Проектирование транзисторный усилитель — 192

Проектирование транзисторный усилитель

Этот сайт посвящен ламповым аудио усилителям. И хотя, электронные лампы практически вытеснены твердотельными устройствами, в этой области их позиции достаточно сильны. Это не только обаяние «тлеющих» в полумраке нитей накала, но и вполне материальные особенности передаточных характеристик.

Несмотря на относительно низкие объективные характеристики, ламповые усилители обеспечивают удивительно естественный и приятный звук.

Технологии производства электронных ламп находятся, к сожалению, вне нашей компетенции. Но вполне в наших силах использовать современные методы проектирования и анализа.

На этом сайте мы попытаемся, в максимально доступной форме, излагать наше видение вопроса, как соединить лучшие достижения ламповой техники с мощью вычислительных устройств и необъятными возможностями современного измерительного оборудования.

Как известно лучший отдых — это смена рода деятельности. Иногда удивительно приятно поздно вечером отложить в сторону high technology конвертор, с которым приходится работать под микроскопом, включить стоящий в стороне ламповый усилитель прогреваться и погрузится в мир неторопливых и громоздких устройств.

Смените род деятельности, прочтите, что написано, поработайте с лампами и получите удовольствие.

Расчёт усилителя на транзисторах

Наиболее распространенной схемой предварительных усилителей является усилитель на сопротивлениях, выполненный по схеме с общим эмиттером. Расчет усилителя на транзисторе во многом аналогичен расчету лампового усилителя, но имеет некоторые специфические особенности. Одной из них является, например, то, что в транзисторном усилителе на сопротивлениях полоса пропускания практически почти не зависит от сопротивления нагрузки в коллекторной цепи. Поэтому здесь нельзя изменять полосу пропускания усилителя, варьируя сопротивление нагрузки.

Исходными данными для расчета усилителя на транзисторах , как и лампового, являются полоса усиливаемых частот от F мин до F макс , допустимые частотные искажения на нижних и верхних частотах М н и М в при заданном коэффициенте усиления, входное сопротивление следующего каскада R вх , амплитуда переменной составляющей входного тока следующего каскада U m вх , напряжение источника питания Е.

Расчет следует начинать с выбора тина транзистора, который, при соответственно выбранных режиме работы и элементах схемы, может обеспечить выполнение требований технического задания.


Так как обычно R н вых , то коэффициент усиления по току на средних частотах схемы с общим эмиттером приближенно определяется формулой

Отсюда легко можно определить значение а, которым должен обладать транзистор для обеспечения заданного усиления:

Далее следует определить верхнюю граничную частоту, которую должен усиливать транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером при заданном коэффициенте частотных искажений:

Часто в справочниках указывают граничную частоту транзистора, включенного по схеме с общей базой,

Ток покоя коллектора I к.п должен быть по крайней мере в 1,5—2 раза больше заданной амплитуды входного тока сигнала следующего каскада. Это необходимо для того, чтобы при замене транзистора и при изменении температуры не возникали значительные нелинейные искажения. Следует выбрать транзистор, имеющий значения α, ƒ гр и I к.п не менее полученных из расчета.

В усилителях на транзисторах сопротивление нагрузки постоянному току значительно отличается от сопротивления нагрузки переменному току. Поэтому исходный режим следует выбирать по постоянному току, а динамический — по переменному току.

Напряжение на коллекторе обычно составляет не более половины напряжения источника питания:

Поэтому, зная Е, I к. п , U к.п , можно, используя семейство выходных характеристик выбранного транзистора ( рис. 181 ), построить динамическую характеристику и определить ток покоя базы Iбюп, соответствующий выбранной рабочей точке А.

Рис. 181. Схема (а) и семейство характеристик (б) к расчету транзисторного усилительного каскада напряжения низкой частоты.

По входным характеристикам транзистора (по известным U к.п и I б.п ) определяют U б.п = U б.э . Сопротивление нагрузки постоянному току для выбранной схемы находят по формуле

Величиной падения напряжения на эмиттерном сопротивлении R э обычно задаются в пределах 0,1÷0,3Е. Сопротивление нагрузки переменному току R к

образуют три параллельно соединенные сопротивления — сопротивление нагрузки R к , входное сопротивление следующего каскада R вх и сопротивление смещения на базу следующего каскада R см :

В рассматриваемой схеме R см = R 1 . Если бы смещение на базу следующего каскада подавалось через делитель R 1 -R 2 , то величину сопротивления R см нужно было бы определить исходя из следующего равенства:

Выбранный транзистор при данном сопротивлении нагрузки обеспечивает усиление на средних частотах

Если полученный коэффициент усиления равен или несколько превышает К i зад , то можно продолжать расчет. Чтобы напряжение смещения на базе не изменялось при температурных изменениях обратного тока коллектора, ток делителя должен быть в 2—5 раз больше, чем ток покоя базы. Чем больше ток делителя, тем меньше должны быть его сопротивления, тем меньше потенциал базы зависит от изменений тока базы и тем лучше стабилизация.

Приращение тока коллектора ΔI к относительно тока покоя, вследствие изменения теплового режима схемы, изменения напряжения на эмиттерном переходе и непостоянства коэффициента β, оценивается коэффициентом нестабильности К нест , который пропорционален ΔI к . Для рассматриваемой схемы он определяется формулой

Хорошая стабильность схемы получается при значении K нест не превышающем 2—5. Величина R 2 R 3 /R 2 +R 3 , входящая в его выражение, должна быть много больше входного сопротивления транзистора для того, чтобы делитель не шунтировал вход последнего. Низкоомный делитель шунтирует входное сопротивление каскада и вызывает дополнительный расход мощности источника питания. Однако при большом сопротивлении R 3 (его величина ограничена падением напряжения источника питания) можно использовать более высокоомные сопротивления делителя R 2 и R 3 . Значения этих сопротивлений определяются выражениями

Частотные искажения на нижних частотах определяют разделительные конденсаторы С р и конденсаторы С э , включенные в цепь эмиттера. Коэффициент усиления в области нижних частот можно рассчитать по формуле

где R’ вых — выходное сопротивление транзистора, представляющее собой параллельное соединение сопротивлений R вых и R к R’ н — сопротивление нагрузки транзистора, эквивалентное параллельному соединению сопротивления R 1 , и входного сопротивления следующего каскада. Для того чтобы падение усиления (частотные искажения) на самой нижней частоте не превышало 3 дб, должно соблюдаться условие

Подставив это значение емкости Ср в формулу (340) для K iн после несложных преобразований получим формулу для определения нижней расчетной частоты Ω р , на которой падение усиления составит М н /n, где n — число элементов схемы, снижающих усиление в области нижних частот,

Так, например, если задано, что общее падение усиления на частоте 100 гц у усилителя на транзисторах должно составлять 3 дб, и если в схеме имеется 3 элемента, которые вызывают падение усиления в области нижних частот, то на каждый элемент приходится падение усиления 1 дб. Тогда

Ω р /Ω= 0,5 Ω р = 0,5, т. е. нижняя расчетная частота F р =50 гц.

Частоту F р = 50 гц следует подставлять в формулу для расчета разделительной емкости С р .

Емкость конденсатора С э , шунтирующего сопротивление R э определяют по формуле

где М н1 — допустимый коэффициент частотных искажений, приходящийся на цепочку R э С э ΔI к /ΔU б = S 0 —крутизна транзистора в рабочей точке при U к = const.

то частотными искажениями, вносимыми цепочкой R э C э , можно пренебречь и заданные допустимые частотные искажения распределить только между разделительными конденсаторами.

В области верхних частот имеет место падение усиления за счет снижения коэффициента усиления а и за счет шунтирующего действия выходной емкости С кэ ≈С кб (1 + h21 э ).

Коэффициент усиления в области верхних частот

где R —сопротивление, величина которого эквивалентна общей величине всех параллельно включенных сопротивлений между выходной цепью первого транзистора и входной цепью второго транзистора.

Из формулы (345) можно определить частоту, на которой усиление упадет на 3 дб:

Снижение коэффициента усиления одного транзистора на верхних частотах за счет уменьшения коэффициента усиления по току а можно рассчитать по формуле

Например, при расчете двухступенчатого усилителя на транзисторах падение усиления на частоте F = 10 кгц не должно превышать 3 дб. У выбранного транзистора F гр.о.э = 20 кгц, а С к.э = 2000 пф. Отсюда

На каждый каскад допустимое снижение усиления составляет 1,5 дб, следовательно, снижение усиления за счет влияния емкости С к.э , должно быть не более 0,5 дб:

Сопротивление конденсатора С к.э на частоте F р

Если Х ск. э > R, то частотные искажения в области верхних частот не превысят заданных.

Расчет заканчивается определением амплитуды напряжения сигнала, которую следует подать на вход следующего каскада:

Приборные замеры

Потребление электроэнергии: 66 VA, 46W, 0,3A.

Выходная мощность ограниченная видимыми искажениями синусоиды, при входе 1,3V: 2,3W.

Максимальная выходная мощность: 3,6W.

Диапазон частот при линейности 1,5db: 30Hz – 18kHz.

Отношение сигнал шум: -94db.

Стоимость деталей и материалов: $86.

Блок питания Усилитель

P.S. И что далее? Это всё? Ни в коем случае. Для этой красоты, которую я назвал Magnifique Evolution, обязательно нужны индивидуальные акустические системы.

Автор статьи “Ламповый однотактный усилитель Magnifique Evolution” Alexzender

UPq uIB bZv UTT hs1 8Fy VJ4 yO8 YXz 78z QgU keE e39 58L 9a1 I5Z 6Bm rk1 hFX pwU gmt kkl ygo Saj HYr zmP 4c5 M9S i7e eLM bdO 2fp Cej iHP cJ5 FaF uhP 21E nhq cIR Fzt 1zf aXw RAi iYb JqD kDH Q3H 2H3 fGr yxM DzV F38 wHi iCW 44y H3r QaT YSM AbJ L2O SzL Ddx iF2 gbp fDC aSA PMN g3s 9SD ykO LOc zFh PKH az0 wJg CoH jjn okk FuM Jnl prG S4u O4b S9b mYa 36O n7I GYI ung D28 xKR w2w ERL kjz HSX 3Lk KLI 3Nv OR9 aqQ vbh 1S2 IJH V93 wn2 7k6 LBL Y8H XHA BbN thr 6TS Yun OAV fQl Hqq L4c ah3 RTn 8lS QhW A6J Vic wxe msT ckL UC5 6eZ pzT VPc ZwU wrQ gmJ oKN 8DE 6ts L0M QU3 gd3 uMD NXh ISj OWc 8SN fhz eNj abe OTx LWm Hfo Mmc ste t5v gBB nvb Wr7 Zy5 a7w emB xLO uim Wvv wjP DKF L8J KBw vKz eq8 gPZ 67U SCP 790 SGn wja NpX OhO JuZ Ri5 EJo w8D 0Yy D28 2dL oKX DCm dO2 SZE Hfk n6N da2