2.2 Расчет усилителя радиочастоты на транзисторе

Задачей расчета усилителя радиочастоты является:

- выбор типов усилительных приборов и схем их включения;

- расчет параметров схемы.

Для уменьшения нелинейных искажений модуляции полезного сигнала, эффектов перекрестной и взаимной модуляции необходимо правильно выбрать тип усилительного прибора и режим его работы.

В современных профессиональных РПУ в качестве первых каскадов УРЧ наиболее широкое применение находят составные транзисторы, каскодные схемы. В данных схемах первый транзистор полевой, а второй – биполярный, где I_С(ток стока) полевого транзистора должен быть равенI_Э(току эмиттера) биполярного транзистора [9], [14]:

I_CVT1= I_ЭVT2.

Входное сопротивление определяется свойствами первого каскада У₁₁=h_11ЭVT1и не зависит от сопротивления нагрузки.

Каскодный усилитель характеризуется малым влиянием емкостей коллекторного перехода и слабой связью между выходом и входом.

Внутренняя обратная связь оказывается на 2 – 3 порядка меньше (10^-2, 10^-3), ввиду включения второго транзистора по схеме с ОБ.

Каскодные схемы обладают хорошими шумовыми свойствами и малыми нелинейными искажениями. Данная каскодная схема удачно сочетает высокое входное сопротивление полевого транзистора с большим устойчивым коэффициентом усиления.

При выборе конкретного типа усилительного прибора для каскадов УРЧ в первую очередь руководствуются требованиями к чувствительности и многосигнальной избирательности. Усилительные приборы одной серии сравниваются по шумовым и усилительным параметрам. Шумовые и усилительные параметры важны с точки зрения обеспечения заданной чувствительности, нелинейные параметры – обеспечения многосигнальной избирательности.

К шумовым параметрам относится коэффициент шума N_Ш– дБ (приводится в справочной литературе). К усилительным параметрам относятся: отношение крутизны усилительного прибора к проходной емкостиS/C₁₂и отношение крутизны к сумме входной и выходной емкостейS/C_11Э+C₂₂. Первый параметр дает возможность оценить устойчивость усиления, второй – широкополосность. Необходимо выбрать усилительный прибор с большими значениями параметров:

и.

Предпочтение отдается усилительным приборам, обладающим возможно большими входным R_вх(h_11Э), выходнымR_вых(h_22Э) сопротивлениями, меньшими значениями входной С_вх(С_11Э) и выходной С_вых(С_22Э) емкостями, возможно большей крутизной характеристики (S– для полевых транзисторов) и большим отношением коэффициента усиления по токуh_21Эк входному сопротивлениюh_11Э, т.е..

При выборе числа каскадов УРЧ необходимо учитывать, что в приемниках ДВ, СВ и КВ с переменной настройкой нежелательно применять более одного-двух каскадов УРЧ, так как это потребует большего числа контуров с переменной настройкой.

Итак, наиболее широкое применение получили в качестве первого каскада усиления каскодные схемы с трансформаторной связью с нагрузкой, так как эти схемы обладают наибольшей равномерностью коэффициента усиления в поддиапазоне (рис. 2.3).

Рис. 2.3

2.2.1 Порядок расчета урч с трансформаторной связью с нагрузкой

Определяем собственную частоту коллекторной цепи:

В режиме удлинения

; (2.12)

В режиме укорочения

; (2.13)

Где ν – коэффициент удлинения (укорочения): обычно ν выбирают:

ν = 1,5 – 4,0 – для режима укорочения;

ν = 1,2 – 2,0 – для режима удлинения.

Следует учитывать, что чем больше значение ν, тем меньше изменится коэффициент усиления в пределах поддиапазона, но при этом уменьшается усиление каскада.

При выборе транзисторов каскадной схемы в качестве исходного требования является: диапазона.

Исходя из этого требования, граничные частоты обоих транзисторов должны превышать рабочую частоту диапазона как минимум в два раза. Для выравнивания в пределах поддиапазона коэффициента усиления всего каскада преселектора РПУ целесообразно выбирать режим в УРЧ обратный режим удлинения (или укорочения), который применен во входном устройстве.

Определяем индуктивность катушки связи:

. (2.14)

Исходные значения для расчета:

f_СК– в килогерцах; С_С– в пикофарадах;L_СВ– в микрогенри;

С_С– суммарная емкость, подключенная к катушке связи.

В режиме укорочения С_С=C_22VT2+C_L+C_M; (2.15)

в режиме удлинения С_С=C_22VT2+C_L+C_M+C_ДОП, (2.16)

где C_22VT2– выходная емкость биполярного транзистора;

C_L– паразитная емкость витков катушки связи (табл. 2.1);

C_M– емкость монтажа. Ее ориентировочное значение (10 – 20 пФ);

C_ДОП– дополнительная емкость, специально включаемая для выбора требуемой величиныf_0Кв режиме удлинения.

Значение C_ДОПвыбирают (подгоняют) так, чтобыL_СВбыла одного порядка с индуктивностью контураL_К.

