Выходная мощность умножителя ограничена несколькими фактора­ми. К ним относятся предельно допустимые значения обратного на­пряжения на эмиттерном переходе Uбэ доп и мощности рассеяния, а также критический коллекторный ток Iкр1.

При выборе угла отсечки надо учитывать следующее. Пиковое обратное напряжение Uбэ пик увеличивается при уменьшении угла отсечки θ, что может ограничить мощность, отдаваемую умножителем частоты. При больших углах отсечки уменьшается КПД и растет рас­сеиваемая мощность Рк, что может привести к нереализуемости режи­ма транзистора. Если при оптимизации мощности умножителя частоты опираться только на ограничения по коллекторному току, считая максимальный iк max=Iкр, то оптимальным углом отсечки при n=2 оказывается θ=60°, а при n=3 — θ=40°. При этих углах отсечки КПД будет достаточно высоким, но надо не допустить пре­вышения Uбэ доп. Поэтому часто угол отсечки и для n=2, и n=3 выбирают равным θ=60°.

Расчет режима транзистора ведут на заданную выходную мощ­ность транзистора Pвых n на рабочей частоте nf, определенную по вы­ходной мощности умножителя Pвых n и КПД его выходной согласующей цепи hк вых: Рвых n=Рвых/hк вых.

Для расчета используем методику, которая имеет в своей основе следующие допущения:

интервал рабочих частот соответствует неравенствам: , ;

транзистор возбуждается от генератора гармонического тока;

крутизна по переходу Sп считается вещественной;

напряжение на коллекторе — гармоническое;

схема включения транзистора — ОБ;

влиянием индуктивности общего вывода транзистора Lб прене­брегают.

Исходя из заданных Pвых n и nf по справочникам выбирается транзистор с учетом выполнения условий  и . Вследствие больших потерь в материале коллектора на верхних часто­тах транзистора целесообразно выбирать транзистор с запасом по вы­ходной мощности Pвых n примерно в 2,0… 2,5 раза. Параметры выбран­ного транзистора рекомендуется свести в таблицу в следующем поряд­ке:

, Вт;
, МГц;
, В;
Uкэ доп, В;
Uбэ доп, В;
, В;
Iкр, А;
Tп, °С;
Sгр, А/В;
fгр, МГц;
Ск, пФ;
rб, Ом;
rэ, Ом;
rк, Ом;
Lб, нГн;
Lэ, нГн;
Lк, нГн.

Напряжение питания Uк0 принимается равным или близким к , в типовом режиме транзистора. Угол отсечки целесообразно выбрать для n=2 и n=3 θ=60°. По табл. 3.1 [1] определяют для выбранно­го θ коэффициенты α0, α1, α2, γ1, γn.

Расчет ведут в следующем порядке (режим работы принимают граничным).

1. Сопротивление потерь коллектора в параллельном эквиваленте:

.

2. Напряженность граничного режима

,

где .

3. Амплитуда напряжения и тока n-й гармоники, приведенные к эквивалентному генератору:

; .

4. Сопротивление коллекторной нагрузки:

.

5. Амплитуда n-й гармоники, высота импульса тока эквива­лентного генератора, постоянная составляющая коллекторного тока соответственно:

; ; .

Провести проверку выполнения условия . Если условие не выполняется, то следует сменить транзистор, так как из-за умень­шения частоты fгр нельзя получить заданную мощность.

6. Амплитуда тока возбуждения и коэффициент передачи по то­ку в схеме ОБ:

, .

7. Пиковое обратное напряжение на эмиттере:

.

8. Напряжение смещения:

,

где ; ; ; .

9. Диссипативная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора:

;

.

10. Мощность источника питания, КПД:

; .

11. Коэффициент усиления по мощности:

.

12. Мощность возбуждения:

.

13. Мощность рассеяния:

.

14. Диссипативная и реактивная составляющие сопротивления нагрузки, приведенной к внешнему выводу коллектора, в параллельном эквиваленте:

;

.

4. Результаты расчетов

4.1. расчет усилителя мощности

4.1.1. расчет режима работы активного прибора (транзистора)

Выбор транзистора, расчет его режима работы и энергетических параметров выполнен на ЭВМ с помощью программы PAMP1, разработанной на каф. 406, и реализующей методику, описанную в п. 3.1.

Исходные данные:

ЧАСТОТА fвх И МОЩНОСТЬ P1 УСИЛИТЕЛЯ,
ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА (2Т934А)

fвх=0,25 ГГц;

P1=0,0614 Вт;

F1=1 ГГц;

R1=3 Ом;

R2=6 Ом;

R3=0,1 Ом;

C1=7 пФ;

C2=2 пФ;

C3=40 пФ;

L1=1,3 нГн;

L2=3,1 нГн;

L3=2,5 нГн;

H=80;

T=160 °;

U1=60 В;

U2=4 В;

U3=0,7 В;

U4=1,2 В;

P2=7 Вт;

S1=0,17;

F2=0,4 ГГц;

K1=10;

P3=3 Вт;

U0=19 В.

Результаты расчета:

2Т934А, ОБЩИЙ ЭМИТТЕР, fвх=0,25 ГГц;

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Выходная мощность                          0,0614 Вт;

Мощность возбуждения                   8,07 мВт;

Коэффициент усиления                    KУМ=7,60825;

Потребляемая мощность                   61,501 мВт;

Мощность потерь                              8,1711 мВт;

Коэффициент полезного действия (электронный КПД)   ηэ=99,83%.

РЕЗЕРВЫ ТРАНЗИСТОРА

По напряжению на коллекторе        1,582314;

По напряжению на базе                   2,439582;

По рассеиваемой мощности             856,669;

Допустимая температура корпуса транзистора      159,8599 °С.

ЦЕПЬ КОЛЛЕКТОРА

Напряжение питания                        E0=19 В;

Амплитуда напряжения                   18,91915 В;

Напряженность режима                   0,9957449;

Амплитуда коллекторного тока       6,872006 мА;

Постоянная составляющая коллекторного тока                                         I0к=3,236894 мА;

Диссипативная составляющая сопротивления коллекторной нагрузки R1вых УМ=166,933 Ом;

Реактивная составляющая сопротивления коллекторной нагрузки         X1вых УМ=5,44388 Ом.

ЦЕПЬ БАЗЫ

Напряжение смещения по базе        E0б=1,2 В;

Амплитуда тока возбуждения          0,1756269 А;

Угол отсечки                                      34,69754 °;

Диссипативная составляющая входного сопротивления Zвх       R1вх УМ=0,5232769 Ом;

Реактивная составляющая входного сопротивления Zвх               X1вх УМ=4,491888 Ом.

4.1.2. расчет элементов принципиальной схемы усилителя мощности

Опираясь на проведенный расчет, получаем:

а) Цепь смещения (параллельная схема с автосмещением).

;

Выбираем R1: C2-33Н-0,5-360 Ом±5%,

где Е0б — напряжение смещения по базе;

Iок — постоянная составляющая коллекторного тока.

Из условий

; ;  (см. рис. 5),

где ; R1вх=R1вх УМ=0,523 Ом — диссипативная составляющая входного сопротивления базовой цепи, полученная в ходе расчетов на ЭВМ (см. п. 4.1.1.), получаем:

;

Выбираем С1: КМ-6-М1500-0,012 мкФ.

;

Выбираем С4: К10-17-1-П33-17,16 пФ.

.

Числовой коэффициент 10 введен для обеспечения справедливости вышеприведенных соотношений: «много больше» мы заменяем на «в 10 раз больше».

б) Последовательная схема питания.

Из соотношений

; ;  (см. рис. 6),

где rист — внутреннее сопротивление источника питания, rист=5 Ом; R1вых — диссипативная составляющая сопротивления коллекторной нагрузки, R1вых=R1вых УМ=166,93 Ом, получаем:

;

Выбираем С5: К10-17-1-П33-38,13 пФ.

;

Выбираем С3:

.

4.2. расчет умножителя частоты

4.2.1. расчет режима работы активного прибора (транзистора)

Выбор транзистора, расчет его режима работы и энергетических параметров выполнен на ЭВМ с помощью программы MULTIPLY, разработанной на каф. 406, и реализующей методику, описанную в п. 3.2. Исходные данные:

Параметры транзистора