|
Eп, B
|
Рпотр, мВт
|
IК0, мА
|
UКЭ0, В
|
Резистивный каскад (Rk)
|
3,9
|
52,8
|
68,6
|
17,6
|
3
|
Дроссель- ный каскад(Lk)
|
3
|
26,4
|
26,4
|
8,8
|
3
|
В
результате анализа полученных результатов можно прийти к выводу, что более
экономичным по энергетическим параметрам является дроссельный каскад. К тому же
КПД такого каскада больше резистивного в 2 раза.
3.2 Выбор транзистора
Выбор
транзистора производится в справочнике [2] по следующим параметрам, которые необходимо взять
с небольшим запасом в 20 %:
Лучше
всего по этим параметрам подходит транзистор КТ3101А-2.
Паспортные данные транзистора КТ3101А-2
Электрические
параметры:
Граничная частота при
Uкб=5В, Iэ=10мА не менее…………………….4,0ГГц
Максимальный
коэффициент усиления по мощности
при Uкб=5В, Iэ=10мА, f=2,25ГГц типовое значение…………….8,2
– 9,8дБ
Постоянная времени цепи обратной
связи на высокой частоте
при Uкб=5В………………………………………………………………..5пс
Статический коэффициент передачи
тока в схеме с общим эммитером
при Uкб=1В, Iк=5мА,
Т=298К………………………………………35 – 300
Емкость коллекторного
перехода при Uкб=5В………………………..0,65пФ
Емкость эммитерного
перехода при Uэб=1В……………………………..1пФ
Индуктивность вывода базы……………………………………………..2нГн
Индуктивность вывода
эммитора………………………………………..2нГн
Предельные
эксплуатационные данные:
Постоянное напряжение
коллектор-эммитер…………………………….15В
Постоянный ток
коллектора……………………………………………..20мА
Постоянная рассеиваемая мощность
при Т=213…318К…………….100мВт
3.3 Расчет эквивалентной
схемы транзистора
3.3.1. Эквивалентная
схема Джиаколетто
Расчет усилительных каскадов
основан на использовании эквивалентной схемы замещения транзистора,
предложенной Джиаколетто [3], справедливой для области относительно низких частот и приведенной на
рисунке 3.3.1.1
Рис. 3.3.1.1 Эквивалентная схема транзистора
Джиаколетто
Значения элементов схемы
Джиаколетто могут быть рассчитаны по паспортным данным транзистора по следующим
формулам [3]:
=3
- для планарных кремниевых транзисторов,
=4 - для остальных транзисторов,
В справочной литературе
значения и часто приводятся
измеренными при различных значениях напряжения коллектор-эмиттер . Поэтому при расчетах значение следует пересчитать по
формуле [3]
,
(3.3.1.1)
где - напряжение , при котором производилось измерение ; - напряжение , при котором производилось измерение
.
где - емкость коллекторного
перехода; -
постоянная времени цепи обратной связи; - статический коэффициент передачи тока в
схеме с общим эмиттером; -
граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером; - ток коллектора в рабочей
точке в миллиамперах.
Крутизна транзистора:
Расчет усилительных каскадов также основан на использовании однонаправленной модели транзистора [4], справедливой в области частот более , где = ( - граничная частота коэффициента передачи
тока, - статический
коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером) и приведенной на рисунке 3.3.2.1.
Рис. 3.3.2.1 Однонаправленная модель биполярного
транзистора
Элементы схемы замещения могут быть
рассчитаны по следующим эмпирическим формулам [4]:
где - индуктивность вывода базы; - индуктивность вывода
эмиттера; -
предельное значение напряжения ; - предельное значение постоянного тока
коллектора.
При расчетах по
эквивалентной схеме, приведенной на рисунке 3.3.2.1, вместо используют параметр - коэффициент усиления
транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования [5], равный
=
(3.3.2.1)
где - частота, на которой коэффициент усиления
транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования равен единице; - текущая частота.
