2 Основна частина 2.1 Аналіз вихідних даних
Для забезпечення заданого коефіцієнта посилення 15 dB нам буде потрібно 4 каскаду, тоді на кожен каскад припадатиме приблизно по 4 dB. Внаслідок того, що у нас будуть перехресні зворотні зв'язки, які нам дадуть хороше узгодження по входу і виходу, в них буде губитися орієнтовно близько однієї третини вихідної напруги, то візьмемо U вих в 2 рази більше заданого, тобто 1В.
2.2 Розрахунок кінцевого каскаду
2.2.1 Розрахунок робочої точки
На підставі вище викладеного, обчислимо напруга на навантаженні і вихідний струм:
Uвих = 2Uвих (заданого) = 2.0 .5 = 1 (В);
Iвих =
=
= 0,02 (А).
Розрахуємо робочу точку для резистивного і дросельного каскадів:
а) резистивний каскад:
Малюнок 2.2.1.1-Резистивний каскад
Малюнок 2.2.1.2-Навантажувальні
по змінному струмі. прямі
Розрахунок робочої точки полягає в знаходженні струму колектора Iк0 і напруги колектор-емітер Uке0. Для знаходження Iк0 необхідно розрахувати змінну складову струму колектора Ік », а для Uке0 - вихідна напруга U вих і залишкову напругу транзистора Uост, яке ми приймемо рівним 2В, за умови R
н .= R
до: Ік »=
=
= 0,04 (А);
Uке0 = U вих + Uост, (2.2.1)
де U вих вихідна напруга,
Uост залишкову напругу транзистора;
Iк0 = Ік »+0,1 Ік», (2.2.2)
де Ік »струм колектора по змінному струмі;
Uке0 = 3 (В);
Iк0 = 0,044 (А);
Pвих =
=
= 0,01 (Вт) - вихідна потужність, Rн - опір навантаження;
Eп = Uке0 + Urк = Uке0 + Iк0 × Rк = 5,2 (В) - напруга живлення,
де Urк напруга на Rк,
рівне Iк0 × Rк .. u ^ 2/2R
Pрасс = Uке0 × Iк0 = 0,132 (Вт) - потужність, що розсіюється на транзисторі;
Рпотр = Eп × Iк0 = 0,2288 (Вт) - потужність, споживана каскадом;
б) дросельний каскад:
Малюнок 2.2.1.3-Дросельний каскад Малюнок 2.2.1.4-навантажувальні прямі.
по змінному струмі.
Iвих =
=
= 0,02 (А) - вихідний струм;
За формулами (2.2.1) і (2.2.2) розрахуємо робочу точку.
Uке0 = 3 (В)
Iк0 = 0,022 (А)
Pвих =
=
= 0,01 (Вт) - вихідна потужність;
Eп = Uке0 = 3 (В) - напруга живлення; u ^ 2/2R
Рк рас = Uке0 × Iк0 = 0,066 (Вт) - потужність, що розсіюється на колекторі;
Рпотр = Eп × Iк0 = 0,066 (Вт) - потужність, споживана каскадом;
Таблиця 2.2.1.1-Характеристики варіантів схем колекторному ланцюзі.
| Еп, (В)
| Ррасс, (Вт)
| Рпотр, (Вт)
| Iк0, (А)
|
З Rк
| 5,2
| 0,132
| 0,2288
| 0,044
|
З Lк
| 3
| 0,066
| 0,066
| 0,022
|
Як видно з
таблиці, краще використовувати каскад з дроселем в ланцюзі колектора На підставі наступних
нерівностей: Uке0 (допустиме)> Uке0 * 1,2; Iк0 (доп)> Iк0 * 1.2; Рк рас> Рк рас (додатково) * 1,2 ; fт> (3 ¸ 10) * fв> 2300 МГц виберемо
транзистор КТ371А. Його параметри [3] необхідні при розрахунку наведено нижче:
tс = 8 пс і Ск = 0,7 пФ при Uке = 10 В, b0 = 150, Uке0 (доп) = 10 В, Iк0 (додатково) = 30 мА,
Рк рас (доп) = 0,1 Вт, fт = 4,5 ГГц, LБ = 2,5 нГн, Lе = 2,5 нГн.
2.2.2
Вибір транзистора і розрахунок еквівалентної схеми заміщення.
2.2.2.1Расчет параметрів схеми Джіаколетто.
Малюнок 2.2.2.1.1-Еквівалентна схема біполярного
транзистора (схема Джиаколетто).
Проведемо розрахунок елементів еквівалентної схеми заміщення транзистора [4], використовуючи паспортні дані:
Ск (треб) = Вк (пасп) *
= 0,7 ×
= 0,9 (пФ),
де Ск - ємність колекторного переходу;
rб =
= 11,43 (Ом); gб =
= 0,0875 (Cм),
де rб і gб опір і провідність бази
відповідно,
τс - постійна часу ланцюга зворотного зв'язку;
rе =
= 1,82 (Ом), - опір емітера,
де Iк0 узятий в мА;
gбе =
= 0,0036 (См), - провідність переходу база-емітер,
де β0 - статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ОЕ;
Cе =
= 24,3 (пФ), - ємність емітерного переходу,
де fт гранична частота транзистора;
Ri =
= 333 (Ом), gi = 0.003 (См),
де Ri і gi вихідні опір і провідність транзистора відповідно.
2.2.2.2Расчет односпрямованої моделі транзистора.
Дана модель застосовується в області високих частот [5].
Малюнок 2.2.2.2.1-Односпрямована модель транзистора.
Lвх = LБ + Lе = (2,5 +2,5) нГн = 5 (нГн) - вхідна індуктивність транзистора,
де LБ і Lе індуктивності бази і емітера відповідно;
Rвх = rб = 11,43 (Ом) - вхідний опір;
Rвих = Ri = 333 (Ом) - вихідний опір;
Свих = Ск (треб) = 0,9 (пФ) - вихідна ємність;
fmax = fт = 4,5 (ГГц) - максимальна гранична частота.
2.2.3 Розрахунок і вибір схеми термостабілізації.
2.2.3.1 емітерной термостабілізація.
Емітерной термостабилизация [5] широко використовується в малопотужних каскадах, так як втрати потужності в ній при цьому не значні і її простота виконання цілком їх компенсує, а також вона добре стабілізує струм колектора в широкому діапазоні температур при напрузі на емітер більш 3В.
Малюнок 2.2.3.1.1-Каскад з емітерной термостабілізацією.
Розрахуємо параметри елементів даної схеми.
URе = (2ч5) = 3 (В);
Eп = Uке0 + URе = 3 +3 = 6 (В);
Rе =
=
= 136,4 (Ом);
Rб1 =
, Iд = 10 × Іб, Iб =
, Iд = 10 ×
= 10 ×
= 1,46 (мА),
де Iд струм базового подільника,
Iб струм бази;
Rб1 =
= 1575 (Ом), - елемент базового дільника;
Rб2 =
= 2534 (Ом), - елемент базового подільника.
Поряд з емітерной термостабілізацією використовуються пасивна та активна колекторні термостабілізації [5].
2.2.3.2 Пасивна колекторна термостабилизация:
Малюнок 2.2.3.2.1-Схема пасивної колекторної термостабілізації.
Urк = 6 (В);
Rк = URк/Iк0 = 6/0.022 = 273 (Ом);
Eп = Uке0 + Urк = 9 (У);
Iб =
= 0.022/150 = 0,146 (мА),
Rб =
= 15,7 (КОм).
Струм бази визначається величиною Rб. При збільшенні струму колектора напруга в точці А падає, і отже зменшується струм бази, а значить зменшує струм колектора. Але щоб став змінюватися струм бази, напруга в точці А має змінитися на 10-20%, тобто Rк повинно бути дуже велике, що застосовується тільки в малопотужних каскадах. Але, так як ми будемо застосовувати перехресні зворотні зв'язки, то дана схема нам не підходить.
2.2.3.3 Активна колекторна термостабілізація.
Можна зробити так, щоб Rб залежало від напруги в точці А див. рис. (2.2.3.2.1). Отримаємо що при незначному зменшенні (збільшенні) струму колектора значно збільшиться (зменшиться) струм бази. І замість великого Rк можна поставити менше на якому б падало порядку 1В див. рис. (2.2.3.3.1).
b2 = 50;
UR4> 1 B; UR4 = 2 (B);
R4 =
=
= 91 (Ом);
Eп = Uке0 + UR4 = 5 (В);
Iб1 = Iк0/β01 = 0,022 / 150 = 146 (мкА);
Iб1 = Iк02;
Uке02 = Uке01 / 2 = 1,5 (B);
Iд = 10 × Iб2 = 10 ×
= 9,6 (мкA);
R3 =
= 280 (КОм);
R1 =
= 240 (кОм);
R2 =
= 5450 (Ом).
Малюнок 2.2.3.3.1-Активна колекторна термостабілізація.
Дана схема вимагає значну кількість додаткових елементів, у тому числі і активних. Якщо Сф втратить свої властивості, то каскад самовозбудітся і буде не посилювати, а генерувати, тобто даний варіант не бажаний, оскільки параметри підсилювача повинні якомога менше залежати від зміни параметрів його елементів, за завданням. Грунтуючись на проведеному вище аналізі схем термостабілізації виберемо емітерной.
2.3 Розрахунок підсилювача.
Схема підсилювальних каскадів по змінному струмі наведена на малюнку 2.3.1 [1].
Малюнок 2.3.1 - Схема підсилювальних каскадів з перехресними ООС
При заданому коефіцієнті посилення схема з перехресними зворотними зв'язками має більшою смугою пропускання, яка практично не скорочується при збільшенні числа каскадів, що пояснюється комплексним
характером зворотного зв'язку на високих частотах [1].
Розрахуємо підсилювач на 4-х каскадах. Для того, щоб схема була узгоджена по входу і виходу, потрібне дотримання умови:
;
(2.3.1)
При виконанні умови (2.3.1) і при нехтуванні величинами другого порядку малості, коефіцієнт посилення двухтранзісторного варіанту підсилювача зображеного на малюнку 2.3.1 описується виразом
; (2.3.2)
де
; (2.3.3)
; (2.3.4)
; (2.3.5)
; (2.3.6)
Виберемо К = 0.5 і зробимо розрахунок
,
,
за формулами (2.3.3-2.3.5):
К0 =
= 2,125;
b1 =
= 3,375;
b2 =
= 3,625.
двухтранзісторного варіанту підсилювача дорівнює
(2.3.7)
де
= 89,2 (пс)
; (2.3.8)
, (2.3.9)
Мн = 3 dB - допустимі частотні спотворення.
За формулою (2.3.7) за допомогою формул (2.3.8-2.3.9) зробимо розрахунок
:
;
;
= 713 (МГц);
При збільшенні числа каскадів підсилювача, його
практично не змінюється і може бути розрахована за емпіричної залежності
, (2.3.10)
де n - загальне число каскадів;
- Верхня частота смуги пропускання двухтранзісторного варіанту підсилювача, що розраховується за формулою (2.3.7).
(МГц).
Підключення додаткових каскадів підсилення до двухтранзісторному варіанту підсилювача призводить до зростання посилення в
разів, де n - загальне число каскадів, і загальний коефіцієнт підсилення, в цьому випадку, дорівнює:
.
Кu (заг) =
(Раз), що
відповідає 18,6 dB;
З формули (2.3.6) обчислимо Rос, потім висловимо Rе, воно буде опором ООС і назвемо його
: