Обоснование выбора структурной схемы усилителя

1. Обоснование выбора структурной схемы усилителя

Структурная схема линейного усилителя представлена на рис. В качестве входного и выходного устройства линейного усилителя используются трансформаторные дифференциальные системы.

Оконечный каскад (ОК) усилителя обеспечивает заданную мощность сигнала в нагрузке при допустимых, с учетом действия ООС, нелинейных искажений.

Достаточная величина тока (напряжения) сигнала, необходимого для управления оконечным каскадом, обеспечивается каскадами предварительного усиления (КПУ).

Значения качественных показателей (затухания нелинейности, нестабильность и т.д.). Определяются максимальной глубиной ООС, которая охватывает все каскады усиления.

В цепь общей ООС для компенсации затухания усилительного участка и коррекции вносимых линий амплитудно–частотных

Искажений включаются: переменный удлинитель (дБ); контур начального наклона (КНН), контур автоматической регулировки (АРУ). Источником сигнала и нагрузки служит линия связи.

2. Ориентировочный расчет числа каскадов усиления

Число каскадов усиления определяется из формулы

N = ==3;

где S _{без ос} – усиление усилителя без обратной связи дБ;

S_безос = S + A_ос= 40+ 20 =60;

где S = 40 дБ; S номинальное усиление усилителя по таблице;

A_ос – глубина ООС, выбирается в пределах 20–30 дБ; берем значение A_ос=20, S_каск – усиление одного каскада, выбирается в пределах 20–25 дБ. Берем значение S_каск =20, N=3.

Выбираем 3 каскада.

3. Обоснование выбора принципиальной схемы усилителя

Принципиальная схема простейшего трехкаскадного линейного усилителя, составленного согласно описанной ранее структурной схеме, приведена на рис. Усилитель состоит из трех каскадов по схеме с ОЭ на транзисторах V1, V2, V3. Ток покоя каждого каскада стабилизируется с помощью эмиттерных схем стабилизации. Между первым и вторым каскадом связь непосредственная, между вторым и третьим – осуществляется через разделительный конденсатор C8.

Отсутствие делителя напряжения и разделительного конденсатора на входе второго каскада дает экономию количества элементов схемы и некоторую экономию тока питания, кроме того, отсутствие разделительного конденсатора снижает амплитудно-частотные искажения на низких частотах.

Однако использование непосредственной связи имеет недостаток – требуется большее напряжение питания. Так как для второго каскада делителем напряжения служит первый каскад, все колебания режима первого каскада вызывают колебания режима второго. Поэтому в этой схеме важна особенно стабилизация режима первого каскада.

Для ослабления паразитной обратной связи между каскадами через общий источник питания цепь питания содержит фильтрующие цепи R6, C3, R1, C5. Входные и выходные устройства усилителя выполнены на дифференциальных трансформаторах Т1, Т2. Резисторы R1, R16 – балансные. В усилителе применена общая ООС, организуемая с помощью входного и выходного устройств. В пассивной части цепи ООС включены контур АРУ, КНН и переменный удлинитель R7, R10, R12. По входу и выходу имеет место комбинированная ООС. Обратная связь осуществляется только по переменному току, поэтому на входе и выходе цепи ООС установлены разделительные конденсаторы C2, C11.

Конденсаторы C1, C7, C10 создают, путь высокочастотного обхода пассивной части петли ООС и предотвращает возможность самовозбуждения усилителя за пределами его рабочего диапазона частот.

4. Расчет оконечного каскада

Оконечный каскад обеспечивает получение заданной мощности сигнала в нагрузке, при этом он должен вносить допустимые нелинейные искажения. В линейных усилителях аппаратуры систем передачи используются однотактные трансформаторные оконечные каскады с включением транзистора по схеме с ОЭ. Усилительный элемент (транзистор) в таких каскадах работает в режиме А, что позволяет получить сравнительно небольшие нелинейные искажения.

Тип транзистора оконечного каскада выбирается по максимальной допустимой рассеиваемой мощности коллектора Р_kmaxи граничной частоте коэффициента передачи тока f_гр в схеме с ОЭ. При этом должны выполняться условия: f_гр ≥(40÷100) f_в; Р_{к мах} ≥(4÷5) Р_н, где Р_н – мощность, отдаваемая в нагрузку.

f_гр ≥ 80*552 = 4416 кГц; Р_{к мах} ≥ 5*45 = 225 мВт.

Параметры транзистора ГТ312А

Структура транзистора	n-p-n
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ ƒгр, МГц	80
Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора P к max, мВт	225
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ: h21э min	10
h21э max	10
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – эмиттер Uкэ mах, В	20
Максимально допустимый постоянный ток коллектора I k max, мA	30
Объемное сопротивление базы на высоких частотах rб', Oм	100

Из проведенных расчетов выбирается транзистор типа ГТ312А.

