27

1 Введение

Основная цель работы - получение необходимых навыков практического

расчета радиотехнического устройства (усилителя мощности), обобществление

полученных теоретических навыков и формализация методов расчета отдельных компонентов электрических схем.

Усилители электрических сигналов применяются в широкой области современной техники: в радиоприемных и радиопередающих устройствах, телевидении, аппаратуре звукоусиления и звукозаписи, системах звукового вещания, радиолокации, ЭВМ. Как правило, усилители осуществляют усиление электрических колебаний с сохранением их формы. Усиление происходит за счет электрической энергии источника питания. Таким образом усилительные элементы обладают управляющими свойствами.

Усилитель, рассматриваемый в данной работе, используется в радиотехнических системах различного назначения, в том числе и в системах нелинейной радиолокации, обеспечивая заданный уровень облучения нелинейного элемента.

Это необходимо для получения требуемого минимального уровня изучаемых нелинейным элементом составляющих обогащенного спектра сигнала.

2 Анализ исходных данных

1) Средне статистический транзистор даёт усиление в 20 дБ, по заданию у нас 30 дБ, отсюда получим, что наш усилитель будет иметь как минимум 2 каскада.

2) Допустим, что рассчитываемый усилитель будет вносить искажения 2,5 дБ, тогда каждый из каскадов (входная цепь, первый каскад и второй каскад) будет вносить искажения по уровню (дБ).

3 Выбор типа каскада

3.1 Расчёт резистивного каскада

Из технического задания: Rн=50 (Ом), , сопротивление коллекторной цепи возьмем равной Rк =50 (Ом).

Принципиальная схема каскада приведена на рис. 3.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рис. 3.1,б.

а) б)

Рисунок. 3.1 Принципиальная схема резистивного каскада

1) (B), где

- напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмиттер;

- напряжение на выходе усилителя;

- остаточное напряжение на транзисторе;

2) Найдем сопротивление нагрузки по сигналу

3) (мA),

- постоянная составляющая тока коллектора;

- сопротивление нагрузки по сигналу;

4) Выходная мощность усилителя равна (Вт)

5) Напряжение источника питания равно

(В)

6) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора равна

(Вт)

7) Мощность, потребляемая от источника питания:

(Вт)

8) КПД:

3.2 Расчёт дроссельного каскада

Из технического задания: Rн=50 (Ом), ,

Принципиальная схема дроссельного каскада изображена на рисунке 3.2

Рисунок 3.2-Схема дроссельного каскада по переменному току.

1) (B), где

2) (мA),

3) (мВт)

4) Напряжение источника питания равно:

(В)

5) Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

(Вт)

6) Мощность, потребляемая от источника питания:

(мВт)

7) КПД:

Таблица 3.1- Характеристики вариантов схем коллекторной цепи.

	Еп,В	,В	,мВт	,мА	,мВт	,мВт	,%
Резистивный каскад	31	11	12,4	400	1	4,4	8
Дроссельный каскад	11	11	2,2	200	1	2,2	45

Из рассмотренных вариантов схем питания усилителя видно, что наиболее экономичным будет использование дроссельного каскада.

4 Выбор транзистора

Найдем необходимые предельные характеристики транзистора:

1) Вт

2) (мА)

3) (В)

4) (МГц), где из технического задания.

По необходимым предельным характеристикам был найден транзистор 2Т928А. Нижеперечисленные характеристики транзистора взяты из [3]:

1) измеренное при (А) (4.1)

2) (МГц) (4.2)

3) Ск=10(пФ) измеренное при (4.3)

4) (4.4)

5) В измеренное при (мА) (4.5)

6) Обратный ток коллектора =0,05(мкА) (4.6)

7) (4.7)

8) (4.8)

9) Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе (4.9)

10) тип N-P-N (4.10)

Выберем следующие параметры рабочей точки:

1) (4.11)

2) =250 (мА) (4.12)

3) =80 (4.13)

5 Расчёт эквивалентных схем замещения

Эквивалентная схема биполярного транзистора представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1- Эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто)

Расчет основан на [2].

1) Найдем ёмкость коллекторного перехода

(5.1)

2) Из (4.4) Rб = 10 (Ом);

gб= =0,1 (Cм), где (5.1)

-сопротивление базы,

3) rэ= = =0,164 (Ом), где (5.2)

Iк0 в мА,

rэ-сопротивление эмиттера.

4) gбэ= = (См), где (5.3)

gбэ-проводимость база-эмиттер,

-справочное значение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

5) Cэ= = =40 (пФ), где (5.4)

Cэ - ёмкость эмиттера,

fт - справочное значение граничной частоты транзистора при которой =1

6) Ri= =75 (Ом), где (5.5)

Ri - выходное сопротивление транзистора,

Uкэ0(доп), Iк0(доп) - соответственно паспортные значения допустимого напряжения на коллекторе и постоянной составляющей тока коллектора.

6 Расчёт и выбор схемы термостабилизации

6.1 Эмиттерная термостабилизация

Эмиттерная термостабилизация широко используется в маломощных каскадах, так как потери мощности в ней при этом не значительны и её простота исполнения вполне их компенсирует, а также она хорошо стабилизирует ток коллектора в широком диапазоне температур при напряжении на эмиттере более 3В [4].

Рисунок 6.1-Схема каскада с эмиттерной термостабилизацией.

