Конструирование и расчет генератора синусоидальных импульсов с усилителем мощности

1. Производим выбор транзистора по рассеиваемой на коллекторе мощности и предельной частоте усиления.

Определяем  выходную мощность, обеспечиваемую одним  транзистором в коллекторной цепи. Задаваясь к. п. д. выходного трансформатора Tpt в соответствии с табл. 3 (ŋ _тр=0,7) и учитывая, что каждый транзистор обеспечивает мощность в нагрузке, равную P_вых/2, получаем:

Соответственно  общая выходная мощность транзисторов:

Мощность, рассеиваемая  на  коллекторе   каждого   транзистора, равна:

где  .

 С учетом коэффициента запаса K_з=0,85 получаем:

Так как  предусматривается работа усилителя  мощности при t°_окр=50°, то максимально допустимую мощность транзистора следует вычислять по формуле:

Исходя  из заданного коэффициента частотных  искажений М_в  определяем требование к транзистору по предельной частоте усиления (без учета влияния трансформатора): 

Этим  условиям удовлетворяет транзистор МП39Б. Его основные данные:

P_{к.макс.20°}=150 мВт (без теплоотвода); U_{КЭ.макс}=-15В; h_21Э=20÷60; f_h21б=0,5 мГц;

f_h21Э=12.5 кГц; I_к.макс=150мА (в режиме насыщения); I_КБО=15мкА; U_КЭнас≈U_КЭмин=-1 В; транзистор p-n-p типа.

Расчёт  производиться для среднего значения h_21Э=40. Для удовлетворительной симметрии двухтактного усилителя мощности подбираются два транзистора, у которых различие   h_21Э составляет  не более 30%,  т. е. h_21Э’/ h_21Э”=1.3

На коллекторные характеристики транзистора МП39Б  (рис. 1)  нанесена характеристика допустимой мощности, приведенной к t°_окр=50°С:

2. Определяем режим транзистора по постоянному току. По коллекторным характеристикам определяем U_КЭмин ≈U_КЭмин =—1 В и по формуле находим постоянную составляющую коллекторного напряжения:

 

Принимаем U_КЭП≈7 В и по формуле находим амплитуду коллекторного  напряжения .Принимаем =5,5В. В режиме В как и в режиме А, должно выполняться:

Максимальное  значение коллекторного тока

где I_Km— значение  амплитуды  коллекторного  тока,  определяющее колебательную мощность в коллекторных цепях обоих транзисторов.

Выбираем  точку покоя на входной динамической характеристике, которая практически совпадает со статической базовой характеристикой, снятой при U_КЭ=-2 В (рис.   ). Если на этой характеристике выбрать точку покоя П' с координатами I_БП = 0, U_БЭП = —0,075 В, соответствующей режиму В, то из-за нелинейности начальных участков входных характеристик в усилителе мощности возникнут значительные нелинейные искажения при малом уровне входного сигнала. Для уменьшения этих искажений постоянную составляющую тока базы обычно выбирают следующим образом. К почти прямолинейной части входной характеристики проводят касательную линию, точка пересечения которой с осью абсцисс  (точка М на рис.   ) определяем Uбэп=-0,2 В; Iбп=0,2В и по коллекторным характеристикам при

Uкэб=-6,6В; Iкп=8мА; а так же

Iкп=8мА<<Iк’макс=78мА и Iбп=0,2мА<<I_бN=2,8мА

3. Определяем режим работы транзистора по переменному току. Динамическая линия нагрузки одного транзистора без учета влияния коллекторного    тока     другого     определяется    точкой   N (I’_Кмакс,U_КЭнас)  и точкой покоя П(I_КП, U_КЭП) но так как в моменты времени, когда u_вх=0, усилитель мощности попадает в режим А.

     Определяем  эквивалентное сопротивление коллекторной цепи по переменному току:

     По  рис.  10 определяем  входное сопротивление  транзистора  в схеме с ОЭ:

     

,

откуда  : 

4. По формуле находим требуемый коэффициент трансформации выходного трансформатора (для одного плеча):

     Активное   сопротивление   первичной   обмотки   трансформатора (для одного плеча) определяем по формуле :

     

Сопротивление вторичной обмотки выходного  трансформатора вычисляем по формуле: r₂=r₁ n²=10,6 0,40²≈1.696 Ом. Принимаем индуктивность первичной обмотки (для одного плеча) Lи = 0,5 Г.

По формуле  находим частотные искажения  на нижней частоте:

Частотные искажения на верхней частоте, как  и в однотактной схеме, определяются не индуктивностью рассеяния L_А=(0,01÷0,02) L₁  поскольку она относительно мала, а частотными свойствами транзисторов, по этому:

Числовые  значения параметров выходного трансформатора Tpt являются исходными данными для его электрического и конструктивного расчета. Определение параметров входного трансформатора Тр₂ и его влияние на работу схемы отнесены к расчету усилителя напряжения.

5. Рассчитываем элементы УМ, определяющие его режим по постоянному току. Резистор Rt обеспечивает температурную стабилизацию тока эмиттера. В схеме, приведенной на рис.  , кроме стабилизации постоянной составляющей тока эмиттера резистор Ri выравнивает амплитудные значения эмиттерного тока транзисторов, что способствует улучшению симметричности плеч двухтактного УМ, т. е. уменьшает нелинейные искажения по четным гармоникам, возникающим из-за различных значений коэффициентов h_21Э у транзисторов.

Для обеспечения  удовлетворительной стабилизации и  симметрии плеч  принимают

  . В этом случае при h_21Э’/ h_21Э”=1,3 отношение амплитуд коллекторных токов определяет .

Определяем  значение

.

Принимаем E_К=7В.

Для определения  резисторов делителя R₂ и R₃ необходимо задаться током делителя I_дел . Так как по резистору R₂ в отдельные моменты времени протекает ток базы, равный I_БN то ток делителя

не должен быть меньше I_БN т.е. I_дел≥I_БN=2.8мА.

Принимаем I_дел=3мА, что удовлетворяет I_дел=(2÷10) 2I_БП=0,8 ÷ 4мА и

I_дел<(0,1+0,15) I_Кср=6 ÷ 9мА.

      Определяем  сопротивление резистора R₂, на котором выделяется напряжение:

,откуда

Находим сопротивление резистора R₂, на котором падает напряжение

U₃=E_К – U₂=7-0.36≈6.64В и протекает ток I_R3=I_дел+2I_БП=3+2 0,2=3,4мА

6. Произведем ориентировочную оценку нелинейных искажений.

Коэффициент искажения по второй гармонике находим, учитывая возможную асимметрию плеч усилителя мощности

, 

так как ( =1,1 )

Искажения, создаваемые входными цепями транзисторов, по второй гармонике в двухтактных УМ взаимно компенсируются.

      Основными нелинейными искажениями в двухтактных  УМ являются искажения по третьей гармонике, возникающие в коллекторных цепях транзисторов. Для их определения по коллекторным характеристикам (рис.   ) найдем значение тока коллектора при токе базы I_БN:

0,5=0,5 2,8=1,4мА

      Согласно   построениям   на   рис.   этот ток равен I'_К0,5=48мА,

при =78мА.  Для второго транзистора из-за асимметрии получаем

=78/1,1=71мА  и I”_К0,5 =48/1.1=43.6/1.1=43.6мА.

Коэффициент искажений по третьей гармонике:

Общий коэффициент гармоники:

7. Общая мощность,  потребляемая  от  источника  питания  при максимальном сигнале:

при этом .

     Требуемое напряжение сигнала на одном из плеч вторичной обмотки  входного  трансформатора:

     

Сопротивление нагрузки входного трансформатора:

Мощность  сигнала, потребляемая нагрузкой входного трансформатора:

8. Для обеспечения большей экономичности всего усилителя цепочку делителя R₂ и R₃ можно питать напряжением, падающим на эмиттерном сопротивлении температурной стабилизации транзистора предшествующего каскада. Для этого резистор Rз подсоединяют с точке А', как это показано на рис.   штриховой линией. Чтобы осуществить расчет резистора R₃, следует задаться напряжением U₄ =(0.2÷0.3)E_К. Принимаем U₄=2В. Следовательно U₃= U₄ – U₂ = 2-0,36=1,64В. Из расчётов получаем:

где .

     Сопротивление нагрузки входного трансформатора  оказывается равным:

     

     Мощность, поступающая в нагрузку входного     трансформатора:

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчёт  мультивибратора. 

Произведём  расчёт мультивибратора по следующим  данным:

Температура окружающей среды t°_ОКР =50°С; сопротивление нагрузки R_Н=8 Ом; амплитуда положительного импульса U_K1И=12В;

длительность  t_И1 = 10мкс; длительность фронта t_Ф1≤1,0 мкс; длительность среза t_С1=2мкс; период следования T=40мкс;

     Рис.

1.Выбираем  тип транзистора по  и максимальному допустимому напряжению U_{КБ.МАКС} и статическому коэффициенту передачи по току h_21Э.

Так как  скважность определяется по формуле: , то транзистор должен иметь коэффициент передачи по току:

Необходимое значение предельной частоты выбираемого  транзистора f_21Б находят из следующих соображений . Малое значение длительности фронта импульса,