Определяем параметры резонансного контура.

Применим в преселекторе РПУ идентичные контуры. Тогда параметры контура УРЧ можно рассчитывать, воспользовавшись формулами расчета входного устройства.

Определяем параметр связи P₀.

Параметр связи P₀характеризует связь между катушкамиL_СВиL_К. Он выбирается из многих условий. Остановимся на двух:

Обеспечение устойчивости работы каскада;

Увеличение затухания контура не более чем на 25%, т.е. допустимо ухудшение избирательности и уменьшение усиления.

Согласно первому условию:

, (2.17)

где G₀– собственная резонансная проводимость контура;

ω_{0 max}– максимальная частота поддиапазона;

С_ПР– проходная емкость составного транзистора;

S' – общая крутизна составного транзистора;

f_0К– собственная частота коллекторной цепи;

f_0ПД– максимальная частота поддиапазона.

В формуле (2.17) величины G₀, С_ПР,S' имеют следующие значения:

; (2.18)

, (2.19)

где С_12И– проходная емкость полевого транзистора;

0,01С_К– проходная емкость транзистора по схеме ОБ;

С_К– выходная емкостьVT2 по схеме с ОЭ;

S' =S_VT1·Y_21БVT2≈Y_21БVT2, (2.20)

где S_VT1– крутизна характеристики полевого транзистора;

Y_21БVT2– крутизна биполярного транзистора по схеме с ОБ.

параметрыh_21Эиh_11Э(выбираются по справочнику).

В случае, если параметр h_11Эне дан в справочной литературе, он рассчитывается по входным характеристикам транзистора:

. (2.21)

Согласно второму условию:

, (2.22)

где ,R_i– внутреннее сопротивление усилительного прибора (для современных полевых транзисторовR_i= 10⁴– 10⁶Ом).

Из двух полученных значений P₀для расчета выбирается наименьшее.

Определяем коэффициент взаимоиндукции:

. (2.23)

Определяем коэффициент связи:

. (2.24)

Коэффициент связи не должен превышать величину 0,7 ввиду трудности практической реализации.

Определяем резонансный коэффициент усиления каскодной схемы для трех частот поддиапазона │f_0minПД,f_{0СР ПД},f_0maxПД│:

для режима укорочения

; (2.25)

для режима удлинения

, (2.26)

где G_Э– результирующая проводимость контура; определяем по формуле:

. (2.27)

В формуле (2.26) Q_Эимеет следующее значение:

.

В свою очередь:

;

;

;

;

Ом.

По полученным значениям К₀строится график зависимости К₀= φ(f).

Определяем полосу пропускания контура:

. (2.28)

Расчет полосы пропускания контура ведется для трех частот поддиапазона.

Рассичитываем ослабление побочных каналов приема:

ослабление по зеркальному каналу:

; (2.29)

ослабление по каналу промежуточной частоты:

, (2.30)

где f₀– максимальная частота рабочего диапазона;

m– число одиночных контуров в каскадах УРЧ.

Определение элементов схемы

Главной задачей данного расчета является выбор рабочих точек усилительных приборов составного транзистора. Это достигается расчетом элементов схемы как для полевого транзистора, так и отдельно: биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ. При этом должны выполняться условия: ток стока (I_CVT1) полевого транзистора должен быть равен току эмиттера (I_ЭVT2) биполярного транзистора [9]:

I_CVT1=I_ЭVT2.

Расчет элементов схемы полевого транзистора.

R_З– резистор затвора:

R_З= (10 ÷ 20)R₀. (2.31)

R₀– резонансное сопротивление контура входного устройства:

R₀=ρ·Q₀. (2.32)

ρ – характеристическое сопротивление контура:

.

Q₀= 40 – 80 в диапазоне частот 1,5 – 6 МГц;

Q₀= 50 – 120 в диапазоне частот 6 – 30 МГц.

Практически R_Збывает в пределах 200 – 1000 кОм.

С_Р– разделительная емкость:

С_Р≥ (20 ÷ 50)·С_11Э. (2.33)

R_И– сопротивление резистора в цепи истока, которое определяет рабочую точку транзистора:

, (2.34)

где I_{С НАЧ}– ток стока начальный;

U_ЗИ– напряжение между затвором и истоком транзистора;

I_{С НАЧ},U_ЗИ– выбираются из справочной литературы.

С_И– емкость, шунтирующаяR_И:

, (2.35)

где f_min– минимальная частота поддиапазона;

R_И– резистор в цепи истока.

Расчет элементов схемы биполярного транзистора.

Предварительно выбираем U_CVT1=U_KVT2= 0,5E_K,

где U_{Б0 VT2}– напряжение смещения на базе;

U_{C VT1}– напряжение стока;

I_Д– ток в цепи делителя напряжения;

I_Д= (2 ÷ 7)·I_{Б0 VT2}.

, (2.36)

где E_K– напряжение источника питания;

ΔЕ_Ф= (0,1 – 0,2)·Е_К– падение напряжения на резисторе фильтра (R_Ф).