Проектирование индуктивной трёхточки на транзисторе с индуктированным n-каналом
Введение
Очень
важное значение в радиоэлектронике имеют колебательные системы, генерирующие
электромагнитные колебания. Такую систему, или устройство с самовозбуждением,
называют динамической системой, преобразующей энергию источника постоянного
тока в энергию незатухающих колебаний, причём основные характеристики колебаний
(амплитуда, частота, форма колебаний, гармонический состав и т.д.) определяется
, в основном, параметрами самой системы. Процесс получения сигналов требуемой
формы и частоты называют генерированием электрических колебаний. С точки зрения
математических моделей колебательные системы разделяют на линейные и
нелинейные, автономные и неавтономные. Особый класс представляют
автоколебательные системы или автогенераторы.
В
радиопередатчиках систем связи автогенераторы применяют часто в качестве
каскадов, создающие электромагнитные колебания несущей частоты (рис.1).
Основное требование – это высокая стабильность генерируемой частоты и КПД. В
СВЧ-диапазоне автогенераторы зачастую используют в качестве выходных каскадов
передатчиков. Требования к таким автогенераторам аналогичны требованиям к
усилителям мощности – обеспечение мощных колебаний при высоком КПД , выходной
мощности и стабильности частоты.
1. Выбор схемы для проектирования
Выберем
за основу для проектирования LC-генератора
Хартлея на МОП транзисторе с индуцированным каналом схему на рис.1
Введём
нагрузочный резистор в цепь стока и уберём микрофон и антенну. Полученная схема
приведена на рис.2.
Рис.2
Схема для проектирования генератора.
В
выбранной схеме рис.2 сопротивление R1 является времязадающим для плавности наростания напряжения параллельного
колебательного контура , который состоит из конденсаторов С1 С2, варикапа VD1 и индуктивной катушки L с тремя выводами (на схеме показаны
две идуктивности). Варикап также обеспечивает развязку контура по постоянному
току.
2. Подбор активного элемента – МОП транзистора для генератора
МОП
транзистор должен быть высокочастотным
fmax >12 МГц
Максимальный
ток стока транзистора определим, учитывая что транзистор в открытом состоянии
имеет падение напряжения примерно 1В:
Ic = (En-1) / RH т.е. Ic = 11 / 300 =37 мА (1)
Также
максимальная мощность транзистора определяется из выражения:
Pmax = Ic * En = 37 *12 =444 мВт (2)
Напряжение
сток исток:
UСИ
>12B;
По
этим параметрам подбираем высокочастотный МОП транзистор фирмы Philips типа BSD214. Его параметры:
fmax =15 МГц ;
Мощность
Р =1,2Вт;
Пороговое
напряжения U3И=1B;
Допустимое
напряжение сток-исток транзистора UСИдоп =25В;
Допустимое
напряжение сток-затвор транзистора UСЗдоп =30В;
Допустимое
напряжение затвор-исток транзистора UЗИдоп =30В;
Максимальный
ток стока транзистора Iдоп=50мА.
Данный
тип транзистора работает только в режиме обогащения канала при малом пороговом напряжении
и большом резонансном напряжении контура, поэтому можно считать режим его
работы ключевым.
3. Расчёт
спектра выходного сигнала генератора
Т.к.
режим работы транзистора ключевой, малое пороговое напряжение и синусоидальное
напряжение колебательного контура имеет амплитуду выше Еn>12B, то
скважность
следования импульсов будет равна S=2 ,
форма выходного сигнала будут прямоугольные импульсы с периодом следования:
Т =
1 / fP = 1/ 12000000 = 83нс (3)
Время
следования импульса:
tи=T / S = 83/2 = 41,5 нс (4)
Т.к.
транзистор в открытом состоянии имеет падение напряжения примерно 1В, то
выходное напряжение будет как на рис.3.
U,
B
Рис.3
Напряжение на нагрузке в установившемся режиме генератора.
Максимальное
напряжение в нагрузочном резисторе Um = En = 12B, а минимальное равно примерно
падению напряжения на открытом транзисторе Umin = 1,0B.
Определим
ширину спектра сигнала и найдём значение постоянной составляющей по формуле:
(5)
Амплитуда
первой, основной, гармоники f=12МГц будет:
Um1= (2Um/sin
(1 / S) = (2*12/3.14) * sin(1*3.14/2) = 7,64 В (6)
Амплитуда
второй гармоники f=2*12=24 МГц и других чётных равны нулю.
Амплитуда
третей гармоники f=3*12=36 МГц будет:
Um3(2Um/3sin
(3* / S) = (2*12/(3*3.14)) * sin(3*3.14/2) =2,55 В (7)
Амплитуда
пятой гармоники f=5*12=60 МГц будет:
Um4= (2Um/5sin
(5* / S) = (2*12/(5*3.14)) * sin(5*3.14/2) =1,53 В (8)
Амплитуда
седьмой гармоники f=7*12=84 МГц будет:
Um7= (2Um/7sin
(7* / S) = (2*12/(7*3.14)) * sin(7*3.14/2) =1,09 В (9)
Амплитуда
девятой гармоники f=9*12=108 МГц будет:
Um7= (2Um/7sin
(7* / S) = (2*12/(9*3.14)) * sin(9*3.14/2) =0,85 В (10)
По
результатам расчётов построим диаграмму, показывающую ширину спектра выходного
сигнала на нагрузочном резисторе генератора (рис.4).
Рис.4.
4. Расчёт элементов колебательного контура
Выбираем
катушку с индуктивностью L=
51мкГн c третьим выводом в1мкГн относительно
общей точки схемы. Такая большая разница относительно третьей точки позволяет
довести амплитуду выходного сигнала до максимума - 11,0В.
Из
формулы для определения резонансной частоты контура найдём общую ёмкость
колебательного контура:
(11)
Здесь
пренебрегаем шунтирующим действием малой ёмкости p-n перехода затвор – исток ( 2пФ).
Принимаем
варикап с малой ёмкостью типа FMMV2101
производитель ZETEX его параметры:
-
ёмкость СВ = 14пФ;
-
максимальное обратное напряжение Uобр=45В;
-
максимальный прямой ток Iпр = 200мА.
Принимаем
сопротивление времязадающего резистора R1 = 1кОм. Ёмкость времязадающего конденсатора С1 определяется
из условия, что постоянная времени должна быть равной времени импульса – tи = 41,5 нс и тогда:
С1
= tи / R1 = 41,5*10-9
/ 1000 = 41,5 пФ (12)
Принимаем
ближайшее стандартное значение С1=43пФ.
Теперь
определим ёмкость С2 как последовательно соединённую с СВ и С1 по
формуле:
(13)
Принимаем
стандартное значение С2=6,8 пФ при этом общая ёмкость контура будет
Для
ограничения тока контура введём в него сопротивление, которое определяется из
условия:
R>En / Iпр = 12 / 0,2 или R>60 Ом (14)
Принимаем
R2 = 200Ом – это оптимальное значение, т.к. чрезмерное увеличение этого
сопротивления приведёт к уменьшению скважности выходного напряжения.
5. Построение АЧХ
АЧХ
усилителя повторяет АЧХ колебательного контура. Упростим колебательный контур и
вместо варикапа VD1 и двух
конденсаторов С1 и С2 введём один =4,1 пФ, тогда получим
эквивалентную схему рис.5
Рис.5
Эквивалентная схема колебательного контура генератора.
Изображение
по Лапласу передаточной функция цепи рис.5 равно:
H(p)
= (15)
Заменим
в формуле (15) р=jw и получим зависимость передаточной
функции от круговой частоты:
Н(jw )= (16)
Выделим
из (16) действительную часть и, учитывая что w = 2 f получим формулу для построения АЧХ:
(17)
На
рис.6 по выражению (17) построена АЧХ усилителя где амплитуда в относительных
единицах от входного сигнала En = 12B.
Рис.6
АЧХ генератора.
6. Рассчитаем основные параметры схемы
Максимальный
потребляемый ток:
Imax = Ic + En / R1 = 37+ 12/1000 = 49мА (18)
Максимальная
(пиковая) потребляемая генератором мощность:
Рпот
= Imax En = 49*12 = 588мВт (19)
Наименьший
КПД генератора:
(20)
Т.к.
транзистор работает в ключевом режиме, генератор обладает высоким значением КПД
в установившемся режиме ->99%.
Проверим
работу схемы в виртуальной лаборатории с помощью программы Multisim8.0
Рис.7.
Виртуальный анализ спроектированной индуктивной трёхточки на МОП транзисторе.
Из
виртуальной осциллограммы рис.7 видно, что период импульсов Т=83нс их скважность
S=2 (синяя осциллограмма). Красная осциллограмма является графиком напряжения
на затворе транзистора и, следовательно, колебательного контура.
7. Описание работы схемы индуктивной трёхточки
Катушка
индуктивности L параллельного колебательного контура
имеет третий вывод, с которого снимается сигнал обратной связи, совпадающий по
фазе со входным сигналом на затворе транзистора VT1, т.е. образуется контур
положительной обратной связи. При положительной полуволне синусоидального
напряжения, после достижения напряжения затвор- исток в один вольт (пороговое
напряжение транзистора), происходит открывание транзистора и добавление
синфазной электроэнергии в колебательный контур, что делает колебания
незатухающими. Выходное напряжение, снимаемое с нагрузочного резистора RH, находится в противофазе с
напряжением затвор - исток транзистора (усилитель с общим истоком).
Список использованных источников
1.
Опадчий Ю.Ф.,
Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: Горячая
линия-Телеком, 2005.
2.
Малышева И.А.
«Технология производства интегральных микросхем», М., Радио и связь 1991.
3.
Нефёдов В.И. Основы
радиоэлектроники и связи. –М.: Высш. Школа, 2009.