5.2Выбор транзистора и расчет каскада по постоянному току
С учетом требований по коэффициенту усиления, верхней граничной частоте и выходному напряжению был выбран транзистор 2SC4031. Его характеристики представлены в приложении А. Для расчетов используем значение коэффициента передачи транзистора по току = 50. Расчет ведем для одного плеча дифференциального каскада как для схемы с фиксированным напряжением на базе. Допустимое напряжение коллектор-эмиттер для данного транзистора составляет 800 В. Выберем напряжение питания Eк = 700 В чтобы обеспечить необходимый размах напряжения для прохождения импульсов обоих полярностей амплитудой 250 В. Выберем коллекторный ток в рабочей точке Iк = 3.25 мА (при Uк = 350 В). При этом напряжение Uбэ = 0.7 В. В таком случае максимальный ток коллектора равен Iкmax = 6.5 мА. Найдем значение базового тока:
мА (5.1)
Рассчитаем необходимое коллекторное
и эмиттерное сопротивления.
кОм.
кОм, (5.2)
На коллекторном сопротивлении выделяется мощность 0.9 Вт. Выбираем значение R3 = 91 кОм, мощность 1 Вт. Мощность, рассеиваемая на резисторе R5 равна 0.16 Вт. Из ряда сопротивлений вбираем значение 7.5 кОм (т.к. через него протекает эмиттерные токи двух плеч), мощность 0.5 Вт. Входное сопротивление транзистора получаем из формулы (2.14).
, (5.3)
где rб – сопротивление базы транзистора, rэ – определяется выражением (2.15).
Ом, (5.4)
где т – тепловой потенциал, (при 300 К т=0,026 В), Iэ ≈ Iк – ток эмиттера в рабочей точке.
Подставляя полученные значения, находим искомое значение:
Ом. (5.5)
Крутизну транзистора получаем из формулы (2.16).
См (5.6)
Задаемся значением тока делителя Iд = 1 мА (это значение на порядок больше тока базы) и рассчитаем сопротивления делителя. Для этого сначала найдем напряжение на эмиттере:
В (5.7)
кОм (5.8)
кОм (5.9)
кОм. (5.10)
На первом сопротивлении выделяется мощность 0.05 Вт. Выбираем значение сопротивления 50 кОм, мощность 0.125 Вт. На втором сопротивлении рассеивается 625 мВт. Выбираем значение 625 кОм, мощность 1 Вт. Термостабильность приобретает большое значение для оконечного каскада т.к. в нем протекают наибольшие токи и рассеивается наибольшая мощность. Рассчитаем полное изменение коллекторного тока транзистора при изменении температуры на ΔT = 40 К. Для этого суммируем изменения тока от трех дестабилизирующих факторов: изменение неуправляемого тока коллекторного перехода, смещения входных характеристик и изменения коэффициента β.
мА, (5.11)
В, (5.12)
, (5.13)
мА, (5.14)
мА . (5.15)
Полученное изменение коллекторного
тока укладывается в допустимое значение
мА.
Условие термостабильности выполнено.
5.3Расчет оконечного каскада по переменному току
Для выполнения требований к амплитуде входного и выходного напряжений необходимо обеспечить коэффициент усиления не менее 50. Возьмем с запасом K = 60. С целью получения необходимого коэффициента усиления и верхней граничной частоты введем отрицательную обратную связь по току с помощью сопротивления R4. Вычислим его:
кОм (5.16)
Выбираем резистор номиналом 1.5 кОм мощностью 0.125 Вт.
Рассчитаем верхнюю граничную частоту без учета обратной связи. Для этого необходимо вычислить постоянные времени транзистора, коллекторной цепи и цепи нагрузки.
нс, (5.17)
где fα = βfβ.
мкс, (5.18)
мкс, (5.19)
кГц (5.20)
ООС по току увеличивает полосу пропускания:
МГц (5.21)
Полученная частота превышает частоту эффективного усиления транзистора. Поэтому реальная верхняя граничная частота будет около 6 МГц. Эта частота с запасом удовлетворяет требованиям к полосе пропускания оконечного каскада (350 кГц).
Найдем входное сопротивление. По переменному току базовый делитель включен параллельно входному сопротивлению транзистора и сопротивлению обратной связи:
кОм (5.22)
Необходимо выполнить требования по нижней граничной частоте для оконечного каскада. Для этого по требуемой нижней частоте рассчитаем емкости связи, которые отделяют вход каскада от фазоинвертора и выход от нагрузки.
мкФ (5.23)
нФ, (5.24)
где RН – сопротивление нагрузки.
Результаты моделирования каскада подтверждают расчетные данные. Коэффициент усиления и полоса частот близки к расчетным. Временные диаграммы работы схемы и ее характеристики показаны на ри
Рисунок 12 – Временные диаграммы работы оконечного каскада
Рисунок 12 – Амплитудно-частотная характеристика оконечного каскада по результатам моделирования
Рисунок 13 – Фазо-частотная характеристика оконечного каскада по результатам моделирования