- заданные искажения фронта выходного сигнала.
Результирующая неравномерность вершины прямоугольного импульса равна сумме неравномерностей, образующихся за счет разделительных и блокировочных цепей:
,
где - неравномерность вершины за счет i-й цепи;
N - число цепей.
Искажения фронта импульса связаны с частотными искажениями в области ВЧ, а искажения вершины импульса - с частотными искажениями в области НЧ [1,2]. Поэтому все указанные выше рекомендации по распределению частотных искажений для ШУ остаются в силе и для ИУ.
В связи с возможным разбросом номиналов элементов и параметров транзисторов необходимо обеспечить запас по основным характеристикам УУ в 1,2-1,5 раза.
4 РАСЧЕТ ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА
4.1 Выбор транзистора
Выбор транзистора для оконечного каскада осуществляется с учетом следующих предельных параметров:
¨ граничной частоты усиления транзистора по току в схеме с ОЭ
для ШУ,
для ИУ;
¨ предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер
для ШУ,
для ИУ;
¨ предельно допустимого тока коллектора (при согласованном выходе)
для ШУ,
для ИУ.
Если ИУ предназначен для усиления импульсного сигнала различной полярности (типа “меандра”) либо сигналов с малой скважностью (меньше 10), то при выборе транзистора оконечного каскада следует ориентироваться на соотношения для ШУ.
Тип проводимости транзистора может быть любой для ШУ и ИУ сигналов малой скважности. Если ИУ предназначен для усиления однополярного сигнала, то из энергетических соображений рекомендуется брать транзистор проводимости p-n-p для выходного сигнала положительной полярности, n-p-n - для отрицательной.
Обычно при U=(1...5)В и R=(50...150)Ом для выходного каскада берутся кремниевые ВЧ и СВЧ транзисторы средней мощности типа КТ610 и т.п.
4.2 Расчет требуемого режима транзистора
Существуют графические методы расчета оконечного каскада, основанные на построении динамических характеристик (ДХ) [1,2]. Однако для построения ДХ необходимы статические характеристики транзисторов, которые в современных справочниках по транзисторам практически не приводятся.
Рассмотрим методику нахождения координат рабочей точки транзистора без использования его статических характеристик.
Типичная схема оконечного каскада приведена на рис.4.1.
Задаемся сопротивлением в цепи коллектора:
R=(1...2) R, если требуется согласование выхода УУ с нагрузкой,
R=(2...3)R- в остальных случаях (рекомендация только для низкоомной нагрузки, R=(50...150)Ом).
Задаемся падением напряжения на R(либо на R+ R, если R присутствует в схеме):
.
Определяем эквивалентное сопротивление нагрузки:
. (4.1)
Определяем требуемое значение тока покоя коллектора в рабочей точке (плюс 10%-й запас с учетом возможной его термонестабильности) для ШУ и ИУ сигналов различной полярности (рис.4.2,а):
.
Для ИУ однополярных сигналов с большой скважностью (Q10), рис.4.2,б:
.
Для ИУ однополярных сигналов с малой скважностью (Q<10), (рис.4.2.в):
.
Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ШУ, ИУ сигналов различной полярности и ИУ однополярных сигналов с большой скважностью (см. рис.4.2,а,б):
,
где U - напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора, U=(1...2)В.
Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке для ИУ однополярных сигналов с малой скважностью (см. рис. 4.2,в):
.
Рекомендуется учесть для U необходимый запас на термонестабильность (обычно не более 10...15%).
Постоянная мощность, рассеиваемая на коллекторе, не должна превышать предельного значения, взятого из справочных данных на транзистор.
Требуемое значение напряжения источника питания Е для рассмотренных выше случаев равно:
, (4.2)
где U - падение напряжения на R , U=IR .
Напряжение источника питания не должно превышать U данного транзистора и должно соответствовать рекомендованному ряду:
Е=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36)B.
Если в результате расчета Е не будет соответствовать значению из рекомендованного ряда, то путем вариации в формуле (4.2) следует подогнать значение Е под ближайшее из рекомендованного ряда. Значение Е можно существенно снизить, если параллельно R включить дроссель с такой индуктивностью, чтобы X>(10...20)R(на , для ИУ , - длительность импульса). В этом случае U=0. Такая мера также позволяет повысить КПД каскада. Следует отметить, что применение дросселя не всегда технологически оправдано, особенно при исполнении УУ в виде ИМС.
