Откуда получаем, что напряжение питанияE_K=9В.

2.1 Разработка электрической принципиальной схемы УНЧ

На основании структурной схемы составим ориентировочную принципиальную схему УНЧ. Пример принципиальной схемы УНЧ приведен на рис. 2.

В этой схеме, каскады предварительного усиления выполнены на транзисторах VТ1-VТ3, а оконечный бестрансформаторный каскад усиления на транзисторах разного типа проводимости - VТ4, VТ5. Транзистор VT5 должен иметь такие же параметры, как и VT4, однако противоположную по типу проводимость. Каждый из транзисторов вместе с нагрузкой образуют схему с ОК. Характерной особенностью такой схемы - для нее не нужен фазоинверсный каскад. Для обеспечения питания оконечного каскада от однополярного источника, он подключается к предыдущему каскаду и к нагрузке через конденсаторы С₈, С₁₀.

Резистор R₉является регулятором уровня выходного сигнала. Конденсатор С₁₁- фильтр напряжения питания каскадов предварительного усиления. Величина сопротивления резистора R₁₄обычно составляет несколько десятков Ом.

Оконечный каскад работает в режиме класса АВ, который задается делителем R₁₅, R₁₆. Прямое сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения (около 1,5В) между базами транзисторов VT4, VT5, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. В этом случае, при изменении температуры транзисторов (это вызывает изменение контактной разности потенциалов база-эмиттер) будут пропорционально изменяться и напряжение смещения транзисторов. Небольшое значение напряжения смещения (0,6-0,7В), определяет незначительный (десятки миллиампер) сквозной ток транзисторов VT4 и VT5. Ток через нагрузку при этом отсутствует. Поскольку величина сопротивления VD₁ незначительна, можно считать, что попеременному току базы транзисторов VT4 и VT5 объединены.

Для предварительного усиления применяют усилители с ОЭ. В качестве активного элемента используют маломощный транзистор n-p-n типа. Полученные в результате предварительного расчета данные являются основой для окончательного расчета УНЧ.

2.2 Окончательный расчет УНЧ

В процессе окончательного расчета усилителя необходимо провести:

- расчет оконечного каскада УНЧ;

- расчет каскада предварительного усиления.

Расчет обычно выполняют в последовательности, обратной последовательности прохождения сигнала в УНЧ: в начале рассчитывают элементы оконечного каскада, а затем - каскадов предварительного усиления.

2.2.1 Окончательный расчет оконечного каскада УНЧ

Схема оконечного каскада усиления на комплементарных парах транзисторов приведена на рис. 2.

Вначале все параметры выбранного транзистора необходимо выписать в виде таблицы.

Затем привести его входную и выходную характеристики в масштабе, достаточном для точных графических построений.

Рис. 2. - Бестрансформаторный оконечный каскад усиления на комплементарных парах транзисторов:

Порядок расчета:

1. Расчет начинаю с построения на семействе выходных статических характеристик транзистора (см. рис.) линии нагрузки, которая проходит через две точки:

U_КЭ = Е_К / 2

І_К = Е_К / 2R_н

U_КЭ = Е_К / 2 = 9 / 2 = 4.5В

І_К = Е_К / 2R_н = 9 / 2 * 4 = 9 / 8 = 1,125А

Точки определяются как:

а) выходная;

б) входная.

2. Строю треугольник мощности со сторонами U_mн, I_Kн.

Они оценивают возможность, касающуюся процесса получения заданной мощности:

Р_вых = 0,5 * U_mн * I_{K н}

Р_вых = 0,5 * U_mн * I_{K н} = 0,5 * 3 * 0,7 = 1 Вт

Рис. 3. - Характеристики режима транзистора оконечного каскада:

3. Точку „А” принимают за начальную рабочую точку транзистора, в которой:

U_КЭ0 = Е_К / 2 = 4,5В

I_K0 = (0,05 ч 0,1) * I_{K н} = 0,05 * 0,7 = 35мА

Тогда:

І_Б0 = І_К0 / в = 0,035 / 40 = 1мА

4. Из семейства выходных и входных характеристик транзистора находим амплитудные значения тока базы І_Бm, напряжения базы U_БЭm согласно:

= 25 - 1 = 24мА

= 0,7 - 0,3 = 0,4В

Ориентировочное значение входного сопротивления транзистора составит:

r_вх = U_БЭm / І_Бm = 0,4 / 0,024 = 16,7Ом

Входная мощность каждого плеча составляет:

Р_вх = 0,5 * U_БЭm * І_Бm

И равна мощности, которую необходимо отдать транзистору предпоследнего каскада^

Р_вх = 0,5 * U_БЭm * І_Бm = 0,5 * 0,4 * 0,024 = 4,8мВт

5. Находим величины сопротивлений резисторов R₁и R₂.

Сопротивления резисторовR₁и R₂ выбирают одинаковыми:

R₁ = R₂ = (Е_К - 2U_БЭ0) / 2І_Д = (9 - (2 * 0,3)) / 2 * 2 = 2100Ом

Где:

І_Д - ток делителя, который должен быть не меньше (2ч5) І_Б0.

6. Входное сопротивление оконечного каскада составит:

R_ВХ = в * R_д * R_н / (в * R_н + R_д) = 40 * 1050 * 4 / 40 * 4 + 1050 = 190000 / 1150 = 139Ом

Где:

R_д = R₁ / 2 =2100 / 2 = 1050Ом

- сопротивление делителя.

7. Амплитуда входного напряжения каскада:

U_mн = 3В, поскольку каскад не усиливает напряжение входного сигнала.

