Электрический расчет ПП

Составим структурную схему усилителя мощности (УМ).

Рисунок 10 Структурная схема ВЧ тракта

При расчете электронного режима транзисторов воспользуемся методикой предназначенной для расчета режима мощного транзистора СВЧ [3]. Рассмотренная методика может быть использована для расчета режима мощного транзистора усилителя, работающего на частотах порядка сотен мегагерц, и позволяет получить параметры режима, достаточно близкие к экспериментальным. На значениях частот 1…3 ГГц погрешность расчета возрастает из-за использования упрощенной эквивалентной схемы транзистора и недостаточной точности при определении её параметров. Выберем схему подключения транзистора с ОБ, т.к. при таком включение значительно возрастает верхняя рабочая частота до   и др. Эквивалентная схема усилителя ОБ для тока и напряжения первой гармоники представлена как Рисунок 11.

Рисунок 11 Эквивалентная схема усилителя

Расчет выходного усилителя мощности

Выбор типа транзистора

Выбор транзистора осуществляется с учетом типа модуляции, диапазона рабочих частот, полосы пропускания, требований к управлению (способа перестройки), характера и параметров нагрузки, а также возможностей обеспечения заданного уровня выходной мощности.

Так же при выборе транзистора необходимо руководствоваться следующими соображениями. Коэффициент усиления обратно пропорционален квадрату частоты. Поэтому, если известно из справочных данных, что транзистор на частоте  имеет коэффициент усиления , то на некоторой, более низкой рабочей частоте , его коэффициент усиления можно оценить примерно, как . Схема включения транзистора определяется, как правило, его конструкцией, в которой с корпусом соединяется один из электродов (эмиттер, база). Рекомендуется использовать СВЧ-транзистор на мощность не менее , указанной в справочнике. Сильное недоиспользование транзистора приводит к снижению его усилительных свойств. Предлагаемая в [3] методика расчета исходит не из , а из мощности , развиваемой эквивалентным генератором тока . Мощность  в схеме ОБ следует взять больше, чем требуемая , так как значительная часть мощности, развиваемая генератором тока поступает во входную цепь усилителя. На  в схеме ОБ  берется на  больше , на  эта доля меньше.

Как мы уже выяснили ранее, необходимая выходная мощность по первой гармоники должна быть , диапазон рабочих частот , тип модуляции – импульсная. С учетом потерь в согласующей СВЧ-цепи (возьмем их равными , дальнейший расчет покажет более точное значение), необходимая мощность, на выходе транзистора, по первой гармоники определяется, как  . Тогда выходная мощность равна . Всем этим требованиям в полной мере удовлетворяет транзистор 2Т919А [9].

Таблица 1 Параметры транзистора 2Т919А (ВУМ)

Расчет электронного режима транзистора 2Т919А

Итак, запишем еще раз исходные данные:

-              выходная мощность ВУМа ;

-              К.П.Д. согласующей СВЧ-цепи ;

-              выходная мощность транзистора ;

-              напряжения питания транзистора возьмем равным ;

-              основная рабочая частота ;

-              мощность эквивалентного генератора возьмем равным ;

-              схема включения транзистора ОБ.

Перед расчетом необходимо выяснить выполнение неравенства:

Напряжение  режима:

Амплитуда напряжения и тока первой гармоники эквивалентного генератора:

Пиковое напряжение на коллекторе:

при этом необходимое условие  выполняется.

Параметры транзистора:

С помощью графика  на рис. 4.2 определяем коэффициент разложения . Затем по табл. 3.1 для найденного  определяем значения  и коэффициента формы  [3].

Пиковое обратное напряжение на эмиттере:

при этом необходимое условие  выполняется.

Расчет комплексных амплитуд токов и напряжений на элементах эквивалентной схемы (Рисунок 11). За вектор с нулевой фазой принят ток :

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

Мощность возбуждения (входной сигнал) и мощность, отдаваемая в нагрузку:

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

Коэффициент усиления по мощности, мощность рассеивания транзистором:

Сопротивление эквивалентной нагрузки на внешних выводах транзистора:

Расчет ВЧ-цепи выходного усилителя мощности

Прежде чем согласовывать транзистор с чем-либо, рассмотрим входную и выходную цепи транзистора. Измерения  и  транзисторов в различных диапазонах частот показали [7], что входное сопротивление можно аппроксимировать полным сопротивлением последовательной цепи из активного сопротивления , индуктивности  и емкости  (Рисунок 12) резонансная частота которой может быть больше или меньше рабочей частоты  усилителя. Выходное сопротивление хорошо аппроксимируется полным сопротивлением параллельной цепи из , , , как это показано на Рисунок 12.

Рисунок 12 Входная и выходная цепи транзистора

Для многих транзисторов, работающих в дециметровом диапазоне волн,  с достаточной степенью точности соответствует сопротивлению последовательной цепи из , , а  - сопротивлению параллельной цепи из , .

В общем случае СВЧ-цепи могут быть представлены в виде составленных из реактивных элементов четырехполюсников. Назначение СВЧ-цепей заключается в следующем:

1.             Обеспечить колебательное напряжение (или ток) определенной частоты, амплитуды и фазы, необходимое для работы транзистора в выбранном энергетическом режиме.

2.             Передать с возможно малыми потерями СВЧ-мощность, подводимую к генератору, на вход транзистора, а мощность, отдаваемую транзистором, в нагрузку.

Для получения выбранного энергетического режима транзистора на его входе и выходе необходимо обеспечить требуемую величину сопротивлений по первой гармонике тока, которые известны из расчета режима транзистора. При этом сопротивление  и сопротивление согласующей цепи в точках подключения будут комплексно-сопряженными величинами. В выходной СВЧ-цепи в режиме согласования сопротивление согласующей цепи в точках подключения  является комплексно-сопряженной величиной сопротивления .

Входная согласующая СВЧ-цепь. Согласно эквивалентной схеме входной цепи транзистора, показанной на Рисунок 12, сопротивление  будет:

Реактивная составляющая  этого сопротивления может иметь как индуктивный характер (на рабочей частоте более высокой, чем резонансная частота входной цепи транзистора), так и емкостной (на рабочей частоте более низкой, чем резонансная частота входной цепи). Для многих современных транзисторов средне и большой мощности, работающих в дециметровом диапазоне волн, величина сопротивления  существенно меньше сопротивления  и поэтому можно приближенно принять, что:

и эквивалентная схема входной цепи состоит только из элементов  и .

Выходная согласующая СВЧ-цепь. Сопротивление нагрузки в общем случае:

где  и  - соответственно активная и реактивная составляющая сопротивления . Полное сопротивление  по первой гармоники согласно эквивалентной схеме выходной цепи транзистора, показанной на Рисунок 12, равно сопротивлению параллельной цепи из , , . При расчете выходной цепи транзистора бывает удобнее пользоваться вместо сопротивления  полной проводимостью , которую можно представить как

где  и  - соответственно активная и реактивная составляющие проводимости . Характер реактивной составляющей проводимости  можно определить расчетом для известных значений  и . Для большинства современных транзисторов дециметрового диапазона волн реактивная составляющая выходной проводимости имеет емкостной характер. Поэтому можно приближенно принять, что:

и эквивалентная схема выходной цепи состоит только из элементов  и .

Согласующее звено, может иметь вид, показанный на Рисунок 13.

Рисунок 13 Общая схема П-образной цепи

Возьмем в качестве согласующей СВЧ-цепи П-образную цепь, так как выбор более простой Г-образной цепи невозможен из-за невыполнения необходимого условия  [4]. П-образую цепь можно рассматривать как две Г-образные цепи (Г-звенья), включенные навстречу друг другу [8] (Рисунок 13) причем каждое из Г-звеньев должно иметь реактивные сопротивления  и  противоположного знака.

Расчет П-образной цепи между транзистором 2Т919А и нагрузкой (50 Ом). Зададимся величиной добротности первого Г-звена и величинами входного, выходного сопротивлений транзистора соответственно. Зная, необходимое сопротивление нагрузки найдем выходное сопротивление транзистора.

Тогда исходя из эквивалентной выходной схемы транзистора (Рисунок 12):

Входное сопротивление нагрузки пусть будет равным , добротность возьмем равной  (добротность  целесообразно брать не более 2 ¸ 3) [4].

Определим действующее сопротивление [4]:

при этом необходимое условие  выполняется.

Определим реактивные составляющие:

Страницы: 1, 2, 3, 4