Материал: Расчет группового усилителя систем передачи

.

.4 Расчет необходимой стабилизации режима работы транзистора ВКУ

Стабилизация режима работы ВКУ обеспечивается отрицательной обратной связью по постоянному току (ООСПТ). Выше было отмечено, что в схеме выходного каскада используется эмиттерная стабилизация; она создается включением в эмиттерную цепь достаточно большого сопротивления Rэ и ООСПТ является последовательной. Отметим, что целью стабилизации является обеспечение одинаковых условий работы транзистора при определенном разбросе параметров (прежде всего величиной h_21Э) и изменением условий окружающей среды (главным образом температуры, наиболее сильно влияющей на значение обратного тока коллекторного перехода - I_кб0). Для транзистора ВКУ величина допустимого положительного приращения тока i_к.0доп определяется предельным положением р.т., при котором еще обеспечивается получение от транзистора требуемой выходной мощности. Это приращение коллекторного тока определяется соотношением:

где сопротивление нагрузки постоянному току равно:

i_б0=0,3мА - ток базы, равный току смещения по усредненным характеристикам транзистора.

Вычисляем:

При отсутствии стабилизации изменения постоянного тока может быть значительно больше допустимого. Когда ВКУ отделен по постоянному току от предварительного каскада, максимально возможное положительное приращение коллекторного тока равно:

Здесь h_21Эmax = h_{21э мин} * = 40*4=160 - наибольший для выбранных условий работы статический коэффициент усиления транзистора по току; - обратный ток коллектора, определяется для максимально возможной температуры p-n перехода. Так как в справочных данных для выбранного транзистора 2т-602б приведено значение  при температуре 25ºC, которая отличается от вычисленной ранее максимальной температуры p-n-перехода равной 93,18 ºC, то для расчётов воспользуемся формулой

( U_k.max/ U_ko) = 0,01*10^-3*(100/17)=0,058 мА

Тогда ,

.

Необходимая глубина местной отрицательной обратной связи по постоянному току в оконечном каскаде, позволяющая снизить изменение коллекторного тока до допустимой величины:

Fпосл.ок = D i _k0.макс./ Di _k0.доп = 33,338/5,546=6,01

2.5 Расчет выходного каскада усиления по переменному току

Расчет ВКУ по переменному току проводится для гармонического сигнала номинальной величины, при котором обеспечивается получение заданной выходной мощности в нагрузке.

Оптимальное эквивалентное сопротивление нагрузки транзистора, обеспечивающее получение наибольшей выходной мощности при сравнительно малых искажениях:

.

Оно соответствует одинаковому использованию транзистора по току и напряжению. .

Номинальные амплитудные значения переменных составляющих выходного тока и напряжения (со стороны первичной обмотки выходного трансформатора):

;

.

При номинальном значении выходной мощности используемый участок характеристики лежит между точками “А” и “В”. В этих точках (рис. 3)

, ;

, .

Точка покоя вместе с точками а и б определяют треугольники, площадь которых равна отдаваемой выходной мощности

Отдаваемая транзистором мощность равна:

.

Токи базы, соответствующие точкам “А” и “В”, определяют используемый участок входной характеристики (рис. 4).

По выходной характеристике определим значение токов базы, соответствующих точкам А и В:  и . Отмечаем полученные значения токов базы на входной характеристике (рис. 4) и определяем соответствующие значения напряжения эмиттер-база  и . Изменения входного тока относительно рабочей точки в сторону увеличения и уменьшения, как видно из рисунка, должны быть неодинаковыми. Поэтому для дальнейших расчетов лучше использовать усредненные значения:

амплитуды входного напряжения и тока:

.

входное сопротивление транзистора (между базой и эмиттером):

.

Входная мощность, необходимая для получения номинальной мощности на выходе:

.

