晶体管放大器的计算。方案、说明

晶体管放大器的计算。无线电电子电气工程百科全书

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晶体管一出现，就迅速赢得了放大技术的主导地位，这有几个原因。晶体管没有灯丝，这意味着它们不需要电源来加热，它们在低电源电压下工作良好，它们与低电阻负载（例如动圈扬声器头）匹配良好，它们耐用且可靠。与电子管不同，晶体管的特性明显是非线性的，在放大器中必须通过额外的措施来降低非线性，例如引入负反馈（NFB）。

让我们详细讨论一个稍微复杂但另一方面最常见的音频功率放大器 - UMZCH 的计算（图 51）。放大器中使用的所有晶体管都是硅的。

晶体管放大器的计算

在晶体管VT1和VT2上，输入级按照差分电路组装。它仅响应施加到同相和反相输入的电压差。根据极性，这种差异会关闭一个晶体管并打开另一个晶体管。负载R1包含在晶体管VT1的集电极电路中，但其集电极电流的一部分流向前级晶体管VT3的基极电路，为其提供偏置并提供信号。

最后级按照晶体管串联的推挽电路组装在晶体管VT4和VT5上。它们以 AB 类甚至 B 类模式运行，具体取决于二极管 VD1 和 VD2 产生的偏置。放大器加载在动态磁头 BA1 上，动态磁头 BAXNUMX 无需隔离电容器即可开启，因为在休息模式下放大器输出端的电压几乎为零。

放大器由具有相同输出电压的双极性电源（图 52）供电。放大器和电源电路极其简单，但组装在其上的设计相当高效，并且可以提供良好的参数。

晶体管放大器的计算

进一步的改进归根结底是在电源中安装晶体管电流发生器而不是电阻器、稳压器，在各个级之间打开射极跟随器 - 这个主题的变化是无穷无尽的，对 UMZCH 电路感兴趣的人将自己研究它们，根据其他人的说法出版物。我们将继续计算最简单的电路。

放大器（图 51）只不过是最简单形式的运算放大器 (op-amp)。运算放大器具有许多优点，使其具有普遍且最广泛的应用。理想运放的输入阻抗和增益无穷大，输出阻抗为零。理想的运算放大器仅响应其输入端的电压差。这意味着输入端电压的同步（共模）变化不会产生输出信号。

我们的运放远非理想：输入阻抗为数十千欧，增益为数千，输入信号共模抑制不超过20...40 dB。尽管如此，它的开启和工作方式与理想运算放大器相同（图 53）。

晶体管放大器的计算

输入信号通过去耦电容C4馈送到同相输入DA1（三角形内对应图51中的电路，但也可以是其他输出强大的运放，例如K157UD1 、K174UN11 等）。电阻器 R4 设置输入端的零电位。

如果没有负反馈，运算放大器将无法工作，负反馈会降低增益，同时降低非线性失真，并扩大放大频率的频带。 OOS 通过电阻器 R6 从放大器输出提供至反相输入。在直流电和较低频率下，C5R5链不发挥任何作用，因此反馈深度为100%。这意味着输出端和反相输入端的电位也为零。事实上，输出电势的最轻微偏差（例如，在正方向上）将通过电阻器R6转移到反相输入，被放大并导致输出电势降低，从而补偿初始偏差。

对于3H交流电则不同——分压器R6R5工作在OOS电路中，只有等于UvyxR5/(R5+R6)的交流输出电压的一部分传输到反相输入端。输入端的电压几乎相等（我们不要忘记运算放大器的增益为数千），因此增益的公式为：

K = Uvyx/UBX=1 + R6/R5。

放大器较低通带频率处电容器的电抗 fH 必须小于电阻器 R5 的电阻，因此

С5≥ 1/2πfHR5。

完成图53电路元件的计算。 4、我们仍然需要选择电阻器R6和R50的阻值。建议将它们取相同的值，这样运放相同的输入电流流经这些电阻时，将导致相同的压降。输入端的电压差将保持为零。然而，这些电压降不应太大；将其限制在 100...XNUMX mV 是合理的。因此，

R4 = R6 = (0,05...0,1)/iin。

例如，当 iin = 1 μA 时，电阻器的电阻等于 50 ... 100 kOhm。

现在让我们继续计算操作系统的内部元素（见图 51）。输入晶体管VT1和VT2的电流（相同）为

i1 = i2 h21e

其中 h21e 是共发射极电路中输入晶体管的静态电流传输系数（如果可能的话也应该相同）。晶体管的总电流通过电阻R2，电阻R0,5两端的压降应比电源电压En小XNUMXV（晶体管打开的阈值电压）。从这里

R2 = (En-0,5)/2i1

当 h21e = 100 且 iin = 1 µA 时，每个输入晶体管的电流将为 0,1 mA，En = 2 V 时电阻器 R6 的电阻为 27 kOhm。电流 i 必须在电阻器 R1 上产生足以打开晶体管 VT3 的压降，即不小于0,5V。因此，电阻器R1的阻值应为

R1 =0,5/i1

在我们的示例中，R1 = 5 kOhm。如果选择更多，则电流 i 的很大一部分将被引导至末级 VT3 晶体管的基极。这是可以允许的

式中i3为晶体管VT3的集电极电流； h21ЭЗ - 其电流传输系数。电流i3将在进一步计算中确定。

然后就可以进行前终端阶段和终端阶段的计算，最好从后者开始，因为前者的模式很大程度上是由它决定的。这里我们需要强大的输出晶体管的集电极特性，如图54所示。 XNUMX 并在参考书中给出。

晶体管放大器的计算

假设晶体管VT4和VT5具有相同的特性，仅结构不同。工业生产类似的互补晶体管对（例如：KT315 和 KT361、KT815 和 KT814、KT819 和 KT818，具有不同的字母索引）。该特性显示了在不同基极电流下集电极电流对集电极瞬时电压的依赖性。

该图用虚线显示了集电极电路的允许模式区域：顶部受最大集电极电流限制，右侧受最大允许集电极电压限制，中间部分受最大允许集电极电压限制。晶体管的耗散功率，计算为集电极电流和电压的乘积。负载线不得在任何地方跨越允许模式的边界。

前面已经提到，晶体管VT4和VT5工作在接近B类的模式。这意味着在没有信号的情况下，晶体管上的电压等于Ep，电流接近于零（图右侧）负载线）。在信号的正半波上，电路中的上晶体管（VT4）打开，在负半波上，电路中的下晶体管（VT5）打开。由于工艺完全对称，我们来考虑上部晶体管的操作。

当它打开时，集电极电流增加，集电极-发射极电压下降，因为负载（BA1 头上）释放了正半波电压。沿着负载直线向左和向上移动，我们确定 ik max 和 Uk min，如图 54 所示。 XNUMX、如果没有特性，则电流ik max 取略小于最大允许集电极电流，Uk min 表示集电极-发射极的饱和电压（全开时晶体管两端的压降）。

了解最后两个参数可以让您计算放大器的功率输出。事实上，负载处交流电压的范围（幅度）将为 En - Uk min，电流幅度 - ik max。功率将是

P \u2d (En - Uk min) ik max / XNUMX。

实际上，这通常是计算开始的地方 - 指定输出功率后，他们确定电源电压 En 并选择提供所需最大电流并对应于最大允许参数的输出晶体管类型（图 54）。还应该记住，闭合晶体管的集电极电压几乎可以达到2En——所选晶体管的集电极-发射极电压的最大允许值必须不小于2En。

知道输出晶体管 h21e4 和 h21e5 的电流传输系数（在大信号模式下）（同样，希望它们相同），即可找到最大基极电流

ib4 = ik 最大值/h21e4

预端子级的集电极电流（请记住，与输出晶体管不同，它在 A 类中运行）必须明显大于 ib4。这里，揭示了最简单方案的缺点（见图 51）。事实上，在信号的正半波上，晶体管 VT3 打开，其增加的电流打开输出晶体管 VT4。这些过程进展顺利。但在信号的负半波上，晶体管VT5应该打开，其最大基极电流由电阻R3决定，负半波峰值时该电阻两端的电压甚至小于Uk min ！这就是为什么需要将预端级i3的集电极电流设置为ib10的20 ... .4倍，并根据公式计算电阻器R3的电阻

R3 = En/i3。

当然，这是无利可图的——你必须在前级安装一个相当强大的晶体管，整个放大器的效率就会降低。以下措施可以纠正这种情况：增加输出晶体管的电流传输系数（安装复合晶体管，两个或至少一个代替VT5），使用晶体管电流发生器代替电阻R3，打开“升压器”。在后一种情况下，电阻器R3由两个串联的电阻器组成，它们的中点通过一个大电容器连接到放大器的输出端。由此产生的局部正反馈有助于更好地打开晶体管 VT5。

放大器的最后一个未检查的部分是电容器 C1，它校正较高频率区域的频率响应。它的电容通常很小——几十皮法。下一节将更详细地讨论它。

自测题。使用以下参数计算 UMZCH，输入电压 - 0,1 V，电源电压 - ± 6,3 V，负载电阻 - 4 Ohm，频率响应 - 50 Hz ... 12,5 kHz。选择晶体管的类型。确定正弦波的最大输出功率。

回答。我们先从最后一项开始——计算一下最大功率输出模式下的输出级。将残余电压加到开路输出晶体管U的集电极上_公里 = 0,3 V，我们得到输出端 RF 可变分量的幅度 Um = 6 V。则通过晶体管的电流最大值将为 l_m=U_m/R_H \u6d 4 V / 1,5 Ohm - \uXNUMXd XNUMX A。正弦信号的输出功率将为 P \uXNUMXd \uXNUMXd U_mI_m/2 = 4,5 瓦。通过输出晶体管的余弦脉冲电流的平均值为0,32l_m （0,32是脉冲分解为谐波分量的零因子）。索尔₀ = 0,32 升_m \u0,5d XNUMX A。这里我们必须添加另一个静态电流 I_学输出晶体管的量级为 0,05 A。

现在我们找到放大器 P 消耗的功率₀ = 2E_n(I₀ +我_学)= 7 W。如您所见，放大器在最大功率模式下的效率仅为 R / R₀ = 4,5 W / 7 W = 0,64 或 64%。在较低功率下，效率会更低。每个输出晶体管都会消耗功率（P₀ - P)/2 = 1,25 W。晶体管的一个不错的选择是一对互补的 KT816、KT817（具有任何字母索引）。它们的参数在很大程度上满足了我们的条件。

初级的电压增益应至少为 6,3 V/0,1 V = 63。一级晶体管，考虑到大功率晶体管的低输入阻抗上的负载，将无法提供这样的增益，因此，至少需要两级需要。图中的图表。 51-53。通过引入电阻比 R53/R6 约为 5...60 的 OOS（图 70）来抑制过量增益。

作者：V.Polyakov，莫斯科

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