Расчет транзисторного каскада усилителя мощности высокой частоты по схеме с общим эмиттером

Выбор транзистора. При выборе транзистора можно пользоваться литературой [5,9].

Для выбранного транзистора целесообразно выписать следующие параметры:

β₀ - статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ;

f_т - частота, на которой |β|=1

τ_к - постоянная времени цепи обратной связи транзистора;

С_к - емкость коллекторного перехода;

U_{кэ доп} - допустимое напряжение на коллекторе в схеме с ОЭ;

r_нас - сопротивление насыщения транзистора (может быть определено по статическим характеристикам);

r'_б= τ_к/С_к - сопротивление базы.

Порядок энергетического расчета на заданную мощность в критическом режиме следующий:

1) выбираем угол отсечки коллекторного тока _к, обычно в пределах 70‑80°. По таблицам или графикам находим величины , [5];

2) амплитуда переменного напряжения на коллекторе (предварительный расчет)

;

3) напряжение источника коллекторного питания (предварительный расчет);

;

4) для оконечного каскада целесообразно выбрать напряжение питания Е_к, равное стандартному значению из следующего ряда [5,11]:

3; 4; 5; 6; 6,3; 9; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 40; 48; 60В.

Из этого ряда выбирается ближайшее к Е'_к значение, отвечающее условию:

Е_к≤Е'_к;

5) уточняем значение амплитуды переменного напряжения на коллекторе:

;

6) остаточное напряжение на коллекторе:

;

7) амплитуда импульса коллекторного тока

8) на данном этапе целесообразно проверить правильность расчета графическим путем по характеристикам транзистора (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2

Ордината точки М должна отличаться от полученного значения I_mк не более, чем на 10-20%; в противном случае допущена ошибка в расчете;

9) постоянная составляющая тока коллектора:

;

10) далее производим расчет высокочастотных Y-параметров транзистора на рабочей частоте по методике, изложенной в [12]. Расчетные формулы приведены в приложении. При расчете Y–параметров значение тока эмиттера I_э принимаем равным I_к0. После вычисления Y параметров транзистора дальнейший расчет ведется по методике, изложенной в [13].

11) активная составляющая выходного сопротивления транзистора:

,

где Re(Y₂₂) – действительная часть выходной проводимости Y₂₂;

12) первая гармоника коллекторного тока, генерируемая транзистором:

;

13) первая гармоника коллекторного тока, протекающая через выходное сопротивление транзистора

;

14) первая гармоника коллекторного тока, протекающая через нагрузочный контур:

;

15) сопротивление нагрузочного контура, необходимое для обеспечения критического режима:

;

16) потребляемая мощность:

;

17) мощность переменного тока, поступающая в нагрузочный контур:

;

Таким образом, в нагрузочный контур поступает не вся генерируемая транзистором мощность P₁, а лишь её часть Р'₁ причем разность P₁‑Р'₁ составляют высокочастотные потери в транзисторе за счёт наличия паразитного сопротивления R'₂₂. Эти потери снижают к.п.д генератора и ухудшают тепловой режим работы транзистора;

18) к.п.д. генератора (без учета потерь в нагрузочном контуре):

;

19) мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора

;

20) переходим к энергетическому расчету цепей эмиттера и базы. Угол дрейфа на рабочей частоте (в градусах)

;

21) угол отсечки импульсов эмиттерного тока

,

По таблицам или графикам определяем величины [5];

22) модуль коэффициента усиления по току (в схеме с ОБ) на рабочей частоте:

;

23) первая гармоника тока эмиттера

;

24) высота импульса тока эмиттера

;

25) модуль комплексной крутизны транзистора на рабочей частоте

,

где , - соответственно действительная и мнимая части комплексной крутизны транзистора;

26) амплитуда напряжения возбуждения на рабочей частоте:

;

27) постоянная составляющая тока базы:

;

28) напряжение смещения, обеспечивающее требуемый угол отсечки тока эмиттера для n‑р‑n транзистора:

,

и для р‑n‑р транзистора:

,

где – напряжение отсечки коллекторного тока, равное (по модулю) 0,7 В для кремниевых и 0,2‑0,3 В для германиевых транзисторов;

29) угол отсечки импульсов тока базы для n‑р‑n транзисторов

,

и для р‑n‑р транзисторов

.

По таблицам или графикам находим величины , [5];

30) активная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте

,

где, – действительная часть входной проводимости транзистора;

31) мощность возбуждения на рабочей частоте без учета потерь во входном согласующем контуре

;

32) коэффициент усиления по мощности на рабочей частоте без учета потерь во входном и выходном согласующих контурах

;

33) общая мощность, рассеиваемая транзистором

.

6.3.2 Электрический расчет нагрузочной системы транзисторного каскада [5,14]

Назначение нагрузочной системы – фильтрация высших гармоник и согласование транзистора с нагрузкой.

Для обеспечения фильтрации высших гармоник в усилителе мощности нагрузочная система настраивается на частоту первой гармоники сигнала. Расчет коэффициента фильтрации Ф необходимо проводить для выходных каскадов.

Настроенная в резонанс нагрузочная система обладает на частоте первой гармоники чисто активным входным сопротивлением. Согласование нагрузки заключается в том, чтобы, подключив нагрузочную систему к транзистору и к нагрузке, обеспечить оптимальное (критическое) сопротивление нагрузки транзистора R_{ое кр}. При согласовании не должно нарушаться условие резонанса, должен обеспечиваться по возможности большой к.п.д. нагрузочной системы , добротность нагрузочной системы должна оставаться достаточно высокой для сохранения хорошей фильтрации высших гармонических составляющих.

В узкополосных ( ) усилителях мощности на транзисторах широкое применение получил П-образный контур, схема которого изображена на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3

На частоте сигнала f входное сопротивление П-контура должно быть чисто активным и равным требуемому критическому сопротивлению нагрузки транзистора . Таким образом, П-контур на частоте сигнала f трансформирует активное сопротивление нагрузки R_н в активное входное сопротивление .

Отметим, что при наличии реактивной составляющей сопротивления нагрузки необходимо ее компенсировать включением реактивности другого знака и, таким образом, свести дело к трансформации активных сопротивлений.

Порядок расчета П-контура следующий:

1) задаемся величиной волнового сопротивления контура в пределах

;

2) определяем индуктивность контура L₀ в Гн

;

3) на частоте сигнала f П-контур сводится к виду, изображенному на рисунке 6.4, причем L, L₀, С₀ находятся в соотношении

.

Рисунок 6.4

Величиной L в Г_н необходимо задаться в соответствии с формулой

;

4) определяем С₀ в фарадах

;

5) определяем C₁ и С₂

,

;

6) внесенное в контур сопротивление

;

7) добротность нагруженного контура

;

где r₀ – собственное сопротивление потерь контурной индуктивности L₀. Эта величина точно определяется в процессе конструктивного расчета контурной катушки индуктивности L₀, а на данном этапе можно принять

;

8) коэффициент фильтрации П-контура (рассчитывается для контура выходного каскада)

. (6.1)

Для однотактной схемы принимаем n=2, а для двухтактной n=3.

Отметим, что формула (6.1) справедлива при выполнении условия

.

Полученное значение коэффициента фильтрации П-контура следует сравнить с требуемым значением коэффициента фильтрации F_т (расчет Ф_т дают в лекциях, учебниках) [5].

× .

При Ф<Ф_т следует переходить к двух или трехконтурной схеме нагрузочной системы;

9) для каскадов усиления модулированных колебаний или для модулируемых каскадов необходимо проверить нагрузочную систему на обеспечение требуемой полосы пропускания Δf по формуле

. (6.2)

Для AM требуемая полоса пропускания равна удвоенной максимальной частоте модуляции

,

а для ЧМ

,

где m - индекс частотной модуляции.

При невыполнении условия (6.2) необходимо принять меры к уменьшению добротности нагрузочной системы, например, путем уменьшения ρ.