Расчет выходного каскада

Рисунок 3 – Принципиальная схема выходного каскада

3.1. Выбор транзистора

Произведем выбор сопротивления нагрузки. Для максимального КПД при подключении к выходу усилителя коаксиального кабеля с волновым сопротивлением выбор сопротивления коллектора и сопротивлением нагрузки однозначен: Ом. Следовательно, Ом.

Найдем величину переменной составляющей тока коллектора:

А;

Определим постоянную величину тока коллектора:

А;

Определим напряжение питания:

В. Полученное значение округляем до ближайшего типового значения В;

А. - допустимое приращение тока коллектора при смене транзистора и (или) изменении температуры;

В. - остаточное напряжение на коллекторном переходе;

В. - постоянная составляющая напряжения на выходе микросхемы К256УВ7;

В. - напряжение прямо смещенного p-n перехода база-эмиттер;

В. - падение напряжения на эмиттерном сопротивлении.

Определим падение напряжения коллектор-эмиттер в рабочей точке:

В.

Определим максимально допустимое напряжение на коллекторе транзистора:

В.

Определим максимально допустимый ток коллектора:

А.

Определим максимально допустимую мощность рассеивания на коллекторном переходе:

Вт.

Итог: выбираем транзистор КТ914А, предельные параметры которого по мощности, току коллектора и напряжению коллектор-эмиттер выше или равны максимально допустимым для каскада.

Таблица 1 – параметры транзистора КТ914А

Данный транзистор также подходит нам по частотным свойствам, поскольку соблюдается неравенство: МГц, что больше МГц.

3.2 Параметры транзистора в рабочей точке

Рассчитываем параметры транзистора в рабочей точке и проверим, обеспечивает ли данный транзистор при выбранных режиме и сопротивлении нагрузки необходимую площадь усиления:

Определим параметры эквивалентной схемы замещения транзистора:

Рисунок 4 – Эквивалентная модель замещения биполярного транзистора Джиаколетто

- коэффициент усиления по току;

Ом. - объемное сопротивление базы ( - коэффициент учитывающий емкость выводом, - постоянная времени обратной связи, - емкость коллектора);

Ом. - p-n перехода база-эмиттер сопротивление ( - дополнительное сопротивление в эмиттере);

КОм - сопротивление p-n перехода база-коллектор ( - сопротивление коллектора)

пФ. - емкость p-n перехода база-коллектор ( - напряжение насыщения коллектор-эмиттер);

пФ. - емкость p-n перехода база-эмиттер ( - контактная разность потенциалов, - падение напряжения на прямо смещенном p-n переходе база-эмиттер).

Перейдем к проверке площади усиления:

ГГц

- граничная частота усиления транзистора в заданной рабочей точке;

Ом. - входное сопротивление транзистора, охваченного обратной связью;

Ом.-сопротивление обратной связи;

МГц

- площадь усиления выбранного транзистора в данной рабочей точке ( Ом.- выходное сопротивление в типовом режиме предыдущего каскада на микросхеме К265УВ7, находится во время расчета промежуточного каскада)

Поскольку полученное значение площади усиления больше требуемого от каскада значения (135 МГц), продолжаем расчет.

3.3 Нестабильность основных параметров

Найдем нестабильность коэффициента усиления при минимальной и максимальной рабочей температуре:

Определим приращение напряжения база-эмиттер:

В;

Определим приращение неуправляемого коллекторного тока:

мкА. ( - коэффициент, равный 10 для германиевых транзисторов и равный 7 для кремниевых транзисторов);

Определим входное сопротивление транзистора:

Ом;

Определим сопротивление эмиттера по постоянному току:

Ом;

Определим приращение выходного коллекторного тока:

мА;

Рассчитаем нестабильность тока коллектора:

%;

Найдем нестабильность коэффициента усиления каскада:

%;

Полученная нестабильность соответствует требованиям Технического Задания (ТЗ) ( %).

3.4 Корректирующие конденсаторы:

Найдем корректирующую емкость, подключаемую к эмиттеру:

Определим постоянную времени каскада на верхних частотах:

нс;

Определим постоянную времени базовой цепи транзистора:

нс;

Определим постоянную времени корректирующего звена:

нс;

Определим оптимальный коэффициент коррекции:

;

Найдем требуемое значение емкости:

пФ;

Определим постоянную времени каскада на нижних частотах:

мс;

Определим постоянную времени разделительного конденсатора выходного каскада:

мс., где -коэффициент связывающий блокировочную емкость эмиттерной термостабилизации и емкость на выходе каскада.

Определим эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:

Ом;

Найдем требуемое значение емкости:

мкФ;

Рассчитаем блокировочную емкость эмиттерной термостабилизации, параллельную сопротивлению по постоянному току в эмиттере:

Определим постоянную времени конденсатора:

мс;

Определим эквивалентное сопротивление:

Ом;

Рассчитаем требуемое значение емкости:

мФ.

3.5 Выбор номиналов элементов для схемы

Подберем стандартные номиналы для емкостей и сопротивлений, согласно номиналам ряда Е48:

Ом;

Ом;

мкФ;

пФ;

мФ.

3.6 Коэффициенты частотных искажений

На верхних частотах:

;

Нормированная АЧХ:

;

Коэффициент частотных искажений:

дБ;

На нижних частотах:

Нормированная АЧХ:

;

Коэффициент частотных искажений:

дБ;

Коэффициенты частотных искажений удовлетворяют требованиям ТЗ:

>

3.7 Коэффициент гармоник

Рисунок 5 – Входные и выходные характеристики транзистора КТ914А.

