Расчет элементов однонаправленной модели биполярного транзистора

3.3.2 Расчет элементов однонаправленной модели биполярного транзистора

Расчет усилительных каскадов также основан на использовании однонаправленной модели транзистора [4], справедливой в области частот более , где = ( - граничная частота коэффициента передачи тока,  - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером) и приведенной на рисунке 3.3.2.1.

 

Рис. 3.3.2.1 Однонаправленная модель биполярного транзистора

Элементы схемы замещения могут быть рассчитаны по следующим эмпирическим формулам [4]:

где  - индуктивность вывода базы;  - индуктивность вывода эмиттера;  - предельное значение напряжения ;  - предельное значение постоянного тока коллектора.

При расчетах по эквивалентной схеме, приведенной на рисунке 3.3.2.1, вместо  используют параметр  - коэффициент усиления транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования [5], равный

= (3.3.2.1)

где  - частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования равен единице;  - текущая частота.

 

3.4 Расчет цепей термостабилизации

 

Существует несколько вариантов схем термостабилизации. Их использование зависит от мощности каскада и от того, насколько жёсткие требования к термостабильности. В данной работе рассмотрены три схемы термостабилизации: пассивная коллекторная, активная коллекторная и эмиттерная.

3.4.1. Эммитерная термостабилизация

Транзисторный каскад с эммитерной термостабилизацией приведен на рисунке 3.4.1.1

Рис. 3.4.1.1 Усилительный каскад с эммитерной стабилизацией

Расчет элементов схемы эммитерной термостабилизации производится по формулам в [6].

Напряжение на эммитерном сопротивлении обычно выбирают:

Тогда сопротивление R_э будет равно:

Напряжение источника питания:

 

Расчет базового делителя:

 

 Ток делителя:

 Мощность, рассеиваемая на R_Э:

Пассивная коллекторная стабилизация.

Данный вид термостабилизации (схема представлена на рисунке 3.4) используется на малых мощностях и менее эффективен, чем две другие, потому что напряжение отрицательной обратной связи, регулирующее ток через транзистор подаётся на базу через базовый делитель.

Транзисторный каскад с пассивной коллекторной термостабилизацией приведен на рисунке 3.4.2.1

Рис. 3.4.2.1 Каскад с пассивной коллекторной стабилизацией

Подробный расчет элементов схемы приведен в [6].

Для того, чтобы пассивная коллекторная термостабилизация была эффективной необходимо, чтобы напряжение U_Rк лежало в пределах:

Тогда сопротивление R_К и источник питания будут равны:

Рассчитаем R_Б:

Тогда рассеиваемая мощность каскада:

что почти в 2 раза больше рассеиваемой мощности каскада с эммитерной термостабилизацией.

Активная коллекторная стабилизация

Активная коллекторная термостабилизация используется в мощных каскадах и является очень эффективной, её схема представлена на рисунке 3.4.3. Её описание и расчёт можно найти в [7].

Рис. 3.4.3 Каскад с активной коллекторной стабилизацией

Для того, чтобы активная коллекторная стабилизация была эффективной необходимо, чтобы на резисторе R₄ выделялось напряжение:

Тогда сопротивление должно быть равно:

Рассчитаем рабочую точку второго транзистора, обеспечивающего стабилизированный режим работы каскада:

Тогда источник питания:

Рассчитаем элементы схемы активной коллекторной стабилизации по формулам в [7]:

 

Рассеиваемая мощность каскада:

Таким образом наиболее экономичным по энергетическим параметрам является каскад с активной коллекторной стабилизацией, но т.к. разрабатываемый усилитель антенной решетки маломощный, то в каскадах усилителя целесообразней применить эммитерную термостабилизацию, обладающую достаточно хорошими параметрами стабилизации рабочей точки транзистора.

Расчет элементов высокочастотной коррекции

Для того, чтобы усилитель антенной решетки был согласован по входу и выходу, имел линейную амплитудно-частотную характеристику, а параметры усилителя не изменялись во времени и при изменении температуры окружающей среды, необходимо испоьзовать схему высокочастотной коррекции. Лучше всего для данного усилителя подходит схема с комбинированной обратной связью [7].

Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 3.5.1

Рисунок 3.5.1 - Схема каскада с комбинированной ООС

Расчет схемы каскада с комбинированной отрицательной обратной связью подробно описан в [7].

Достоинством схемы является то, что при условиях:

  и  (3.5.1)

схема оказывается согласованной по входу и выходу с КСВН не более 1,3 в диапазоне частот, где выполняется условие Y_В0,7. Поэтому практически отсутствует взаимное влияние каскадов друг на друга при их каскадировании.

При выполнении условия (3.5.1), коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением:

 (3.5.2)

где:

 ;

 .

Из (3.5.1), (3.5.2) не трудно получить, что при заданном значении , выбранным с запасом в 20%, для того, чтобы в случае ухудшения, в силу каких-либо причин, параметров отдельных элементов коэффициент передачи усилителя не опускался ниже заданного уровня, определённого техническим заданием:

 на один каскад.

Тогда общий коэффициент передачи усилителя будет равен:

Тогда коэффициенты:

При заданном значении Y_в на один каскад, частота f_в каскада равна:

(3.5.3)

Нагружающие ООС уменьшают максимальную амплитуду выходного сигнала  каскада в котором они используются на величину

. (3.5.4)

При выборе  и  из (3.5.1), ощущаемое сопротивление нагрузки транзистора каскада с комбинированной ООС равно  и его напряжение и ток в рабочей точке, также как и для каскада без ООС, могут быть рассчитаны по формулам [7]:

,,

где  - максимальная допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе.

В этом случае  каскада равно:

С учетом наличия сопротивления насыщения следует  рассчитывать по формуле

 (3.5.5)

Из формулы (3.5.5) следует, что напряжение, которое может отдать транзистор с учетом потерь на резисторах обратной связи и с четом наличия сопротивления насыщения, несколько больше напряжения, которое он должен выдать на выходе по заданию. Это говорит о том, что полученный в результате расчета усилитель антенной решетки обладает лучшими характеристиками, чем по заданию.