8. Находим емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки при условии обеспечения коэффициента частотных искажений М_н:

С₂ ? 1 / (2рf_н * R_н) = 1 / (2 * 3,14 * 50 * 4 * ) = 1 / 2034 = 5 мкФ

2.2.2 Расчет каскада предварительного усиления

В результате предварительного расчета была составлена схема УНЧ, в которую входят несколько однотипных каскадов предварительного усиления с ОЭ. Расчет каскада предварительного усиления с ОЭ является основной частью работы при проектировании УНЧ. При ее выполнении рассчитывают параметры элементов каждого каскада, цепей межкаскадных связей, режимы работы транзисторов. Исходя из условия обеспечения однотипности, каскады предварительного усиления выполняют одинаковыми. Поэтому расчет обычно сводится к расчету одного каскада.

Рассмотрим методику расчета каскада предварительного усиления с ОЭ, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 4, с такими исходными данными (часть данных получена в результате предварительного расчета):

1) напряжение на выходе каскада U_вых.т=U_mн;

2) сопротивление нагрузки R_н=R_ВХ;

3) напряжение источника питания E_к;

4) нижняя граница частот - f_н;

5) допустимое значение коэффициента искажений в обл. низких частот - М_н.

Рис. 4:

Как и при предварительном расчете считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях.

Необходимо определить:

1) тип транзистора (уточнить правильность предварительного выбора);

2) режимы роботы транзистора;

3) сопротивления резисторов делителяR₁,R₂;

4) сопротивление резистора коллекторной нагрузки R_К;

5) сопротивление резистора в цепи эмиттера R_Э;

6) емкость разделительного конденсатора С₂;

7) емкость конденсатора в цепи эмиттера С_Э;

8) гарантированное значение коэффициента усиления каскада по току К₁, по напряжению К_U и по мощности К_P.

При построении схемы каскада будем использовать элементы с допустимыми отклонениями от номинальной величины ± 5% (выходя из этого, в результатах расчета можно оставить не больше трех значащих цифр).

Порядок расчета. Проверяем правильность предварительного выбора транзистора. Для нормального режима роботы транзистора:

1) допустимое напряжение между коллектором и эмиттером должно превышать напряжение источника питания: U_Kmax>E_K.

2) величина допустимого тока коллектора должна превышать максимальное значение тока в коллекторной цепи транзистора:

I_Kmax > I_K0 + I_Km = 46 + 42 = 88мА

Где:

I_K0 - ток покоя в цепи коллектора;

I_Km - амплитуда переменной составляющей тока в цепи коллектора.

I_Km = U_вых.т / R_н? = 3 / 70 = 42мА

Где:

R_н? = R_К * R_ВХ / R_К + R_ВХ

- эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току. При этом R_К является нагрузкой постоянному току.

R_н? = R_К * R_ВХ / R_К + R_ВХ = 139 * 139 / 139 + 139 = 19321 / 278 = 70Ом

Выходя из того, что данный каскад является усилителем мощности, для обеспечения максимальной передачи мощности задаем: R_ВХ =139Ом.

Для обеспечения экономичности каскада при минимальных нелинейных искажениях выбирают:

I_K0 = (1,05…1,1) * I_Km = 1,1 * 42 = 46мА

На основании этих ограничений необходимо выбрать транзистор.

По результатам предварительного расчета был выбран усилительным элементом транзистор типа КТЗ102.

По данным таблицы 3 находим, что заданным требованиям отвечает транзистор КТ3102А, у которого:

U_{K max} = 50В;

І_{K max} = 100мА;

h_21Э = 100-200;

Р_Kmax = 250мВт.

Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя:

U_KЭ0 = U_вых.т + U_ост = 3 + 1 = 4В

Где:

U_ост - напряжение между коллектором и эмиттером, ниже которого при работе каскада возникают значительные нелинейные искажения.

Для маломощных транзисторов обычно задают U_ост = 1В.

Определяем мощность, что выделяется на коллекторе транзистора:

P_K = I_K0 * U_KЕ0 = 46 * 4 = 184мВт

При этом необходимо обеспечить выполнение условия: P_K < P_{K max}.

Таким образом, проверяем, что выбранный тип транзистора отвечает требованиям по мощности.

Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора: R_ВХ=139Ом

Рассеиваемая мощность на резисторе составит:

Р_Rк = IK02 * RК = 0,046 * 0,046 * 139 = 0,294Вт

Из таблиц 4 и 5 выбираем резистор по мощности и сопротивлению.

Таблица 4. - Ряды номинальных значений:

Таблица 5. - Постоянные резисторы:

Этим требованиям отвечает резистор с диапазоном сопротивлений 1Ом - 51МОм, номинальная мощность 0,5Вт.

Находим сопротивление резистора R_Э в цепи стабилизации:

R_Э = = 0,3 * 9 / 0,046 = 58Ом

При этом необходимо выполнение соотношения:

R_Э / R_К = (0,1...0,4) * R_Э / R_К = 58 / 139 = 0,4

Для обеспечения условий температурной стабилизации режима покоя каскада. Мощность, рассеиваемая на R_Э составит:

Р_R = I_K0² * R_Э = 0,046 * 0,046 * 58 = 0,12Вт

Находим емкость конденсатора С_Э.

Емкость С_Э выбирают при условии, что его сопротивление на частоте f_н должно быть в 10 раз меньше по сравнению с сопротивлением резистора R_Э.

Где множитель 10⁶ позволяет получить значение емкости в микрофарадах.

Из таблицы 6 выбираем конденсатор. К 50-35, номинальное напряжение 10В, номинальная емкость 5000 мкФ.

Таблица 6. - Конденсаторы постоянной емкости: