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:
3.3.2 Расчет элементов однонаправленной модели биполярного 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]:
