Рис. 3. Эквивалентная схема усилителя ОЭ для токов и напряжений пер­вой гармоники

 

Для обеспечения устойчивого режима применяют специальные ме­ры, например, включение rдоп в цепь эмиттера или нейтрализацию Lб включением емкости в базовую цепь. Можно исполь­зовать выходное сопротивление моста делителя, если усилитель по­строен по балансной схеме. Сопротивление rвх1 с рос­том мощности уменьшается (до долей ом), xвх1 вблизи верхней частот­ной границы имеет индуктивный характер из-за Lб и Lэ и значитель­но больше rвх1. Коэффициент усиления обратно пропорционален квад­рату частоты. Поэтому, если известно из справочных данных, что транзистор на частоте f ' имеет коэффициент усиления , то на не­которой, более низкой рабочей частоте f, его коэффициент усиле­ния можно оценить примерно как , т. е. если , то Kр будет в четыре раза больше . В схеме ОЭ при  верхняя рабочая часто­та fв не превышает fгр.

Тип транзистора выбирают по заданной выходной мощности Pвых1 на рабочей частоте f, определяют схему включения транзистора, поль­зуясь справочными данными тран­зис­то­ра. Часто схема включения тран­зистора определяется его конструкцией, в которой с корпусом соеди­няется один из электродов (эмиттер, база). При выборе типа тран­зистора можно ориентироваться на данные экспериментального типо­вого режима. Рекомендуется использовать СВЧ-транзисторы на мощ­ность не менее , ука­зан­ной в справочнике. Силь­ное недоиспользование транзистора приводит к снижению его усили­тельных свойств. Интервал частот fв… fн включает  и  для схемы ОЭ. Применение транзистора, имеющего fн выше рабочей, позволяет полу­чить более высокое усиление, но при этом увеличивается вероят­ность самовозбуждения усилителя и понижается его надежность.

Схема ОБ характерна для транзисторов, работающих на f >1 ГГц. Транзисторы, имеющие два вывода эмиттера (для уменьшения Lэ), следует включать по схеме ОЭ. Для оценки параметров эквивалентной схемы можно использовать следующие данные:  нГн (для OЭ Lобщ=Lэ), Lк и входного вывода — в не­сколько раз больше. , , . Параметр h21э в расчетах не критичен,  для приборов на основе кремния, , где Pвых1 и Uк0 соответствуют рабочему режиму (например, экспериментальные данные). Если требуемая мощ­ность Pвых1 близка к той, которую может отдать транзистор, то Uк0 берется стандартным. При недоиспользовании транзистора по мощнос­ти целесообразно снижать Uк0, для повышения надежности. Например, если требуемая Pвых1 на 30-40% меньше  (мощности в типовом режи­ме), то Uк0 можно уменьшить на 20-30% по сравнению со стан­дартным. Однако при снижении Uк0 вдвое по сравнению со стандарт­ным частота fгр уменьшается на 5… 15%, а емкость Ск увеличивает­ся на 20... 25%.

Напряжение смещения Uб0 часто выбирается нулевым. При этом угол отсечки будет близок к 80… 90°, при котором соотноше­ние между Pвых1, ηэ, Kр близко к оптимальному. Кроме того, в этом случае отсутствует цепь смещения, что упрощает схему усилителя и не требует затрат мощности на осуществление смещения. В отно­шении Sгр надо иметь в виду, что перед расчетом ее следует уточ­нить, используя условие

(для схемы ОЭ — 0,7; для схемы ОБ — 0,8).

При этом Pвых1 и Uк0 берутся для выбранного транзистора. При невыполнении этого условия можно несколько увеличить Sгр (на 10… 15%).

Предлагаемая методика расчета исходит не из Pвых1, а из мощности Рг, развиваемой эквивалентным генератором тока iг. Мощность Рг в схеме ОЭ следует взять на 10‑20% меньше, чем требуемая Pвых1, которая имеет приращение из-за прямого прохождения части входной мощности. На f>frp в схеме ОБ Рг берется на 25... 50% выше Pвых1, на f<frp эта доля меньше.

К начальным параметрам расчета относится температура корпуса транзистора. Ее можно задать как Тк=Тс+(10… 20) °С с учетом перегрева радиатора относительно окружающей среды.

