Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника телекоммуникационных устройств проектирование широкополосных усилителей на биполярных транзисторах. Учебное пособие
.pdf
61
а
б
Рис. 9.3. Схема усилительного каскада с реактивной межкаскадной
корректирующей цепью третьего порядка
Рис. 9.4. Эквивалентная схема замещения
При заданных значениях
1
a
,
2
a
,
3
a
, соответствующих тре-
буемой форме АЧХ каскада, нормированные значения
1
C
,
2
C
,
1
L
рассчитываются по формулам [7]:
62
/
11
/ / 2
2 2 1
/2
11
/;
( 1) / ;
/,
нн
н н н
вхн
нн
C СК
С С С К К
LLКL
(9.7)
где
//
11
/( )
выхн
нн
К С С C
;
/ / /
1 3 1 2н н н
С a L C
;
//
2 3 1 1
/
нн
С a D a L
;
/ 2 2 2
1 1 1
( 4 )/ 2
н
L В a A B a
;
22
1 3 1 1
( ) /
вхн выхн
A Da a R a C a
;
3 1 2
()B D a D a a
;
22
11
1 2 ( ) /
вхн выхн
D R a C a
;
выхн вых в вых
C СR
;
/
вхн вх в вых
L L R
;
вхн
R
=
/
вх вых
RR
.
В теории фильтров известны табулированные значения
коэффициентов
1
a
,
2
a
,
3
a
, соответствующие заданной неравно-
мерности АЧХ цепи, описываемой функцией вида (9.4) [9], которые приведены в табл. 9.2.
Для выравнивания АЧХ в области частот ниже
f
исполь-
зуется резистор
1
R
, рассчитываемый по формуле [6]:
1 0 210
2
н
R R S
. (9.8)
При работе каскада в качестве входного в формуле (9.7)
значение
вых
C
принимается равным нулю.
После расчета
1н
C
,
2н
C
,
1н
L
истинные значения элементов
находятся из соотношений:
11
22
11
;
;
.
вых в
н
вых в
н
вых в
н
С С R
С С R
L L R
(9.9)
63
Таблица 9.2
Коэффициенты передаточной функции фильтра Чебышева
Неравномерность АЧХ, дБ
1
a
2
a
3
a
0,1
1,605
1,184
0,611
0,2
1,805
1,415
0,868
0,3
1,940
1,56
1,069
0,4
2,05
1,67
1,24
0,5
2,14
1,75
1,40
0,6
2,23
1,82
1,54
0,7
2,31
1,88
1,67
0,8
2,38
1,93
1,80
0,9
2,45
1,97
1,92
1,0
2,52
2,012
2,035
1,2
2,65
2,08
2,26
1,4
2,77
2,13
2,46
1,6
2,89
2,18
2,67
1,8
3,01
2,22
2,87
2,0
3,13
2,26
3,06
Пример. Рассчитать S
210
каскада и значения элементов С1, С2,
L1, R1 межкаскадной КЦ (см. рис. 9.3) при использовании транзисторов КТ610А (Lвх = 3 нГн, R
вх
= 5 Ом, С
вых
= 4 пФ, R
вых
= 86 Ом,
ном
f
= 1 ГГц) и условий:
н
R
= 50 Ом,
в
Y
= 0,9,
в
f
= 260 МГц.
Решение. По табл. 9.2 для
в
Y
= 0,9, что соответствует нерав-
номерности АЧХ 1 дБ, определим: а1 = 2,52; а2 = 2,012; а3 = 2,035.
Находя нормированные значения С
выхн
= 0,56, L
вхн
= 0,055,
R
вхн
= 0,058 и подставляя в (9.7), получим:
1н
C
= 1,8;
2н
C
= 0,757;
1н
L
= 0,676. Рассчитывая по формуле (9.6)
12
(1)
ном
G
и подставляя
в (9.5), найдем
210
S
= 3,2, а из (9.8) определим
1
R
= 3,75 кОм. После
денормирования элементов по (9.9) получим: С1 = 12,8 пФ;
С2 = 5,4 пФ;
1
L
= 35,6 нГн.
64
10. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ
В ОБЛАСТИ НИЖНИХ ЧАСТОТ
Нижняя граничная частота полосы пропускания усилителя
связана со способностью разделительных и блокировочных емкостей пропускать низкочастотные сигналы. Требуемое значение постоянной времени в области НЧ для разделительных
и блокировочных цепей широкополосного усилителя определяется из следующего соотношения:
2
)
1
(2 1
нi
н нi
fM
, (10.1)
где Мнi — коэффициенты частотных искажений в области НЧ,
формируемые разделительными и блокировочными цепями,
при этом значения этих коэффициентов могут быть распределены между отдельными каскадами согласно рекомендациям подраздела 1.3.
Номиналы разделительных емкостей можно определить
из соотношения:
нi
p
лп
C
RR
, (10.2)
где Rл — эквивалентное сопротивление, стоящее слева от разделительного конденсатора; обычно это выходное сопротивление
каскада промежуточного усиления
вых к
л
R R R
или сопротив-
ление генератора сигналов
г
л
RR
;
Rn — эквивалентное сопротивление, стоящее справа от раз-
делительного конденсатора; обычно для оконечных каскадов
н
п
RR
, для каскадов промежуточного усиления
вх
п
RR
.
Номинал блокировочных емкостей в цепи эмиттера при-
ближенно определяется как:
0
э нi
СS
. (10.3)
65
11. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
11.1. Выбор номиналов и типов элементов схемы
После расчета требуемых номиналов элементов схемы следует, руководствуясь справочным материалом, провести выбор
типов элементов, учитывая мощность рассеивания для резисторов
и предельно допустимое напряжение для конденсаторов. Кроме
того, следует уточнить номиналы элементов согласно стандартному ряду. При этом не следует ориентироваться на ряды, соответствующие малому разбросу номиналов (2 %), — для большинства цепей усилителя приемлем разброс номинала 10 %. Исключение составляют цепи ООС.
Единицей измерения величины сопротивления резистора
является 1 Ом. В практике употребляются кратные единицы сопротивления 1 кОм = 1 000 Ом, 1 МОм = 1 000 000 Ом. Наибольшее применение в электронной аппаратуре находят резисторы, соответствующие стандартному ряду мощностей (в ваттах): 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2. Номинальные значения резисторов стандартизованы. Для постоянных резисторов установлено
шесть рядов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Номинальные значения
переменных резисторов соответствуют ряду Е6. Цифра после
буквы Е указывает на число номинальных значений в каждом десятичном интервале (см. табл. 9.1). Номинальные сопротивления
в каждой декаде соответствуют указанным в табл. 11.1 или чис-
лам, полученным умножением их на
10
n
, где n — целое положи-
тельное число.
Таблица 11.1
Номинальные сопротивления и емкости по рядам
Ряд
Числовые коэффициенты
Е6
1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8
Е12
1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2
Е24
1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,4; 2,7; 3; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7;
5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1
Большинство постоянных резисторов общего назначения
выпускаются с допусками 2, 5, 10 и 20 %.
66
Базовой единицей измерения величины емкости конденсатора является 1 Ф (Фарада). На практике употребляются произ-
водные величины емкости
6 9 12
1Ф 10 мкФ 10 нФ 10 пФ
. Номи-
нальные значения емкостей также стандартизованы. Наиболее употребимые ряды номинальных емкостей Е6, Е12, Е24. Полное обозначение емкости состоит из соответствующего числа и единицы
измерения, причем на схемах емкость от 0 до 9 999 пФ указывается в пикофарадах, а от 0,01 до 9 999 мкФ — в микрофарадах.
Базовой единицей измерения величины индуктивности является 1 Гн (Генри). На практике употребляются производные
величины индуктивности
3
1 мГн 10 Гн
,
6
1мкГн 10 Гн
.
11.2. Построение амплитудно-частотной характеристики
сквозного коэффициента усиления
В процессе расчета входной цепи и отдельных каскадов
усилителя после выбора типов и номиналов элементов следует
уточнить достигаемые значения коэффициента усиления, нижней и верхней граничных частот полосы пропускания.
Результирующее значение сквозного коэффициента передачи определяется соотношением:
0 . 0 . 0 . 0 .
скв
вх ц вх к пр к ок к
K K K K K
, (11.1)
где
0 . 0 . 0 . 0 .
, , ,
вх ц вх к пр к ок к
K K K K
— достигнутые в ходе расчетов зна-
чения коэффициентов передачи входной цепи, входного каскада,
предоконечного каскада и оконечного каскада соответственно.
Амплитудно-частотная характеристика сквозного коэффициента передачи определяется выражением:
. . . . . .
. . . . . .
()
( ) ( ) ( ) ( )
1
,
( ) ( ) ( ) ( )
скв
нвх ц нвх к нпр к нок к
ввх ц ввх к впр к вок к
скв
K
K
M M M M
M M M M
(11.2)
где
()
н
M
и
()
в
M
— коэффициенты частотных искажений (вход-
ной цепи, входного каскада, предоконечного каскада и оконечного каскада) в области нижних и верхних частот, определяются
выражениями:
67
2
1 ( ) ;
вв
M
(11.3)
2
1 (1/ ) .
н
н
M
(11.4)
Если в каком-то из каскадов усилителя была введена ООС,
то в выражениях (11.1–11.3) следует учитывать ее влияние на
в
.
