Расчет начнем с выбора транзистора и режима его работы.
3.1 Расчет требуемого режима транзистора
Задание определённого режима транзистора по постоянному току необходимо для обеспечения требуемых характеристик всего каскада.
Для расчета требуемого режима транзистора необходимо определиться с типом каскада, для этого рассчитаем оба: и резистивный и дроссельный каскады и сравним их.
Затем выберем наиболее оптимальный тип каскада.
3.1.1 Расчёт параметров резистивного каскада
Для расчета используем параметры из задания: Rн=50 Ом, , сопротивление коллекторной цепи возьмем равной Rк = Rн = 50 Ом.
Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.1,а, эквивалентная схема по переменному току на рис. 3.1,б.
а) б)
Рисунок 3.1 – Принципиальная и эквивалентная схемы резистивного каскада
1) Найдем ток и напряжение в рабочей точке:
, (3.1)
где - напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмиттер;
- напряжение на выходе усилителя;
- остаточное напряжение на транзисторе.
2) Найдем сопротивление нагрузки по сигналу:
(3.2)
3) Постоянный ток коллектора:
, (3.3)
где - постоянная составляющая тока коллектора;
- сопротивление нагрузки по сигналу.
4) Выходная мощность усилителя равна:
(3.4)
5) Напряжение источника питания равно:
(3.5)
6) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора равна:
(3.6)
7) Мощность, потребляемая от источника питания:
(3.7)
8) КПД: (3.8)
3.1.2 Расчёт дроссельного каскада
В дроссельном каскаде в цепи коллектора вместо сопротивления используется индуктивность, которая не рассеивает мощность и требует меньшее напряжение питания, поэтому у этого каскада выше КПД.
Используем требуемые параметры задания: Rн=50 Ом, .
Принципиальная схема дроссельного каскада по переменному току изображена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2-Схема дроссельного каскада по переменному току.
1) Найдем напряжение в рабочей точке:
(3.9)
2) Постоянный ток коллектора:
(3.10)
3) Выходная мощность усилителя:
(3.11)
4) Напряжение источника питания равно:
(3.12)
5) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:
(3.13)
6) Мощность, потребляемая от источника питания:
(3.14)
7) КПД: (3.15)
Таблица 3.1 - Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.
Еп,В
Iко,А
,Вт
Uкэо,В
,Вт
,Вт
,%
Резистивный каскад
17
0,22
3,74
6
0,25
1,32
6,685
Дроссельный каскад
11,5
0,11
1,265
6
0,25
0,66
19,763
Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно, что лучше выбрать дроссельный каскад.
3.2 Выбор транзистора
Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:
1) Граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:
, (3.16)
где из технического задания.
Найдем граничную частоту усиления транзистора по току в схеме с ОЭ:
(3.17)
2) Предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер:
(3.18)
3) Предельно допустимого тока коллектора:
(3.19)
4) Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе:
(3.20)
Тип проводимости транзистора может быть любой для ШУ.
Анализируя требуемые параметры, выбираем транзистор КТ913А.
Это кремниевый эпитаксиально-планарный n-p-n генераторный сверхвысокочастотный.
Предназначенный для работы в схемах усиления мощности, генерирования, умножения частоты в диапазоне 200 – 1000 МГц в режимах с отсечкой коллекторного тока.
Выпускается в герметичном металлокерамическом корпусе с полосковыми выводами.
Основные параметры транзистора:
1) Граничная частота коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ:
fГ =900 МГц;
2) Постоянная времени цепи обратной связи:
τс=18пс;
3) Емкость коллекторного перехода при Uкб=28В:
Ск=7пФ;
4) Емкость эмиттерного перехода:
Cэ=40пФ;
5) Максимально допустимое напряжение на переходе К-Э:
Uкэ max = 55В;
6) Максимально допустимый ток коллектора:
Iк max = 0,5А;
Выберем следующие параметры рабочей точки:
Т.к. транзистор хорошо работает только начиная с 6В то примем .
3.3 Расчёт и выбор схемы термостабилизации
Существует несколько вариантов схем термостабилизации. Их использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие требования предъявляются к температурной стабильности каскада. В данной работе рассмотрены три схемы термостабилизации: эмиттерная, пассивная коллекторная, и активная коллекторная. Рассчитаем все три схемы, а затем определимся с выбором конкретной схемы стабилизации.
3.3.1 Эмиттерная термостабилизация
Эмиттерная термостабилизация широко используется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом не значительны и её простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении на эмиттере более 5В.
Рисунок 3.3-Схема каскада с эмиттерной термостабилизацией.
Рассчитаем параметры элементов данной схемы:
1) Необходимое напряжение питания:
Еп=URэ+Uкэ0+Iк0*Rк (3.21)
Значение источника питания необходимо выбирать из стандартного ряда, поэтому выберем напряжение URэ с учетом того, что Еп=10В, Rк=0Ом:
2)Напряжение на Rэ:
URэ=Eп-Uкэ0+Iк0*Rк=10В-6В=4В (3.22)
3) Сопротивление эмиттера:
(3.23)
4) Напряжение на базе транзистора:
Uб=URэ+0,7В = 4,7В (3.24)
5) Базовый ток транзистора:
Iб= (3.25)
6) Ток делителя:
Iд=5×Iб=5,5мА, (3.26)
где Iд – ток, протекающий через сопротивления Rб1 и Rб2.
Сопротивления делителей базовой цепи:
7) Rб1= (3.27)
8) Rб2= (3.28)
Наряду с эмиттерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторные термостабилизации.
3.3.2 Пассивная коллекторная термостабилизация
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.
Рисунок 3.4 - Схема пассивной коллекторной термостабилизации
Расчет заключается в выборе URк и дальнейшем расчете элементов схем по формулам:
Выберем URк=5В;
1) Еп = URк + Uкэ0=5В+6В=11В, (3 29)
где URк - падение напряжения на Rк.
2) Сопротивление коллектора:
(3.30)
3) Сопротивление базы: Rб= (3.31)
4) Ток базы:
(3.32)
3.3.3 Активная коллекторная термостабилизация
Активная коллекторная термостабилизация используется в мощных каскадах и является очень эффективной, её схема представлена на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 - Активная коллекторная термостабилизация
Для расчета схемы термостабилизации необходимо сначала выбрать напряжение на резисторе Rк, а затем рассчитать токи и напряжения на втором транзисторе, и следующим шагом рассчитать значения элементов схемы:
1) (3.33)
2) Uкэ0vt2=Uкэ0vt1/2 = 6В/2 = 3В (3.34)