4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора
При использовании транзисторов до (0,2...0,3) возможно использование упрощенных эквивалентных моделей транзисторов, параметры элементов эквивалентных схем которых легко определяются на основе справочных данных, приведенных, например, в [3].
Эквивалентная схема биполярного транзистора приведена на рис.4.3.
Параметры элементов определяются на основе справочных данных следующим образом:
¨ ,
где - постоянная времени цепи внутренней обратной связи в транзисторе на ВЧ;
¨ ,
при в миллиамперах получается в омах;
¨ ,
где - граничная частота усиления по току транзистора с ОЭ, ;
¨ ,
где - низкочастотное значение коэффициента передачи по току транзистора с ОЭ.
¨ Dr =(0,5…1,5) Ом;
Таким образом, параметры эквивалентной схемы биполярного транзистора полностью определяются справочными данными и режимом работы.
Следует учитывать известную зависимость от напряжения коллектор -эмиттер :
.
По параметрам эквивалентной схемы БТ определим его низкочастотные значения входной проводимости g и крутизны :
,
.
4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации
Наиболее широкое распространение получила схема эмиттерной термостабилизации (см. рис.4.1). Проведем расчет этой схемы.
Определим потенциал в точке а :
,
где - напряжение база-эмиттер в рабочей точке, =(0,6...0,9)В (для кремниевых транзисторов).
Зададимся током делителя, образованного резисторами R и R :
,
где - ток базы в рабочей точке, .
Определим номиналы резисторов R, R и R :
,
,
.
Оценим результирующий уход тока покоя транзистора в заданномдиапазоне температуры окружающей среды. Определим приращение тока коллектора, вызванного тепловым смещением проходных характеристик:
,
где - приращение напряжения , равное:
|e|,
где e - температурный коэффициент напряжения (ТКН),
e-3мВ/град, Т - разность между температурой коллекторного перехода Т и справочным значением этой температуры Т(обычно 25C):
,
,
где Ри R соответственно, мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе в статическом режиме, и тепловое сопротивление “переход-среда”:
,
.
Ориентировочное значение теплового сопротивления зависит от конструкции корпуса транзистора и обычно для транзисторов малой и средней мощности лежит в следующих пределах:
.
Меньшее тепловое сопротивление имеют керамические и металлические корпуса, большее - пластмассовые.
Определяем приращение тока коллектора , вызванного изменением обратного (неуправляемого) тока коллектора:
,
где приращение обратного тока равно:
,
где a - коэффициент показателя, для кремниевых транзисторов a=0,13.
Следует заметить, что значение , приводимое в справочной литературе, особенно для транзисторов средней и большой мощности, представляет собой сумму тепловой составляющей и поверхностного тока утечки, последний может быть на два порядка больше тепловой составляющей, и он практически не зависит от температуры. Следовательно, при определении следует пользоваться приводимыми в справочниках температурными зависимостями либо уменьшать справочное значение примерно на два порядка для кремниевых транзисторов (обычно для кремниевых транзисторов составляет порядка , n=(1...9)).
Приращение коллекторного тока, вызванного изменением , определяется соотношением:
,
где , отн. ед./град.
Общий уход коллекторного тока транзистора с учетом действия схемы термостабилизации определяется следующим выражением:
,
где учет влияния параметров схемы термостабилизации осуществляется через коэффициенты термостабилизации, которые, например, для эмиттерной схемы термостабилизации равны:
,
.
Здесь - параллельное соединение резисторов и .
Для каскадов повышенной мощности следует учитывать требования экономичности при выборе и .
Критерием оптимальности рассчитанной схемы термостабилизации может служить соответствие выбранного запаса и .
Более подробно методы расчета схем питания и термостабилизации приведены в [4].
4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада в области верхних частот (малых времен)
Определим коэффициент усиления каскада в области средних частот:
, (4.3)
где - низкочастотное значение крутизны транзистора в рабочей точке
Для ИУ однополярного сигнала следует определять для усредненного тока коллектора , рассчитанного по соотношению
Оценим требуемое значение постоянной времени каскада в области ВЧ (МВ):
¨ для ШУ с заданной верхней граничной частотой
