Сравнивая энергетические характеристики двух каскадов, можно сделать вывод, что лучше взять дроссельный каскад, так как он имеет наименьшее потребление, напряжение питания и ток, а также более высокий КПД.

4.2 Выбор транзистора выходного каскада 

Выбор транзистора осуществляется по следующим предельным параметрам:

предельный допустимый ток коллектора

;                                                                                (4.12)

предельное допустимое напряжение коллектор-эмиттер

                                                                       (4.13)

предельная мощность, рассеиваемая на коллекторе

;                                                                              (4.14)

граничная частота усиления транзистора по току в схеме с ОЭ

.                                                                                (4.15)

Требованиям (4.12), (4.13), (4.14) и (4.15) удовлетворяет транзистор КТ911А [3]. Основные технические характеристики этого транзистора  приведены ниже.

Электрические параметры:

-граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ МГц;

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;

-постоянная времени цепи ОС при UКБ=10В, IЭ=30мА tОС=25пс

-емкость коллекторного перехода при В  пФ.

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер В;

-постоянный ток коллектора мА;

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора Вт;

-температура перехода .

4.3 Расчет эквивалентных схем транзистора

4.3.1 Расчет схемы Джиаколетто

Соотношения для расчёта усилительных каскадов основаны на использовании эквивалентной схемы транзистора, предложенной Джиаколетто, справедливой для области относительно низких частот [4].

Эквивалентная схема Джиаколетто представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5- Эквивалентная схема Джиаколетто

Зная паспортные данные транзистора, можно рассчитать элементы схемы, представленной на рисунке 4.5,  согласно следующим формулам [4]:

Проводимость базы вычисляем по формуле

                                                                                    (4.16)

где Ск - ёмкость коллекторного перехода;

- постоянная времени цепи обратной связи. (паспортные данные, в

дальнейшем - *)

В справочной литературе значения  и  часто приводятся измеренными при различных значениях напряжения коллектор-эмиттер . Поэтому при расчетах  значение  следует пересчитать по формуле

                                                        (4.17,а)

где       - напряжение , при котором производилось измерение ;

 - напряжение , при котором производилось измерение .

Также следует пересчитать ёмкость коллекторного перехода для напряжения коллектор-эмиттер, равному напряжению в рабочей точке:

                                                 (4.17,б)

Сопротивление эмиттерного перехода рассчитывается по формуле

                                                       (4.18)

где Iко - ток в рабочей точке в миллиамперах;

а=3 – для планарных кремниевых транзисторов,

а=4 – для остальных транзисторов.

Проводимость перехода база-эмиттер рассчитывается по формуле

                                                                               (4.19)

где - сопротивление эмиттерного перехода;

- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (*).

Ёмкость эмиттера рассчитывается по формуле

                                                                 (4.20)

где fт – граничная частота коэффициента усиления тока базы (*).

Крутизна внутреннего источника рассчитывается по формуле

                                                                                        (4.21)

где - статический коэффициент передачи тока в схеме с ОБ.

                                                                                    (4.22)

Проводимости gБК и gi оказываются много меньше проводимости нагрузки усилительных каскадов, в расчётах они обычно не учитываются.

Подставляя численные значения, по формулам (4.16) ¸ (4.22) проводим расчёт элементов схемы.

По формулам (4.17а) и (4.17б) пересчитаем ёмкость коллектора для напряжения, при котором измерена постоянная времени цепи обратной связи, а также для напряжения, равного напряжению в рабочей точке:     

По формуле (4.16) производим расчет проводимости базы:

По формуле (4.18) производим расчет сопротивления эмиттерного перехода:

Проводимость база-эмиттер вычисляем согласно формуле (4.19):

По формуле (4.20) рассчитываем ёмкость эмиттера:

Крутизну внутреннего источника вычисляем по формулам (4.21) и (4.22):

4.3.2 Расчет высокочастотной однонаправленной модели

Однонаправленная модель справедлива в области частот более , где = ( - граничная частота коэффициента передачи тока,  - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером) [4].

Однонаправленная модель транзистора представлена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Однонаправленная модель транзистора

Элементы схемы замещения, приведенной на рисунке 4.6, могут быть рассчитаны по следующим эмпирическим формулам [4].

Входное сопротивление:

                                                                                        (4.24)

где - сопротивление базы в схеме Джиаколетто (см. рисунок.4.5).

Выходное сопротивление:

                                                                            (4.25)

где UКЭМАХ – предельное значение напряжения коллектор-эмиттер (*);

       IКМАХ – предельное значение постоянного тока коллектора (*).

Подставляя в выражение (4.25) числовые значения, получаем:

Выходная ёмкость:

                                                                                      (4.26)

где СК – ёмкость коллектора, рассчитанная в соответствии с формулой

 (4.17,б)

4.4 Расчет цепей термостабилизации

Существует несколько видов схем термостабилизации [5,6]. Использование этих схем зависит от мощности каскада и требований к термостабильности. В данной работе рассмотрены следующие три схемы термостабилизации: эмиттерная, пассивная коллекторная, активная коллекторная. Необходимо сравнить эффективность использования данных схем.

