3.Розрахунок підсилювача потужності
Вимоги до підсилювача потужності:
рабоча частота – 433,9 МГц;
вихідна потужність – не менше 10 мВт.
В якості активного елемента у підсилювачі потужності використовуватиметься біполярний транзистор КТ610А т. ч. він забезпечує необхідну вихідну потужність і може працювати на необхідній частоті. Параметри транзистора наведені у ДОДАТКУ 4.
3.1 Схема підсилювача потужності.
Схема підсилювача потужності наведена на рисунку 3.
Рис.3
Призначення елементів схеми підсилювача потужності:
R1 і R2 - використовуються як дільник напруги для забезпечення фіксованого зміщення; забезпечують авто зміщення; коригують частотну характеристику;
С1 і С5 - розділові ємності;
L2 - блокувальна індуктивність;
С3 - блокувальна ємність;
L1 і С2 - вхідне узгоджене коло;
L3 і С3 - вихідне узгоджене коло.
Розрахунок режиму роботи та енергетичний розрахунок
Вибираємо амплітуду імпульсів колекторного струму ik max з умови:
ik max ≤ (0.8 … 0.9) ∙ ik доп,
де ik доп – допустима амплітуда імпульсів колекторного струму (довід.);
ik max = 0.85 ∙ 10 = 8,5 А.
Вибираємо напругу джерела живлення з умови:
Еп ≤ Uк доп /2,
де Uк доп – допустима амплитуда напруги на колекторі (довід.);
Еп ≤ 10 / 2 = 7,5, вибираємо Еп = 5 В.
Розраховуємо напруженість граничного режиму роботи активного елемента ξгр:
ξгр = 1- (iк max / Sгр∙ Еп )= 1- 8,5 / 5 ∙ 5 = 0.66,
де Sгр – крутизна граничного режиму (довід.).
Знайдемо амплітуду імпульсів першої гармоніки колекторної напруги:
Uk1 = ξгр ∙ Еп = 0.66 ∙ 5 = 3.3 В.
Визначимо амплітуду імпульсів першої гармоніки колекторного струму:
Ik1 = α1(θ)∙ ik max = 0.5 ∙ 8,5 = 4,25 А,
де α1(θ) – коефіцієнт Берга, θ = 90˚.
Розрахуємо постійний струм, споживаний колекторний колом транзистора :
Ik0 = α0(θ)∙ ik max = 0.318 ∙ 8,5 = 2.7 А,
де α0(θ) – коефіцієнт Берга, θ = 90˚. Зображений на Рисунку 4.
Рис.4 Коефіцієнти Берга
Знайдемо потужність першої гармоніки:
P1 = Ik1 ∙ Uk1 / 2 = 4,25 ∙ 3.3 / 2 = 7.1 Вт.
Визначимо потужність, споживану від джерела живлення:
P0 = Ik0 ∙ Eп = 2.7 ∙ 5 = 13.5 Вт.
Розрахуємо потужність, розсіювану на активному елементі:
Pроз = Р0 – Р1 = 13.5 – 7.1 = 6,4 Вт.
Знайдемо КПД підсилювача:
η = Р1 / Р0 = 7.1 / 13.5 = 0.53, т.ч. 53%.
Визначимо амплітуду керуючого заряду:
Qy1 = ik max / [ωгр ∙ ( 1- cos θ )]= 8,5 / [2 ∙ 3,14 ∙ 1000 ∙ 106 ∙ ( 1- cos 90˚ )] = 1.4 ∙ 10-9 Кл,
де ωгр – гранична частота работи транзистора, θ – кут відсічки колекторного струму.
Знайдемо постійну складову напруги емітерного переходу:
Uеп = uвід – γ0 (π –θ) ∙ Qy1 /Cэ = 1 – 0.5 ∙ 1.4 ∙ 10-9 / 2100 ∙ 10-12 = -0.97 В,
де uвід – напруга відсічки, γ0 - коефіцієнт Берга, Cе – ємність емітерного переходу (довід.).
Визначимо мінімальну миттєву напругу на емітерному переході:
uэ min = uотс – (1 – cos (π –θ) ) ∙ Qy1 / Cэ = 1 – 1.4 ∙ 10-9 / 2100 ∙ 10-12 = - 0.93 В.
Розрахуємо вихідну напругу транзистора:
Rk = Uk1 / Ik1 = 3.3 / 4,25 = 0.78 Ом.
Визначимо коефіцієнт, який вказує в скільки раз збільшується вхідна ємність транзистора за рахунок паразитної ємності колекторного переходу:
æ = 1 + γ1 (θ) ∙ ωгр∙ Ск ∙Rk = 1 + 0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 106 ∙ 4.1 ∙ 10-12 ∙ 0.78 = 1.1,
де Ск – ємність колекторного переходу, γ1 (θ) - коефіцієнт Берга, зображений на рисунку 5. (900=0,5).
Рис. 5 Коефіцієнти Берга
Знайдемо напругу першої гармоніки струму бази з урахуванням струму через ємність Ск:
Iб = ω ∙ Qy1 ∙ æ = 2 ∙ π ∙ 10 ∙ 106 ∙ 1.4 ∙ 10-9 ∙ 1.1 = 0.96 A.
Розрахуємо опір коригуючого резистора, підключеного паралельно до входу транзистора, слугуючого для симетрування імпульсів колекторного струму:
RЗ = 1 / ωβ ∙ Cэ = 1 / 2 ∙ π ∙ 5 ∙ 106 ∙ 2100 ∙ 10-12 = 15.2 Ом,
де ωβ – частота, на якій модуль коефіцієнта підсилення струму в динамічному режимі зменшується в √2 раз порівняно з статичним режимом. ωβ знаходиться по формулі ωβ = ωгр / B , де В – середній коефіцієнт підсилення по струму (15…30).
ωβ = ωгр / B = 100/20 = 5
Визначити потужність , розсіювану на колекторному опорі:
=
0.73
Вт.
Знайдемо вхідний опір транзистора:
Rвх = γ1 (θ) ∙ ωгр∙ Lэ / æ = 0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 106 ∙ 0.6 ∙ 10-9 / 1.1 = 0.171 Ом,
де Lе – індуктивність емітерного виводу транзистора (довід.).
Визначимо потужність, обумовлену прямим проходженням потужності в навантаження через Lе і зв’язну з Rвх.
P’’вх =I2б1 ∙ Rвх / 2 = 2.432 ∙ 0.171 / 2 = 0.5 Вт.
Розрахуємо вхідну потужність, потрібну для забезпечення даної вихідної потужності:
Pвх = P’вх + P’’вх = 0.73 + 0.5 = 1.2 Вт.
Знайдемо коефіціент передачі по потужності підсилювача:
Kp = (P1 + P’’вх) / Pвх = ( 7.1 + 0.5 ) / 1.2 = 6.3
Визначимо вхідну індуктивність підсилювача:
Lвх = Lб + Lэ / æ = 2.38 ∙ 10-9 + 2 ∙ 10-9 / 1.1 = 3.98 нГн,
де Lб – індуктивність базового вивода транзистора (довід.).
Розрахуємо вхідну ємність підсилювача:
Свх = æ ∙ Се/ γ1 (π - θ) = 1.1 ∙ 2100 ∙ 10-9 / 0.5 = 4.6 нФ.
Знайдемо усереднений за період коливань опір корекції Rпар:
Rпар = RЗ ∙ γ1 (π - θ) = 16.2 ∙ 0.5 = 7.6 Ом.