Определяется рабочая область характеристики транзистора. Для этого на выходных характеристиках транзистора строится характеристика максимально допустимой мощности рассеяния:

Iк1 = = = 45 мA

Iк2 == 22,5 мA

Iк3 == 15 мA

Iк4 == 11,25 мA

Для построения этой характеристики задается значения U_кэ для транзистора ГТ312А от 5 В до 25 В.

На оси напряжений отмечаются эти значения и восстанавливаются перпендикуляры до пересечения с соответствующим каждому значению U_кэ току I_к. Затем полученные точки соединяются плавной линией, (Рис. 3.) далее проводятся линии, соответствующие U_{кэ мах} и U_ост. Значение U_ост определяется графически, для этого опускается на ось напряжений перпендикуляр из точки перегиба верхней вольт – амперной характеристики.

Определение рабочей области характеристик транзистора ГТ312А

Определяется напряжение покоя транзистора по максимально допустимому напряжению U_{кэ мах}:

U_ко ≤ =  = 10,63 ≈ 11B;

Определяется мощность, отдаваемая транзистором с учетом заданного КПД трансформатора η_тр = 0,9:

Р'_~ = = = 50 мВт;

Определяется мощность рассеяния на коллекторе транзистора:

Р_ко = = = 138,9 мВт;

где η_А – максимальный КПД каскада в режиме А, принимается равным 0,4;

η_ос – коэффициент, учитывающий потери мощности сигнала в цепи обратной связи, принимается равным 0,9;

Ток покоя рассчитывается, исходя из мощности рассеяния на коллекторе транзистора:

I_ко = = = 12,6 мА;

На семействе выходных характеристик транзистора (Рис. 4.) отмечаются выбранные U_ко, I_ко и определяется соответствующей точке покоя ток базы I_бо (входной ток) Полученное значение I_бо отмечается на входной характеристике и определяется соответствующее ему напряжение смещения U_бо.

U_ко = 11 В;

I_ко = 12,6 мА

I_бо = 0,22 мА;

U_бо = 0,4 В;

Определяется амплитуда напряжения выходного сигнала:

U_кm ≤ U_ко - U_ост = 11 – 1,25 = 9,75 В;

Определяется амплитуда тока выходного сигнала:

I_кm = = = 10,26 мА;

Строится нагрузочная прямая переменного тока. Для этого на семействе выходных характеристик транзистора от координаты точки покоя на оси токов вниз откладывается амплитуда тока I_км, а от координаты точки покоя вправо – амплитуда напряжения U_км. Пересечением уравнений I_ко – I_км и U_ко + U_км определяется точка М. Через точку М и точку покоя проводим нагрузочную прямую переменного тока.

I_ко – I_кm = 12,6 – 10,26 = 2,34 мА;

U_ко + U_кm = 11 + 9.75 = 20,75 ≈ 21 В;

На семействе выходных характеристик транзистора отмечается точка N на нагрузочной прямой переменного тока, соответствующая пересечению уровня U_ост и нагрузочной прямой.

Определяется соответствующий точкам M и N входной ток. Точке М будет соответствовать минимальный входной ток I_бmin, а точке N – I_{б max}максимальный.

I_бmin= 0, 08 мА;

I_{б max}= 0,5 мА;

Определяется амплитуда тока входного сигнала:

I_бm = = = 0,23 мА;

Определяется мощность, отдаваемая транзистором в выбранном режиме:

Р_~ = == 50,1 мВт;

Сравниваются полученная величина Р_~ с Р'_~.Условие соблюдается:

Р_~ ≥Р'_~ = 50,1 мВт ≥ 50 мВт

На входной характеристике транзистора отмечаются токи I_{б max}, I_бо, I_бmin, и определяется соответствующие этим токам значения входного напряжения.

U_{бэ мах} = 0,6 В;

U_{бэ min} =0,38 В;

Определяется амплитуда напряжения входного сигнала:

U_бm= = = 0,14 В;

Определяется коэффициент усиления по напряжению:

К = = = 69,6 ≈ 70 раз;

Определяется входное сопротивление транзистора:

R_вх = = = 608 Ом;

Определяется сопротивление нагрузки выходной цепи:

R_{~ =}= = 950 Ом;

Определяется мощность, потребляемая выходной цепью транзистора от источника питания:

Р = I_ко * U_ко = 12,6 *11= 138,6 мВт;

Определяется фактический коэффициент полезного действия выходной цепи:

η_ф = = = 0,36;

Входная характеристика транзистора ГТ312А

Таблица 1

Nкаск	Uко3, В	Iко3, mА	Uбо3, В	Iбо3, mА	К3	Rвх 3, Ом	R~ 3, Ом	ηф
3	11	12,6	0,42	0,22	70	608	950	0,36