся на найденных значениях сопротивлений резисторов R 1 и R 2.
|
а) по входной характеристике (рис.9,б) определяем входное сопротивление транзистора как котангенс угла наклона касательной к этой характеристике, проведенной через рабочую точку.
rвх = сtg 
б) определяем входное сопротивление каскада как эквивалентное сопротивление трех параллельно включенных сопротивлений R 1, R 2, rвх. Поскольку сопротивление параллельно включенных резисторов R 1 и R 2 представляет собой найденную нами величину Rд, для определения Rвх можем воспользоваться более простой формулой:
Rвх = Rд // rвх = 
в) определяем эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току
Rн ~ = Rк // Rн = 
г) определяем коэффициент усиления каскада по току с учетом шунтирующего действия входных и выходных цепей усилителя
KI = 
д) определяем коэффициент усиления по напряжению
KU = – KI 
Физический смысл отрицательного значения коэффициента усиления по напряжению заключается в том, что выходное напряжение сдвинуто по фазе на 1800 относительно входного, т.е. мгновенная полярность выходного напряжения всегда обратна мгновенной полярности входного;
е) определяем коэффициент усиления каскада по мощности
КР = │KI KU│= 6.6 ∙ 44.5 = 296;
ж) определяем выходное сопротивление усилителя, как параллельное соединения транзистора и сопротивления в цепи коллектора
Rвых = rвых // Rк.
Ввиду того, что обычно rвых >> Rк, можно считать
Rвых ≈ Rк = 480 Ом.
5.5.5. Расчет емкостей конденсаторов в схеме усилительного каскада:
а) определяем емкость конденсатора С 1, исходя из условия, что на частоте усиливаемого сигнала 
<< Rвх.
Принимаем = 0.1 Rвх.
Отсюда
С 1= 
б) определяем емкость конденсатора С 2, полагая 
= 0.1 Rэ:
С 2 = 
в) определяем емкость конденсатора С3, полагая 
= 0.1 Rн:
C 3= 
5.5.6. Построение линии нагрузки каскада по постоянному току.
Линия нагрузки по постоянному току представляет собой графическую зависимость между постоянными составляющими тока коллектора и напряжения коллектор – эмиттер, выражаемую формулой:
U кэ = Eк – I к (Rк + Rэ).
Линия нагрузки строится на семействе выходных характеристик транзистора (рис.9,а) следующим образом:
а) определяем точку, соответствующую режиму холостого хода коллекторной цепи (I к хх = 0):
U кэ хх = Ек = 24 В.
Данная точка лежит на оси абсцисс на расстоянии, равном Ек от центра координат;
б) определяем точку, соответствующую короткому замыканию цепи коллектора (U кэ кз =0):
Iк к.з. = 
Точку к.з. откладываем на оси ординат на расстоянии, равном Iк кз от центра координат;
в) строим линию нагрузки по постоянному току как прямую, соединяющую точку холостого хода с точкой короткого замыкания. Если расчеты и построения выполнены правильно, то линия нагрузки пройдет через заданную рабочую точку транзистора с координатами
U 0 кэ = 12 В; I 0 к = 15 мА (см. рис.9,а).
5.5.7.Построение линии нагрузки по переменному току
Линия нагрузки по переменному току представляет собой графическую зависимость между переменной составляющей коллекторного тока и выходным переменным напряжением
Uн ~ = Iк ~ Rн ~.
Эта линия проходит через рабочую точку каскада, причем угол ее наклона к оси абсцисс определяется сопротивлением нагрузки каскада по переменному току
Для практического построения линии нагрузки по переменному току воспользуемся соотношением
Положим 
тогда
Строим линию нагрузки по переменному току как прямую, проходящую через рабочую точку и точку с координатами
Iк = 0:
U кэ = U 0 кэ + ∆ Uн ~ = 12 + 4 = 16 B.
Задание для самостоятельной работы
Выполнить расчет транзисторного усилительного каскада с емкостной связью. Параметры рабочей точки усилителя указаны в табл.8.
Таблица 8
| Ток покоя I 0 к, мА | Напряжение покоя U 0 эк, В | |||||
| 1¤ | - | - | - | |||
| 4¤ | - | - | ||||
| 8¤ | 9¤ | - | ||||
| 13¤ | 14¤ | |||||
| 19¤ | 20¤ | |||||
| 25¤ | 26¤ | 27¤ |
Для вариантов, отмеченных в таблице 8 знаком ¤, Ек = 12 В. Для остальных вариантов Ек = 24 В. Минимальная частота усиливаемого сигнала f0 = 400 Гц. Сопротивление нагрузки принять согласно табл.9.
Таблица 9
| Номер группы | Сопротивление нагрузки Rн, Ом |
Тема 6. РАСЧЕТ ДВУХТАКТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА В
