РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ.

 

Требования к усилителю мощности:

 

рабочая частота – 25 МГц;

выходная мощность – не менее 25 Вт.

 

В качестве активного элемента в усилителе мощности будет использоваться биполярный транзистор КТ927Б т. к. он обеспечивает требуемую выходную мощность и может работать на требуемой частоте. Параметры транзистора приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

 

3.1 Схема усилителя мощности.

 

Схема усилителя мощности приведена на рисунке 5.

 

 

Рис.5.

 

Назначение элементов схемы усилителя мощности:

 

R1 и R2 - используются как делитель напряжения для обеспечения фиксированного смещения; обеспечивают автосмещение; корректируют частотную характеристику;

С1 и С5 – разделительные емкости;

L2 – блокировочная индуктивность;

С3 – блокировочная емкость;

L1 и С2 – входная согласующая цепь;

L3 и С3 – выходная согласующая цепь.

 

 

3.2 Расчет режима работы и энергетический расчет

 

Выбираем амплитуду импульсов коллекторного тока i_{k max} из условия:

 

i_{k max} ≤ (0.8 … 0.9) ∙ i_{k доп},

 

где i_{k доп} – допустимая амплитуда импульсов коллекторного тока (справ.);

 

i_{k max} = 0.8 ∙ 10 = 8 А.

 

 

Выбираем напряжение источника питания из условия:

 

Е_п ≤ U_{к доп} /2,

 

где U_{к доп} – допустимая амплитуда напряжения на коллекторе (справ.);

 

Е_п ≤ 70 / 2 = 35,      выбираем Е_п = 20 В.

 

Рассчитываем напряженность граничного режима работы активного элемента ξ_гр

 

ξ_гр = 1- i_{к max} / S_гр∙ Е_п = 1- 8 / 5 ∙ 20 = 0.92,

 

где S_гр – крутизна граничного режима (справ.).

 

Найдем амплитуду импульсов первой гармоники коллекторного напряжения

 

U_k1 = ξ_гр ∙ Е_п = 0.92 ∙ 20 = 18.4 В.

 

Определим амплитуду импульсов первой гармоники коллекторного тока

 

I_k1 = α₁(θ)∙ i_{k max} = 0.5 ∙ 8 = 4 А,

 

где α₁(θ) – коэффициент Берга, θ = 90˚.

 

Рассчитаем постоянный ток, потребляемый коллекторной цепью транзистора

 

I_k0 = α₀(θ)∙ i_{k max} = 0.318 ∙ 8 = 2.54 А,

 

где α₀(θ) – коэффициент Берга, θ = 90˚.

 

Найдем мощность первой гармоники

 

P₁ = I_k1 ∙ U_k1 / 2 = 4 ∙ 18.4 / 2 = 36.8 Вт.

 

Определим мощность, потребляемую от источника питания

 

P₀ = I_k0 ∙ E_п = 2.54 ∙ 20 = 50.8 Вт.

 

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на активном элементе

 

P_рас = Р₀ – Р₁ = 50.8 – 36.8 = 14 Вт.

 

Найдем к.п.д. усилителя

 

η = Р₁ / Р₀ = 36.8 / 50.8 = 0.72, т.е 72%.

 

Определим амплитуду управляющего заряда

 

Q_y1 = i_{k max} / [ω_гр ∙ ( 1- cos θ )]= 8 / [2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙ ( 1- cos 90˚ )] = 12.73 ∙ 10^-9 Кл,

где ω_гр – граничная частота работы транзистора, θ – угол осечки коллекторного тока.

Найдем постоянную составляющую напряжения эмиттерного перехода

 

U_эп = u_отс – γ₀ (π –θ) ∙ Q_y1 /C_э = 1 – 0.5 ∙ 12.73 ∙ 10^-9 / 2300 ∙ 10^-12 = -0.76 В,

 

где u_отс – напряжение отсечки, γ₀ - коэффициент Берга, C_э – емкость эмиттерного перехода (справ.).

 

Определим минимальное мгновенное напряжение на эмиттерном переходе

 

u_{э min} = u_отс – (1 – cos (π –θ) ) ∙ Q_y1 / C_э = 1 – 12.73 ∙ 10^-9 / 2300 ∙ 10^-12 = - 4.5 В.

 

Рассчитаем выходное сопротивление транзистора

 

R_k = U_k1 / I_k1 = 18.4 / 4 = 4.6 Ом.

 

Определим коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается входная емкость транзистора счет паразитной емкости коллекторного перехода

 

æ = 1 + γ₁ (θ) ∙ ω_гр∙ С_к ∙R_k = 1 + 0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙ 150 ∙ 10^-12 ∙ 4.6 = 1.217,

 

где С_к – емкость коллекторного перехода.

 

Найдем амплитуду первой гармоники тока базы с учетом тока через емкость С_к

 

I_б = ω ∙ Q_y1 ∙ æ = 2 ∙ π ∙ 25 ∙ 10⁶ ∙ 12.73 ∙ 10^-9 ∙ 1.217 = 2.43 A.

 

Рассчитаем сопротивление корректирующего резистора, подключаемого параллельно входу транзистора, служащего для симметрирования импульсов коллекторного тока

 

R_З = 1 / ω_β ∙ C_э = 1 / 2 ∙ π ∙ 5 ∙ 10⁶ ∙ 2300 ∙ 10^-12 = 13.8 Ом,

 

где ω_β – частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в динамическом режиме уменьшается в √2 раз по сравнению со статическим режимом. ω_β находится по формуле      ω_β = ω_гр / B , где В – средний коэффициент усиления тока (15…30).