Построим нагрузочную характеристику на выходной по двум точкам:

1-ая и В; 2-ая и А.

Зададим приращение напряжения коллектор-эмиттер В от рабочей точки А .

Согласно входной характеристике: .

ЭДС входного сигнала для каждого из токов: В

В

В

Определим амплитуды гармоник:

В.

В.

Определим коэффициент гармоник без обратной связи:

Найдем максимальный коэффициент усиления:

Найдем коэффициент гармоник с учетом обратной связи:

(3, 8%)

Рисунок 5 – Промежуточный каскад на интегральной схеме К265УВ7

Таблица 5.1 - Номиналы элементов ИС К265УВ7

4.1Режим работы

Между выводами 11 и 13 микросхемы включим дополнительный резистор Ом, уменьшающий эмиттерное сопротивление первого транзистора до величины:

Ом.

Рассчитаем коллекторные токи транзисторов:

В., где В. - номинальное напряжение питания микросхемы;

Найдем коллекторный ток первого транзистора:

мА;

Найдем коллекторный ток второго транзистора:

мА.

Рассчитаем потенциалы на коллекторах и на эмиттерах:

Определим потенциал на эмиттере первого транзистора:

В;

Определим потенциал на эмиттере второго транзистора:

В;

Определим потенциал на коллекторе второго транзистора:

В;

Определим потенциал на коллекторе первого транзистора:

В.

Рассчитаем падения напряжение коллектор-эмиттер двух транзисторов:

Определим разность потенциалов между коллектором и эмиттером первого транзистора:

В;

Определим разность потенциалов на втором транзисторе:

В.

4.2 Параметры транзистора в рабочей точке

Таблица 2 - Справочные параметры транзистора КТ307Б

Определим параметры эквивалентной схемы замещения транзистора:

- коэффициент усиления по току;

Ом.- объемное сопротивление базы;

Ом. - p-n перехода база-эмиттер сопротивление ( мА - среднее подстановочное значение тока коллектора, ввиду того, что они примерно равны);

КОм - сопротивление p-n перехода база-коллектор;

пФ. - емкость p-n перехода база-коллектор первого транзистора;

пФ. - емкость p-n перехода база-коллектор второго транзистора;

пФ. - емкость p-n перехода база-эмиттер первого транзистора;

пФ. - емкость p-n перехода база-эмиттер первого транзистора.

4.3Параметры каскада

Найдем сопротивления:

Поскольку микросхема не имеет вывода с эмиттера первого транзистора учтем местную частотно-независимую обратную связь пересчетом сопротивления p-n перехода база-эмиттер:

Ом.

Определим входное сопротивление первого транзистора:

Ом.

Определим входное сопротивление второго транзистора:

Ом.

Определим входное сопротивление секции:

Ом.

Определим выходное сопротивление секции:

Ом.

Определим сопротивление нагрузки второго транзистора:

Ом.

Найдем и проверим верхнюю граничную частоту:

Определим постоянную времени p-n перехода база-эмиттер:

нс;

Определим постоянную времени первого транзистора:

нс;

Определим постоянную времени второго транзистора:

нс;

Определим верхнюю эквивалентную постоянную времени:

нс;

Определим соответствующую ей верхнюю граничную частоту:

МГц;

больше МГц, требуемых от каскада, значит микросхема выбрана правильно.

Найдем и проверим площадь усиления:

Определим коэффициент усиления каскада без дополнительной обратной связи:

Поскольку больше , возникает необходимость получения коэффициента , причем не меняя режим по постоянному току. Данную задачу можно решить за счет разделения на два сопротивления и , включенного параллельно с конденсатором . Точнее говоря произведем замену , на требуемое , и вынесем за пределы интегральной схемы.

Рисунок 6 – Схема коррекции коэффициента усиления при постоянстве режима по постоянному току

Найдем требуемое входное сопротивление первого транзистора:

Ом;

Найдем требуемое сопротивление:

Ом;

Определим дополнительное сопротивление:

Ом;

Определим площадь усиления:

МГц.

Поскольку больше требуемой от каскада МГц, еще раз подтверждаем правильность выбора микросхемы.

4.4 Разделительный и блокировочные конденсаторы

Найдем значение разделительного конденсатора между выходом промежуточного каскада на микросхеме и входом выходного каскада:

Определим постоянную времени:

мс., где - весовой коэффициент разделительного конденсатора; -весовые коэффициенты первого и второго блокировочного конденсатора;

Определим сопротивление эквивалентной нагрузки:

Ом;

Рассчитаем значение конденсатора:

нФ.

Найдем значение блокировочного конденсатора цепи эмиттера первого транзистора:

Определим постоянную времени:

мс;

>

Ом;

Рассчитаем значение конденсатора:

мкФ.

Найдем значение блокировочного конденсатора цепи эмиттера второго транзистора:

Определим постоянную времени:

мс;

Определим сопротивление эквивалентной нагрузки:

Ом;

Рассчитаем значение конденсатора:

мкФ.

4.5 Выбор номиналов элементов для схемы

Подберем стандартные номиналы для емкостей и сопротивлений, согласно номиналам ряда Е48:

Ом;

Ом;

нФ;

мкФ;

нФ.

4.6 Коэффициенты частотных искажений

На верхних частотах:

;

Нормированная АЧХ:

;

Коэффициент частотных искажений:

дБ;

На нижних частотах:

Нормированная АЧХ:

;

Коэффициент частотных искажений:

дБ;

Коэффициенты частотных искажений удовлетворяют требованиям ТЗ:

дБ, дБ.