3.4 Расчет цепей термостабилизации
Существует несколько вариантов схем
термостабилизации. Их использование зависит от мощности каскада и от того,
насколько жёсткие требования к термостабильности. В данной работе рассмотрены
три схемы термостабилизации: пассивная коллекторная, активная коллекторная и
эмиттерная.
3.4.1. Эммитерная
термостабилизация
Транзисторный каскад с эммитерной
термостабилизацией приведен на рисунке 3.4.1.1
Рис. 3.4.1.1 Усилительный каскад с эммитерной
стабилизацией
Расчет
элементов схемы эммитерной термостабилизации производится по формулам в [6].
Напряжение
на эммитерном сопротивлении обычно выбирают:
Тогда
сопротивление Rэ будет
равно:
Напряжение
источника питания:
Расчет
базового делителя:
Ток делителя:
Мощность, рассеиваемая на RЭ:
3.4.2 Пассивная коллекторная
стабилизация.
Данный вид термостабилизации (схема
представлена на рисунке 3.4) используется на малых мощностях и менее
эффективен, чем две другие, потому что напряжение отрицательной обратной связи,
регулирующее ток через транзистор подаётся на базу через базовый делитель.
Транзисторный каскад с пассивной коллекторной термостабилизацией приведен на рисунке 3.4.2.1
Рис. 3.4.2.1 Каскад с пассивной коллекторной стабилизацией
Подробный расчет элементов схемы приведен в [6].
Для того, чтобы
пассивная коллекторная термостабилизация была эффективной необходимо, чтобы
напряжение URк
лежало в пределах:
Тогда
сопротивление RК и
источник питания будут равны:
Рассчитаем
RБ:
Тогда рассеиваемая мощность каскада:
что
почти в 2 раза больше рассеиваемой мощности каскада с эммитерной
термостабилизацией.
3.4.3.
Активная
коллекторная стабилизация
Активная коллекторная
термостабилизация используется в мощных каскадах и является очень эффективной,
её схема представлена на рисунке 3.4.3. Её описание и
расчёт можно найти в [7].
Рис. 3.4.3 Каскад с
активной коллекторной стабилизацией
Для
того, чтобы активная коллекторная стабилизация была эффективной необходимо,
чтобы на резисторе R4 выделялось напряжение:
Тогда
сопротивление должно быть равно:
Рассчитаем
рабочую точку второго транзистора, обеспечивающего стабилизированный режим
работы каскада:
Тогда
источник питания:
Рассчитаем
элементы схемы активной коллекторной стабилизации по формулам в [7]:
Рассеиваемая
мощность каскада:
Таким образом
наиболее экономичным по энергетическим параметрам является каскад с активной
коллекторной стабилизацией, но т.к. разрабатываемый усилитель антенной решетки
маломощный, то в каскадах усилителя целесообразней применить эммитерную
термостабилизацию, обладающую достаточно хорошими параметрами стабилизации
рабочей точки транзистора.
3.5 Расчет элементов высокочастотной
коррекции
Для того, чтобы усилитель антенной решетки был
согласован по входу и выходу, имел линейную амплитудно-частотную характеристику, а параметры
усилителя не изменялись во времени и при изменении температуры
окружающей среды, необходимо испоьзовать
схему высокочастотной коррекции. Лучше всего для данного усилителя подходит схема с комбинированной
обратной связью [7].
Схема каскада по переменному току
приведена на рисунке 3.5.1
Рисунок
3.5.1 - Схема каскада с комбинированной ООС
Расчет схемы
каскада с комбинированной отрицательной обратной связью подробно описан в [7].
Достоинством схемы
является то, что при условиях:
и (3.5.1)
схема оказывается
согласованной по входу и выходу с КСВН не более 1,3 в диапазоне частот, где
выполняется условие YВ³0,7. Поэтому практически
отсутствует взаимное влияние каскадов друг на друга при их каскадировании.