Если после проведения расчета на значения , f ' в типовом режиме Kр отличается от справочного значения  не более, чем на , то можно считать, что параметры эквивалентной схемы, принятые в расчете, оценены правильно. Если модуль пикового напряжения , то это означает, что значение емкости Сэ занижено. Для удобства расчета исходные данные целесообразно свес­ти в таблицу в следующем порядке:

Pвых1, Bт;
Pг, Bт;
f, МГц;
fгр, МГц;
Uкэ доп, В;
Uкб доп, В;
Uбэ доп, В;
U', В;
Uв0, В;
Uк0, В;
Sгр, А/В;
Rпк, °С/Вт;
Тп, °С;
Тк, °С;
h21э;
Cк, пФ;
Cкп, пФ;
Cэ, пФ;
rб, Ом;
rэ, Ом;
rк, Ом;
Lб, нГн;
Lк, нГн;
Lэ, нГн;
Pк доп, Вт.

Приводимый ниже порядок расчета граничного режима работы при Uв0=0 может быть использован для включения транзистора как по схеме ОЭ, так и по схеме ОБ. Там, где формулы расчета для схем ОЭ и ОБ отличаются, будет сделана пометка «ОЭ» или «ОБ». Все расчеты проводятся в системе СИ.

1. Напряженность ξгр режима:

.

2. Амплитуда напряжения и тока первой гармоники эквивалент­ного генератора:

.

3. Пиковое напряжение на коллекторе:

Uк пик = Uк0+Uг1<Uкэ доп.

При невыполнении неравенства следует изменить режим или вы­брать другой тип транзистора.

4. Параметры транзистора:

; ; .

5. Находим значения параметров А и В:

, , где .

С помощью графика A(γ1) на рис. 4 определяем коэффициент разложения γ1(θ). Затем по табл. 3.1. [1] для найденного γ1(θ) опреде­ляем значения, θ, cos(θ) и коэффициент формы g1(θ).

6. Пиковое обратное напряжение на эмиттере

.

Затем в пп. 7… 22 рассчитываются комплексные амплитуды токов и напряжений на элементах эквивалентных схем (см. рис. 3). За вектор с нулевой фазой принят ток  и .

Рис. 4. Зависимость параметра A от коэффициента разложения симметричного косинусоидального импульса γ1(θ)

7. , где .

8. .

9. .

10. .

11. .

12. .

13. .

14. .

15. .

16. .

17. .

18. .

19. .

20. .

21. .

22. .

23. Амплитуда напряжения на нагрузке и входное сопротивление транзистора для первой гармоники тока:

;

24. Мощность возбуждения и мощность, отдаваемая в нагрузку:

для схемы ОЭ ;

Если Pвых1 будет отличаться от заданной более чем на ±20%, расчет следует провести заново, скорректировав значение Pг.

25. Постоянная составляющая коллекторного тока, мощность, потребляемая от источника питания, и электронный КПД соответст­венно:

; ; .

26. Коэффициент усиления по мощности, мощность, рассеивае­мая транзистором и допустимая мощность рассеяния при данной тем­пературе корпуса транзистора:

; ; .

Можно принять значение Тп max=Tп, где Tп — допустимое значе­ние, взятое из справочных данных.

Следует убедиться, что .

27. Сопротивление эквивалентной нагрузки на внешних выводах транзистора

, где  для схемы ОЭ.

Данный расчет исходил из нулевого смещения на входном электроде транзистора. В ряде случаев этот режим может быть не опти­мальным и желательно вести расчет на заданный угол отсечки (на­пример в усилителе ОБ для стабилизации режима уменьшают угол от­сечки). Тогда, выбрав угол отсечки θ, по табл. 3.1. [1] находят коэффициент α1(θ) и определяют

.

Затем в п. 5 находят напряжение смещения Uв0 из соотношения

,

где  берут (для выбранного θ) также из табл. 3.1.

Если напряжение смещения должно быть запирающим, то можно применить автосмещение, включив сопротивление , забло­кированное конденсатором. При отпирающем смещении требуется до­полнительный источник напряжения.

3.2. Методика расчета режима транзистора
мощного СВЧ умножителя частоты

В промежуточных каскадах радиопередающих устройств СВЧ при­меняют умножители частоты о выходной мощностью до сотен милли­ватт. Такие СВЧ-умножители являются уже мощными. Умножение часто­ты в них достигается выделением нужной n-й гармоники из импульса коллекторного тока. При расчете режима транзистора, работающего на частотах 108... 109 Гц (сотни МГц), используют кусочно-линейную модель транзистора. При этом дополнительно учитывают индуктивнос­ти выводов транзистора, емкость закрытого эмиттерного перехода и потери в материале коллектора. Предполагают, что транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ) и возбуждается от генератора гармонического тока. Схема ОБ обеспечивает лучшие энергетические параметры мощного умножителя СВЧ, чем схема с общим эмиттером (ОЭ). В схеме ОЭ за счет обратной связи через емкость Ск импульс коллекторного тока деформируется и имеет малые коэффициент фор­мы gn(θ), а следовательно, и КПД, и мощность в нагрузке.

Страницы: 1, 2, 3, 4