4.4.1 Эмиттерная термостабилизация

Рассмотрим эмиттерную термостабилизацию, схема которой приведена на рисунке 4.7. Метод расчёта и анализа эмиттерной термостабилизации подробно описан в [5,6].

Рисунок 4.7 – Схема эмиттерной термостабилизации

Расчет номиналов элементов осуществляется по известной методике, исходя из заданной рабочей точки.

Рабочая точка достаточно жестко стабилизирована, если

                                                                               (4.27)

Номинал резистора RЭ находится по закону Ома:

                                                                               (4.28)

Емкость СЭ позволяет всему сигналу от генератора выделяться на транзисторе. Номинал рассчитывается по формуле:

.                                                                                   (4.29)

Напряжение источника питания будет составлять сумму падений напряжений на транзисторе и резисторе в цепи эмиттера:

                                                                          (4.30)

Базовый ток в   раз меньше тока коллектора:

                                                                                        (4.31)

Выбор тока делителя осуществляется следующим образом:

                                                                             (4.32)

Расчет номиналов резисторов базового делителя производим по формулам:

                                                                     (4.33)

                                                                               (4.34)

Принимая  и , согласно выражениям (4.27) – (4.34) производим численный расчет:

Также проведем расчет мощности, рассеиваемой на резисторе RЭ.

4.4.2 Пассивная коллекторная термостабилизация

Этот вид термостабилизации [5,6]  применяется в маломощных каскадах и менее эффективен, чем две другие, потому что напряжение отрицательной обратной связи, регулирующее ток через транзистор подаётся на базу.

Схема каскада с использованием пассивной коллекторной термостабилизации представлена на рисунке 4.8:

Рисунок 4.8 – Схема пассивной коллекторной термостабилизации

Расчет начинают с того, что выбирается напряжение на резисторе Rk: 

                                                                            (4.35)

Номинал резистора RК находится по закону Ома:

                                                                                 (4.36)

Напряжение источника питания будет составлять сумму падений напряжений на транзисторе и резисторе Rk:

                                                                        (4.37)

Базовый ток в   раз меньше тока коллектора:

                                                                                        (4.38)

Расчет номинала резистора Rб производится по формуле:

                                                                               (4.39)

Принимая , согласно выражениям (4.35) – (4.39) производим численный расчет:

Рассеиваемая на резисторе Rk мощность при такой термостабилизации находится по формуле:

                                                                     (4.40)

4.4.3 Активная коллекторная термостабилизация

В активной коллекторной термостабилизации используется дополнительный транзистор, который управляет работой основного транзистора. Эта схема применяется в мощных каскадах, где требуется высокий КПД [5,6].

Схема каскада с использованием активной коллекторной термостабилизации представлена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 – Схема активной коллекторной термостабилизации

В качестве управляемого активного сопротивления выбран маломощный транзистор КТ361А (на рисунке 4.9 – VT1). Основные технические параметры данного транзистора приведены ниже [4].

Электрические параметры:

-статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ ;

-емкость коллекторного перехода при  В пФ.

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор-эмиттер В;

-постоянный ток коллектора мА;

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора при Тк=298К Вт.

При условии, что на резисторе R4 за счет протекания тока покоя транзистора VT2 выделяется напряжение UR4 более одного вольта, нестабильность этого тока в диапазоне изменения температуры от минус 60 до плюс 60 градусов не превышает 2%.

В данном случае примем напряжение UR4 равным 1.5 В.

Энергетический расчет схемы производится по следующим формулам:

Напряжение источника питания будет составлять сумму падений напряжений на транзисторе VT2 и резисторе R4  (рисунок 4.9):

                                                                     (4.41)

Рабочая точка транзистора VT1 находится согласно следующим выражениям:

                                                                 (4.42)

                                                                            (4.43)

Базовый ток транзистора VT1 и ток делителя R1, R3 рассчитываются соответственно по формулам:

                                                                              (4.44)

                                                                                 (4.45)

Мощности, рассеиваемые на транзисторе VT1 и на резисторе R4, находятся следующим образом:

                                                              (4.46)

                                                                   (4.47)

Расчет номиналов схемы, представленной на рисунке 4.9, производится согласно следующим выражениям:

                                                                     (4.48)

                                                                     (4.49)

                                                                            (4.50)

                                                                               (4.51)

Подставляя в выражения (4.41) - (4.51) числовые значения, получаем:

Данная схема требует значительное количество дополнительных элементов, в том числе и активных. Если СБЛ утратит свои свойства, то каскад самовозбудится и будет не усиливать, а генерировать. Основываясь на проведённом выше анализе схем термостабилизации выберем эмитерную.

4.5 Расчет некорректированного каскада

4.5.1 Анализ каскада в области верхних частот

Принципиальная схема некорректированного усилительного каскада приведена на рисунке 4.10, а эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 4.10,б.

Рисунок 4.10,а – Принципиальная схема некорректированного каскада

Рисунок 4.10,б – Эквивалентная схема по переменному току

В соответствии с [8] коэффициент усиления каскада в области верхних частот можно описать выражением:

                                                                            (4.52)

где К0 – коэффициент усиления в области средних частот (где еще не

Страницы: 1, 2, 3, 4