При
выполнении условия (3.5.1), коэффициент усиления каскада в области верхних частот
описывается выражением:
(3.5.2)
где:
;
.
Из (3.5.1),
(3.5.2) не трудно получить, что
при заданном значении , выбранным с запасом в 20%, для
того, чтобы в случае ухудшения, в силу каких-либо причин, параметров отдельных
элементов коэффициент передачи
усилителя не опускался ниже заданного уровня, определённого техническим
заданием:
на один каскад.
Тогда общий коэффициент
передачи усилителя будет равен:
Тогда
коэффициенты:
При заданном
значении Yв на один каскад, частота fв каскада равна:
(3.5.3)
Нагружающие
ООС уменьшают максимальную
амплитуду выходного сигнала каскада в котором они используются на величину
.
(3.5.4)
При выборе и из (3.5.1), ощущаемое
сопротивление нагрузки транзистора каскада с комбинированной ООС равно и его напряжение и ток
в рабочей точке, также как и для каскада без ООС, могут быть рассчитаны по
формулам [7]:
, ,
где - максимальная допустимая мощность, рассеиваемая на
коллекторе.
В этом случае каскада равно:
С учетом наличия
сопротивления насыщения следует рассчитывать по формуле
(3.5.5)
Из
формулы (3.5.5) следует, что напряжение, которое может отдать транзистор с
учетом потерь на резисторах обратной связи и с четом наличия сопротивления
насыщения, несколько больше напряжения, которое он должен выдать на выходе по
заданию. Это говорит о том, что полученный в результате расчета усилитель
антенной решетки обладает лучшими характеристиками, чем по заданию.
4. Расчет предоконечного и входного
каскадов
Расчет
входного и предоконечного каскада производится абсолютно аналогично расчету
конечного каскада, т.к. все каскады согласованы по входу и по выходу за счет
применения комбинированной отрицательной обратной связи и режимы работы
транзисторов одинаковы.
5. Расчет разделительных и блокировочных
конденсаторов
На рисунке 5.1 приведена
принципиальная схема усилителя. Рассчитаем номиналы элементов обозначенных на
схеме. Расчёт производится в соответствии с методикой описанной в [1]:
Рисунок 5.1 Принципиальная схема антенного усилителя.
Произведем расчет разделительных и блокировочных емкостей.
Так как ёмкости, стоящие в эмиттерных
цепях, а также разделительные ёмкости вносят искажения в области нижних частот,
то их расчёт следует производить, руководствуясь допустимым коэффициентом
частотных искажений. В данной работе этот коэффициент составляет 1.5дБ. Общее количество разделительных конденсаторов 4, тогда на один
разделительный конденсатор приходится искажений 1.5/4 = 0,375 дБ.
Тогда:
где R1
и R2
– это входное и выходное
сопротивления каскадов усилителя и R1
= R2 =50
Ом, т.к. каскады согласованы по входу и по выходу.
,
где S0 –
это крутизна транзистора, рассчитанная в п. 3.3.1;
RЭ – это сопротивление термостабилизации,
рассчитанное в п. 3.4.1;
YН = 0,94, т.к. количество Ср равно 3.
Дроссель в коллекторной цепи каскадов ставится для того, чтобы выход транзистора по переменному
току не был заземлен через источник питания. Величина дросселя выбирается исходя из
условия:
Тогда:
Конденсаторы, стоящие
в цепях обратной связи: C1, C2,
C3 выбираются из условия:
Тогда:
6.
Заключение
В
результате расчета получился усилитель со следующими характеристиками:
1. Рабочая
полоса частот: 100-1196 МГц
2. Линейные
искажения
в области
нижних частот не более 1.5 дБ
в области верхних частот не более
1.5 дБ
3. Коэффициент усиления 19,7дБ
4. Амплитуда выходного напряжения Uвых=0.25
В
5. Питание однополярное, Eп=7 В
Усилитель рассчитан на нагрузку Rн=50
Ом и согласован по входу и по выходу.