 

Определим мощность, рассеивающуюся на корректирующем сопротивлении

 

= 0.55 Вт.

 

Найдем входное сопротивление транзистора

 

R_вх = γ₁ (θ) ∙ ω_гр∙ L_э / æ = 0.5 ∙2 ∙ π ∙ 100 ∙ 10⁶ ∙ 1 ∙ 10^-9 / 1.217 = 0.26 Ом,

 

где L_э – индуктивность эмиттерного вывода транзистора (справ.).

 

Определим мощность, обусловленную прямым прохождением мощности в нагрузку через L_э и связанную с R_вх

 

P^’’_вх =I²_б1 ∙ R_вх / 2 = 2.43² ∙ 0.26 / 2 = 0.76 Вт.

 

Рассчитаем входную мощность, требуемую для обеспечения заданной выходной мощности

 

P_вх = P^’_вх + P^’’_вх = 0.55 + 0.76 = 1.31 Вт.

 

Найдем коэффициент передачи по мощности усилителя

 

K_p = (P₁ + P^’’_вх) / P_вх = ( 36.8 + 0.76 ) / 1.31 = 28.7

 

Определим входную индуктивность усилителя

 

L_вх = L_б + L_э / æ = 1 ∙ 10^-9 + 2 ∙ 10^-9 / 1.217 = 2.82 нГн,

 

где L_б – индуктивность базового вывода транзистора (справ.).

 

Рассчитаем входную емкость усилителя

 

С_вх = æ ∙ С_э / γ₁ (π - θ) = 1.217 ∙ 2300 ∙ 10^-9 / 0.5 = 5.6 нФ.

 

Найдем усредненное за период колебаний сопротивление коррекции R_пар

 

R_пар = R_З ∙ γ₁ (π - θ) = 13.8 ∙ 0.5 = 6.9 Ом.

 

3.3 Расчет цепи питания усилителя мощности.

 

Выбор схемы цепи питания.

 

Цепь питания содержит источник постоянного напряжения и блокировочные элементы. Благодаря блокировочным элементам исключаются потери высокочастотной мощности в источнике питания, и устраняется нежелательная связь между каскадами через источник питания.

В качестве схемы цепи питания выберем параллельную схему (рис. 6.), когда источник питания, активный элемент и выходная цепь включены параллельно. Последовательная схема цепи питания не будет использоваться, потому что требуется, чтобы выходная согласующая цепь пропускала постоянный ток.

 

 

Рис. 6.

 

Емкость С_бл с индуктивностью L_бл и емкостью С_р образуют колебательный контур резонирующий на частоте меньшей рабочей частоты усилителя, что может привести к возбуждению колебаний. Чтобы исключить их применяют антипаразитный резистор R_ап и проектируют цепь питания как ФНЧ.

 

Определим блокировочную индуктивность из условия

 

ω_min ∙ L_бл >> R_k

 

L_бл >> R_k / ω_min = 4.6 / 2 ∙ π ∙ 25 ∙ 10^-6 = 29.3 ∙ 10^-9

 

L_бл = 10 мкГн.

 

Рассчитаем сопротивление антипаразитного резистора из условия

 

R_ап << 0.1 ∙ R_k = 0.1 ∙ 4.6 = 0.46

Определим емкость блокировочного и разделительного конденсаторов

 

С_бл = С_р = L_бл / 2 ∙ R_ап = 10 ∙ 10^-6 / 2 ∙ 0.46 = 10.9 мкФ.

 

 

3.4 Расчет цепи смещения усилителя мощности.

 

Выбор схемы цепи смещения.

 

Напряжение смещения биполярного транзистора в оптимальном режиме зависит от входного напряжения, а следовательно от входной мощности.

Обеспечить требуемое напряжение смещения с помощью фиксированного смещения нецелесообразно, поскольку изменение входной мощности приведет к отклонению режима работы транзистора по постоянному току от оптимального.

Для стабилизации режима работы транзистора применяют комбинированное смещение, при этом к базе транзистора необходимо подвести постоянное напряжение отсечки u_отс и обеспечить автосмещение U_авт = γ₀( π – θ) ∙ Q_y1 / C_э.

 

Рассчитаем требуемое сопротивление автосмещения и элементов схемы смещения

R_см = ,

так как θ = 90˚ формула приимет вид

R_см = R_з = ,

где τ_β –постоянная времени на частоте ω_β (частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в динамическом режиме уменьшается в √2 раз по сравнению со статическим режимом. ω_β находится по формуле ω_β = ω_гр / B , где В – средний коэффициент усиления тока) и находится по формуле τ_β = 1 / ω_β = 1 / 2 ∙ π ∙ 5 ∙ 10⁶ = 31.8 нс.

	+EG                       R1                                     АЭ                       R2     Рис. 7

                              R_см = 13.8 Ом.

Применяя схему смещения, приведенную на рисунке7,

необходимо чтобы выполнялись условия:

E_п ∙ R2 / ( R1 + R2 ) = U_отс , R1 ∙ R2 /( R1 + R2 ) = R_см.

 

Эти условия выполняются при

R1 = 278.6 Ом ≈ 280 Ом и R2 = 14.6 Ом ≈ 15Ом.