Рассчитаем параметры элементов данной схемы.

1) Сопротивление в цепи эмиттера будет равно: Rэ= = =16 (Ом); (6.1)

2) Базовый ток транзистора: Iб= (мА) (6.2)

3) Iд=5Iб= (А), где (6.3)

Iд- ток протекающий через сопротивления Rб1 и Rб2

4) Необходимое напряжение питания:

(В) (6.4)

5) Rб1= (Ом), (6.5)

6) Rб2= (Ом) (6.6)

Наряду с эмиттерной термостабилизацией используются пассивная и активная коллекторная термостабилизации.

6.2 Пассивная коллекторная термостабилизация

Рисунок 6.2 - Схема пассивной коллекторной термостабилизации

С использованием [4].

1) URк=10 (В), где URк - падение напряжения на Rк. (6.7)

2) (Ом) (6.8)

3) (В); (6.9)

4) (мА) (6.10)

5) Rб= (КОм). (6.11)

Ток базы определяется Rб. При увеличении тока коллектора напряжение в точке А падает и следовательно уменьшается ток базы, а это не даёт увеличиваться дальше току коллектора. Но чтобы стал изменяться ток базы, напряжение в точке А должно измениться на 10-20%, то есть Rк должно быть очень велико, что оправдывается только в маломощных каскадах.

6.3 Активная коллекторная термостабилизация

Можно сделать чтобы Rб зависило от напряжения в точке А см. рис.(6.3). Получим что при незначительном уменьшении (увеличении) тока коллектора значительно увеличится (уменьшится) ток базы. И вместо большого Rк можно поставить меньшее на котором бы падало порядка 1В [4] см. рис.(6.3).

Статический коэффициент передачи по току второго транзистора выберем =50;

1) Rк= = =4 (Ом); (6.12)

2) (В) (6.13)

Напряжение на базе второго транзистора будет равно:

3) (В) (6.14)

3) (мА) (6.15)

4) (мВт) (6.16)

5) (мкА) (6.17)

6) (КОм) (6.18)

7) (мкА) (6.19)

8) (КОм) (6.20)

9 ) ( Ом) (6.21)

Рисунок 6.3 - Активная коллекторная термостабилизация

Из рассмотренных схем термостабилизаций видно, что наиболее эффективной будет схема с активной коллекторной термостабилизацией.

Выберем управляющий транзистор для данной термостабилизации. Его предельные характеристики должны быть не менее следующих:

1. 

2. (мА)

3) (мВт)

По требуемым предельным характеристикам был выбран транзистор ГТ322А. Его парамметры следующие:

1) (6.22)

2) (МГц) (6.23)

3) (6.24)

4) (6.25)

5) Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе (6.26)

10) тип P-N-P (6.27)

7 Расчёт однонаправленной модели транзистора

1) , где (7.1)

- статический коэффициент передачи по току транзистора. Значение взято из (4.13)

2) (7.2)

3) Постоянная времени транзистора: (нс) (7.3)

4) (7.4)

(7.5)

5) Коэффициент усиления транзистора по напряжению:

(раз) = 36(дБ) (7.6)

6)

(7.7)

7) (7.8)

– входная емкость каскада.

8) (7.9)

– входное сопротивление каскада.

7) При заданном уровне частотных искажений =0,83 (дБ), верхняя

граничная частота полосы пропускания каскада равна: = =1,3(МГц) (7.10)

где Y=0,91 уровень искажений данного каскада.

8 Расчет оконечного каскада с высокочастотной эмиттерной коррекцией

Принципиальная схема каскада с эмиттерной коррекцией приведена на рис. 8.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 8.1,б, где - элементы коррекции. При отсутствии реактивности нагрузки эмиттерная коррекция вводится для коррекции искажений АЧХ вносимых транзистором, увеличивая амплитуду сигнала на переходе база-эмиттер с ростом частоты усиливаемого сигнала.

а) б)

Рисунок 8.1

Коэффициент передачи каскада в области верхних частот, при выборе элементов коррекции и соответствующими оптимальной по Брауде форме АЧХ, описывается выражением:

1) Возьмем , тогда

(8.1)

2) Т.к. , то (8.2)

3) (8.3)

4)

(8.4)

5) (8.6)

6)

(8.7)

где

Входное сопротивление каскада с эмиттерной коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью:

7) = ; (8.8)

8) . (8.9)

9) (8.10)

9 Расчет рабочей точки для промежуточного каскада

На выходе оконечного каскада необходимо получить напряжение равное , по полученным расчетам оконечный каскад имеет

Входное сопротивление и входную ёмкость оконечного каскада возьмем из (7.8) и (7.9), т.е. , , следовательно на входе оконечного каскада и выходе предоконечного необходимы импульсы амплитудой равной .

Рассчитаем рабочую точку предоконечного каскада с учетом полученных данных( = ),

1) (B), где

- напряжение рабочей точки или постоянное напряжение на переходе коллектор эмиттер;

- напряжение на выходе усилителя;

- остаточное напряжение на транзисторе;

1. Найдем эквивалентное сопротивление оконечного контура на граничной частоте

2. 

3. (мA),

- постоянная составляющая тока коллектора;

- сопротивление нагрузки по сигналу;

4) Выходная мощность усилителя равна (мВт)