Список использованной
литературы:
1.
Красько А.С., Проектирование усилительных устройств, методические указания.
Томск: ТУСУР, 2000г., 29 с.
2. Аронов В.Л., Баюков А.В. и др.
Полупроводниковые приборы: Транзи сторы. Справочник/Под общ. Ред.
Горюнова Н.Н. – 2-е издание, пере-
работанное – М.: Энергоатомиздат, 1985-904с., илл.
3.
Мамонкин И.Г. Усилительные устройства: учебное пособие для вузов.
М.: Связь, 1977г.
4. Титов А.А., Бабак Л.И.,
Черкашин М.В. Расчет межкаскадной согла-
сующей цепи транзисторного
полосового усилителя мощности
//Электронная техника. СЕР. СВЧ-Техника. ВЫП 1(475), 2000г.
5. Шварц Н.З. Линейные транзисторные
усилители СВЧ. - М.: Сов. радио. 1980
г.
6. Болтовский Ю.Г., Расчёт цепей
термостабилизации электрического режима транзисторов,
методические указания. Томск: ТУСУР, 1981г.,
39с.
7. Титов А.А. Расчет корректирующих цепей
широкополосных усилительных каскадов на биполярных
транзисторах –
|
|
|
|
|
|
РТФ КП
468740.009 ПЭ3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Усилитель
приемной антенной решетки
Схема электрическая
Принципиальная
|
Лит.
|
Масса
|
Масштаб
|
Из.
|
Лист
|
№
докум.
|
Подп.
|
Дата
|
|
|
|
|
|
Разраб.
|
Вахрушев
|
|
|
Пров.
|
Титов
|
|
|
Т. контр.
|
|
|
|
Лист
|
Листов
|
|
|
|
|
|
ТУСУР, РТФ, каф. РУУ,
гр.
148-3
|
Н. контр.
|
|
|
|
Утв.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поз.
|
Наименование
|
Кол.
|
Примечание
|
|
|
|
|
V1-V3
|
Транзисторы КТ3104-А аА0.336.128 ТУ
|
3
|
|
|
|
|
|
L1-L3
|
Дроссели 0.8мкГн±10%
|
3
|
|
|
|
|
|
|
Резисторы
|
|
|
|
|
|
|
R1,R6,R11
|
МЛТ–0,125-3,6
кОм±5% ГОСТ 7113-77
|
3
|
|
R2,R7,R12
|
МЛТ–0,125-7,1 кОм±5% ГОСТ 7113-77
|
3
|
|
R3,R8,R13
|
МЛТ–0,125-390 Ом±5% ГОСТ 7113-77
|
3
|
|
R4,R9,R14
|
МЛТ–0,125-16 Ом±5% ГОСТ 7113-77
|
3
|
|
R5,R10,R15
|
МЛТ–0,125-160 Ом±5% ГОСТ 7113-77
|
3
|
|
|
|
|
|
|
Конденсаторы
|
|
|
|
|
|
К-10-17 50пФ±5% ОЖО.460.107 ТУ
|
4
|
|
С2,С5,С8
|
К-10-17 1пФ±5% ОЖО.460.107 ТУ
|
3
|
|
С4,С7,С10
|
К-10-18 1нФ±5% ОЖО.460.107 ТУ
|
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
РТФ КП
468740.009 ПЭ3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Усилитель приемной антенной
решетки
Спецификация
|
Лит.
|
Масса
|
Масштаб
|
Из.
|
Лист
|
№
докум.
|
Подп.
|
Дата
|
|
|
|
|
|
Разраб.
|
Вахрушев
|
|
|
Пров.
|
Титов
|
|
|
Т. контр.
|
|
|
|
Лист
|
Листов
|
|
|
|
|
|
ТУСУР, РТФ, каф. РУУ,
гр.
148-3
|
Н. контр.
|
|
|
|
Утв.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|