Принципиальная схема однотактного усилителя мощности при включении транзистора с ОЭ изображена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Принципиальная схема однотактного усилителя мощности
на транзисторе
Коллекторной нагрузкой транзистора служит первичная обмотка трансформатора. Поскольку сопротивлением нагрузки постоянной составляющей коллекторного тока служит активное сопротивление первичной обмотки трансформатора, которое мало, то напряжение на коллекторе почти равно напряжению источника питания.
Сопротивление нагрузки переменной составляющей коллекторного тока, обусловленной полезным входным сигналом, является в общем случае комплексной величиной.
Резкое различие сопротивления нагрузки транзистора для постоянной и переменной составляющих тока выходной цепи обусловливает необходимость построения динамической характеристики по переменному току, которая, как и для резисторного каскада в режиме постоянного тока, строится на семействе коллекторных характеристик транзистора.
Конструируемый усилитель (рисунок 2) в заданном диапазоне частот должен обеспечивать в нагрузке известным сопротивлением заданную номинальную мощность. Заданы: коэффициент частотных искажений M, напряжение источника питания, сопротивление источника входного сигнала, максимальная температура воздуха Токр. макс.
КПД трансформатора принимаем равным 0,7. Мощность, выделяемую в коллекторной цепи транзистора, определяем по формуле (3.1) [1]
. (3.1)
С учётом того, что падение напряжения на сопротивлении Rэ порядка 0,1Ек, а на активном сопротивлении первичной обмотки r1 – 0,08Ек, для напряжения питания коллектор-эмиттер транзистора получаем U0к = Ек - (0,1Ек + r1 – 0,08Ек).
При этом максимальное напряжение, которое должен выдерживать транзистор,
; (3.2)
Выбираем транзистор, для которого известны Uкэ. доп, Iк0, bмин, bмакс, fa, Рк.
Рассчитываем ток покоя коллекторной цепи при hк = 0,4:
; (3.3)
Определяем мощность, потребляемую от источника питания:
; (3.4)
Находим ток покоя базы при минимальном значении коэффициента передачи тока базы:
. (3.5)
По найденным величинам U0к, I0к, I0б отмечаем исходное положение рабочей точки, через которую для сопротивления нагрузки переменной составляющей коллекторного тока
, (3.6)
Ом
проводим нагрузочную линию (рисунок 3).
Рисунок 3 – Выходная характеристика транзистора
Отмечая значения минимального напряжения на коллекторе (например,
Uк. мин = 2,4 В, а также минимальный Iк. мин = 0,7 мА и максимальный Iк. макс = 4,2 токи коллектора), определяем крайние положения рабочей точки М и N. Уточняем значение мощности, выделяемой в коллекторной цепи:
, (3.7)
что достаточно с запасом. При этом амплитуду базового (входного) тока, обеспечивающего полученное значение мощности в коллекторной цепи при наихудшем транзисторе данного типа, определяем как [1]
; (3.8)
Рисунок 4 – Входная характеристика транзистора
Перенося точки N, Р и М с выходной характеристики на входную характеристику (рисунок 4, точки N’, P’ и M’), находим значения, например, U0б = 1,7 В; 2Uбm = = 2,2 – 1 = 1,2 В.
Рассчитываем входное сопротивление усилителя:
; (3.9)
Определяем мощность во входной цепи усилителя:
; (3.10)
Находим величину коэффициента усиления мощности:
; (3.11)
Принимая во внимание падение напряжения на сопротивлении Rэ, получаем
. (3.12)
Принимаем стандартное значение Rэ.
Сопротивление резисторов R2, R1 определяем из условия [1]
; (3.13)
Ом;
(3.14)
где IR2 – ток через резистор R2, равный (2…5)I0б.
Принимаем стандартные значения R1, R2.
Определяем наибольшую мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора в режиме покоя:
. (3.15)
Поскольку Рр< Р’к. доп, то дополнительных мер для охлаждения не требуется.
Рассчитываем коэффициент трансформации трансформатора:
. (3.16)
Активные сопротивления первичной r1 и вторичной обмоток трансформатора определяем как
, (3.17)
, (3.18)
причём коэффициент с выбираем в пределах 0,7– 0,75, что обусловливает уменьшение падения напряжения на первичной обмотке трансформатора и увеличение КПД усилителя.
Значение Мн £ 1,5 дБ распределяем между звеньями схемы, вносящими частотные искажения в области нижних частот. Приняв для конденсатора Сэ МнС = 0,5 дБ (МнС = 1,06) и для трансформатора Мн. т = 1 дБ (Мн. т = 1,12), рассчитываем необходимые ёмкость конденсатора Сэ и индуктивность первичной обмотки L1 трансформатора [1]:
, (3.19)
где 
; (3.20)
;
; (3.21)
; (3.22)
; (3.23)
. (3.24)
Таблица 2 - Исходные данные для расчета усилителя мощности
| Вариант | Частотный диапазон, кГц | Сопротивление нагрузки, Ом | Выходная мощность, Вт | Коэффициент частотных искажений М | Напряжение источника питания, В | Сопротивление источника входного сигнала, Ом | Температура окружающего воздуха, 0 С |
| 0,1-15 | 1,11 | ||||||
| 0,1-19 | 1,12 | ||||||
| 0,15-15 | 1,10 | ||||||
| 0,1-10 | 1,11 | ||||||
| 0,5-15 | 1,12 | ||||||
| 0,12-10 | 1,13 | ||||||
| 0,12-15 | 1,14 | ||||||
| 0,1-10 | 1,15 | ||||||
| 0,12-15 | 1,12 | ||||||
| 0,2-14 | 1,11 |