Расчет выходного каскада усилителя

Усилитель является одним из основных узлов различной аппаратуры в устройствах автоматики, телемеханики, вычислительной и информационно-измерительной техники. Электронный усилитель — это устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большой мощности на выходе с минимальными искажениями формы. Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от источника питания.

Усилители делятся на ряд типов по различным признакам. По роду усиливаемых электрических сигналов усилители можно разделить на две группы:

• усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.

• усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления непериодических сигналов, например непериодической последовательности электрических импульсов различной величины и формы.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:

• усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.

• усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.

• усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства.

• усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

Усилители низкой частоты характеризуются большим отношением высшей рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10 — 500 для усилителей звуковых частот и превышающим 105 для некоторых типов видеоусилителей. Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называются широкополосными усилителями.

Избирательные усилители усиливают электрические сигналы в очень узкой полосе частот.

Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет вспомогательную роль.

Для усиления напряжения звуковых частот наиболее пригоден каскад с общим эмиттером, так как он имеет более высокое входное и более низкое выходное сопротивления по сравнению с каскадом с общей базой.

Расчет выходного каскада — первый и важный шаг к построению собственного усилителя НЧ. Именно здесь закладываются многие параметры для дальнейших расчетов. Именно здесь Вам придется выбрать Ra, которое затем будет использоваться при расчете выходного трансформатора, именно здесь Вам придется выбрать смещение, под которое в последствии придется рассчитывать драйвер, поэтому я постараюсь подробно и с примерами описать — как рассчитать каскад с помощью графического метода.

Исходные данные для расчета выходного каскада.

Номер варианта Сопротивление нагрузки RН, Ом Входное сопротивление RВХ не менее, кОм Номинальное выходное напряжение UН, В Нижняя граничная частота.

fН, Гц Верхняя граничная частота fН, Гц Допустимый фазовый сдвиг φдоg, град Диапазон рабочих температур tН… tВ, 0C.

6 20 20 24 80 10 20 0…40.

Выходной каскад должен быть спроектирован как функционально законченное устройство с минимальным числом источников питающих напряжений. В нем необходимо предусмотреть контрольные точки для измерения токов и напряжений в наиболее характерных узлах схемы.

Выбор принципиальной схемы выходного каскада.

Принципиальную схему проектируемого выходного каскада составляют на основе типовой схемы (рис. 1).

Рис. 1 Бестрансформаторный выходной каскад на комплементарных транзисторах с диодно-резистивной регулирующей цепочкой (VD1, VD2, Rп).

На данном этапе схема является ориентировочной, поскольку после выполнения расчетов может потребоваться ее корректировка. Например, для увеличения величины входного сопротивления проектируемого усилителя окажется необходимым увеличение числа транзисторов в плечах каскада и т. п. При составлении принципиальной схемы необходимо учесть следующее:

— Коэффициент усиления по напряжению бестрансформаторного выходного каскада меньше единицы и обычно лежит в пределах.

K_u^ВК=(√2∙U_н)/(U_вхm^ВК)=0,85…0,95.

где UВХвхm — амплитудное значение напряжения на входе входного каскада;

— Выходной каскад лучше следует выполнять на комплементарных парах транзисторов.

— В качестве элементов связи между источником сигнала, каскадами и нагрузкой проще всего использовать разделительные конденсаторы, которые устраняют взаимосвязь каскадов по постоянному току.

— Для питания усилителя целесообразно применять двуполярные источники питания.

Расчет выходного каскада заключается в решении следующих основных задач:

— в составлении принципиальной схемы выходного каскада, позволяющей реализовать требуемые коэффициенты усиления сигнала по мощности и напряжению, а также обладающей к.п.д. не менее 40…55%;

— в подборе транзисторов, исходя из требуемой мощности Pн в нагрузке, температуры окружающей среды tв и заданного либо выбираемого напряжения Eп источника питания;