Средние значения динамических коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности:

; ;

Для дальнейших расчетов необходимо также учитывать разброс параметров. Значения коэффициентов усиления и входных сопротивлений в ОКУ можно считать изменяющимися пропорционально статическому коэффициенту усиления транзистора по току. В частности:

К_т.мин.= К_т.ср.*h_21эмин./h_21э.ср.= 75.7*40/80 = 37.85

R_{х.э.мин.}= R_{вх.э.ср.}*h_21эмин./h_21э.ср.= 113,6*40/80 = 56,8 Ом

R_{вх..э макс.}= R_{вх..э ср.}*h_21эмакс./h_21э.ср.= 113,6*160/80 = 227,2 Ом

.6 Построение сквозной динамической характеристики и оценка нелинейных искажений в ВКУ

Наибольшие нелинейные искажения возникают в выходном каскаде усиления, где уровни сигнала максимальны. Обусловлены эти искажения, главным образом, нелинейностью характеристик транзистора. Сквозная динамическая характеристика представляет собой зависимость коллекторного тока от эквивалентной ЭДС источника сигнала транзистора ВКУ:

i_к. = f (e_ист.).

Значение ЭДС источника ОКУ для каждой точки определяются соотношением:

е_ист.. = i_б.*R_ист. + U_б.

Для оценки нелинейных искажений целесообразно принять:

R_ист..=5*R_{вх.э ср}. = 5*113,6 = 0.568кОм.

Таблица значений для построения i_к. = f (e_ист.).

Для расчета уровня гармоник можно выбрать достаточно большой участок характеристики, например, в пределах которого она отличается в линейной примерно на 10% от соответствующего рабочей точке, т.е.

DIк1=DIк2=0,1* I_К0=0,1*24*10^-3=2,4 мА

При таком искажении рассчитываем для используемого участка между точками “В” и “С”. Пять значений выходного тока (ординат)

, , , , .

определяются для четырех одинаковых приращений Э.Д.С. источника сигнала:

.

Амплитуда полезного сигнала (первая гармоника), а также второй и третьей гармоник определяются:

,

,

.

Данные значения высших гармоник соответствуют отдаваемой мощности

которая получилась больше номинальной при небольшом значении коэффициента использования .

Коэффициенты гармоник К_Г и соответствующие им затухания нелинейности  равны:

, ,

,

.

При >  при номинальном уровне сигнала нелинейные искажения получаются меньше рассчитанных (затухания нелинейности возрастают).

Чтобы ООС эффективно снижала нелинейные искажения, затухания нелинейности при номинальной мощности должны быть не менее 20 дБ (в нашем случае эти условия выполняются). При меньшем значении необходимо выбрать другое положение рабочей точки, либо заменить транзистор на другой, с более линейными характеристиками.

Отметим, что необходимые минимально допустимые значения затухания нелинейности по второй т третьей гармоникам в групповых усилителях МСП (А_г20 и А_г30) задаются при нулевом уровне выходной мощности и обычно значительно больше полученных в расчете. Обеспечить их позволяет достаточно глубокая комбинированная общая и местная в ВКУ ООС по переменному току. Чем больше отличие от этих значений от полученных в расчете ВКУ, тем более глубокую ООС следует применить. Требуемая глубина ООС определяется ниже.

3. Выбор операционного усилителя и расчет принципиальной схемы

.1 Исходные данные

Для выбора операционного усилителя необходимо определить:

Величину Э.Д.C. эквивалентного источника сигнала группового усилителя

,

 - необходимое рабочее усиление.

.

Номинальное напряжение сигнала на входе усилителя:

,

где коэффициент трансформации  и К.П.Д.  входного трансформатора рекомендуется выбрать:

, .

Примем , , тогда:

Необходимый коэффициент усиления ОУ, с учетом запаса на введение общей ООС в групповом усилителе Здесь  - напряжение на базе транзистора выходного каскада. = .

 - необходимая глубина общей ООС группового усилителя находится из условий:

,

,

, .

Здесь ,  - заданные затухания нелинейности по второй и третьей гармоникам; , - найдены при расчете ВКУ.  выбирается большим из двух найденных значений и используется в дальнейших расчетах.

,

,

, .

 выбирается большим из двух найденных значений, тогда А_необх = 30 дБ.

Необходимый коэффициент усиления ОУ, с учетом запаса на введение общей ООС в групповом усилителе:

.

Допустимое значение спектральной плотности Э.Д.С. белого шума на входе ОУ:

 =

Т.к. > 200, то шумовые параметры ОУ не принимают во внимание.

.2 Выбор операционного усилителя

Выбранный ОУ должен обеспечить достаточное по величине и равномерное по спектру (до F_в) усиление, максимальную устойчивость и надежность работы. Для проверки более полного соответствия этим требованиям выберем несколько типов ОУ. Все выбранные ОУ удовлетворяют требованию: .