При построении амплитудно-частотной характеристики
рекомендуется использовать пакет MathCad, при этом график
АЧХ необходимо представлять в логарифмическом масштабе
оси частот. Определение результирующих значений fв и fн
производится согласно заданному в ТЗ допустимому значению
уровня частотных искажений M. Для правильно спроектированного усилителя результирующие значения нижней и верхней граничных частот должны быть близки к заданным в ТЗ
значениям.
11.3. Моделирование работы усилителя
После компоновки принципиальной схемы усилителя, выбора транзисторов и расчета параметров пассивных элементов
производится моделирование работы спроектированного устройства и экспериментальная подстройка значений некоторых из пассивных элементов.
Сначала необходимо проверить статический режим работы всех транзисторов, измерив значения
0к
I
,
0к
U
,
0б
I
,
0б
U
в ре-
жиме покоя. С этой целью в пакете MicroCap при анализе работы схемы выбирается режим расчета передаточных функций по
постоянному току командой основного меню Analysis/DC Analysis [7]. Требуемые значения коллекторного тока и напряжения
коллектор — эмиттер режима покоя достигаются через подстройку значений сопротивлений базовой цепи отдельно для каждого из транзисторов.
Затем следует подать от внешнего источника на вход усилителя сигнал гармонической формы с частотой, соответствующей середине области рабочих частот (обычно 10–100 кГц)
со значением ЭДС, указанным в ТЗ на проектирование, и получить осциллограммы на выходе каждого из каскадов усилителя.
С этой целью в пакете MicroCap выбирается режим расчета вре-
68
менных диаграмм командой основного меню Analysis/Transient
Analysis. Требуемые значения коэффициента передачи каждого
из каскадов в области средних частот достигаются через подстройку значений сопротивления коллекторной цепи или цепи
обратной связи.
Последним режимом анализа работы моделируемой схемы
является расчет частотных характеристик, выбираемый в пакете
MicroCap командой основного меню Analysis/AC Analysis. Снятие
АЧХ сопровождается измерениями нижней и верхней граничной
частот полосы пропускания усилителя. В случае необходимости
осуществляется подстройка величин емкостей разделительных
и блокировочных конденсаторов и элементов высокочастотной
коррекции.
69
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексенко, А. Г. Микросхемотехника : учебное пособие
для вузов / А. Г. Алексенко, И. И. Шагурин ; под редакцией И. П. Степаненко. — Москва : Радио и связь, 1982.
2. Бабак, Л. И. Анализ широкополосного усилителя по схе-
ме со сложением напряжений / Л. И. Бабак // Наносекундные
и субнаносекундные усилители : сб. науч. тр. / под редакцией
И. А. Суслова. — Томск : Изд-во Томск. ун-та, 1976.
3. Мамонкин, И. Г. Усилительные устройства : учебное
пособие для вузов / И. Г. Мамонкин. — Москва : Связь, 1977.
4. Мелихов, С. В. Влияние нагружающих обратных связей
на уровень выходного сигнала усилительных каскадов / С. В. Мелихов, И. А. Колесов // Широкополосные усилители : сб. науч.
тр. — Вып. 4. — Томск : Изд-во Томск. ун-та, 1975.
5. Никифоров, В. В. Синтез цепей коррекции широкополос-
ных усилителей мощности с применением методов нелинейного
программирования / В. В. Никифоров, С. Ю. Терентьев // Полупроводниковая электроника в технике связи : сб. науч. тр. / под редакцией И. Ф. Николаевского. — Вып. 26. — Москва : Радио
и связь, 1986.
6. Панин, Н. М. Переменные аттенюаторы и их примене-
ние / Н. М. Панин. — Москва : Энергия, 1971.
7. Разевиг, В. Д. Система схемотехнического моделирова-
ния MicroCap-V / В. Д. Разевиг. — Москва : Солон, 1997.
8. Ровдо, А. А. Схемотехника усилительных каскадов на би-
полярных транзисторах / А. А. Ровдо. — Москва : Додека-XXI, 2002.
9. Ежков, Ю. А. Справочник по схемотехнике усилителей /
Ю. А. Ежков. — 2-е изд., перераб. — Москва : РадиоСофт, 2002.
10. Титов, А. А. Расчет межкаскадной согласующей цепи тран-
зисторного полосового усилителя мощности / А. А. Титов, Л. И. Бабак, М. В. Черкашин // Электронная техника. — 2000. — Вып. 1. —
(Сер. «СВЧ-техника»).
11. Титов, А. А. Упрощенный расчет широкополосного уси-
лителя / А. А. Титов // Радиотехника. — 1979. — № 6.
12. Шварц, Н. З. Линейные транзисторные усилители СВЧ /
Н. З. Шварц. — Москва : Советское радио, 1980.
13. Широкополосные радиопередающие устройства /
О. В. Алексеев [и др.] ; под редакцией О. В. Алексеева. —
Москва : Связь, 1978.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]