Расчет предварительного усилителя (ПУ)

 

ПУ усиливает электрический сигнал, обеспечивая наибольшее отношение сигнал/шум. Основные требования, предъявляемые к ПУ – минимальные шумы, максимальный частотный и динамический диапазоны. Как уже рассматривалось ранее, для удовлетворения этих требований входной каскад выполнен по схеме эмиттерного повторителя, который обладает этими свойствами.

Второй и третий каскады для обеспечения заданного частотного и динамического диапазонов выполняются по каскодной схеме. Весь ПУ охвачен общей ООС, что позволяет увеличить частотный и динамический диапазоны без ухудшения чувствительности.

Проведем расчет каскадов усиления по постоянному току. Расчет К – цепи по постоянному току включает выбор режимов транзисторов микросборки и входного каскада, а также расчет сопротивлений резисторов, обеспечивающих выбранные режимы и их стабильность, при этом мощности потребляемые от источника питания и сигнала должны быть минимальными.

Как уже было оговорено, входным выбирается маломощный транзистор СВЧ диапазона с f_m > (4÷5) ГГц, например, 2Т 3114 В-В.

Он, а также транзисторы, входящие в состав СВЧ микросборки М45121–2, имеют следующие основные параметры

Р_{к доп} = 100 мВт,

I_{к доп} = 20 мА,

U_{к доп} = 15 В,

τ_к = 1,5 нс,

f_г = 5 ГГц,

h₂₁ = 40 – 330,

С_к = 0,6 пФ.

Из ранее рассмотренных соображений относительно широкополосности и собственных шумов ФПУ ток коллектора I каскада равен 2 мА. Ко II и III каскадам менее жестки шумовые требования и с целью улучшения частотных свойств, ток коллектора выбран в пределах 5 мА. Для расчета шумов величина сопротивления нагрузки фотодиода по переменному току R_г в данной схеме рассчитывается как

R_г = R2 || R4 || R1 = 1кОм.

При R_г = 1кОм шумы R_г и тока базы транзистора соизмеримы, если

I_б = 20мкА

 

 

При приравнивании

,

получим

, при R_Г = 1кОм,

I_б = 20мкА.

Находим и наносим на схему (рис. 4.2) значение напряжения на всех узлах схемы относительно общего (заземленного) полюса источника питания. При этом следует учесть, что величина нагрузочных резисторов II – го и III – го каскадов (R7 и R15) должны быть не более 75Ом. Иначе ухудшатся частотные свойства усилителя. Исходя из этого, при коллекторных токах 5мА, на этих резисторах будет падение напряжения около 0,5 В.

Коэффициент передачи цепи обратной связи по постоянному току вычисляется по следующей формуле

 

, где

 

R_вх(VT4) – входное сопротивление каскада с ОК.

 

R_вх = h₁₁+R_э(1+h₂₁).

 

Так как R_вх » R1 и им можно пренебречь, тогда

.

Напряжение на базе VT1

U_б0,1 = U_к2 · В

U_б0,1 = 11,5 · 0,37 = 4,2В, где

U_б0,1 = U_бэ,1 + U_бэ,3 + U_э,3.

При использовании в усилителе кремниевых транзисторов, значение напряжения база – эмиттер можно принять равным (0,6÷0,7) В.

Выбираем: U_бэ,1 = 0,6 В, U_бэ1,3 = 0,7 В. Тогда U_э,3 = 4,2–1,3 = 2,9 В.

Напряжение на эмиттере первого транзистора находим следующим образом

U_э,1 = τ_б0,1 – τ_бэ,1,

U_э,1 = 4,2–0,6 = 3,6В.

Для широкополосного усилителя выбираем U_э,2 = 4В

Следовательно

U_э3 = U_к,2 = U_кэ,2 – U_э,3,

U_кэ,3 = 11,5 – 4 – 2,9 = 4,6 В.

Напряжение на базе второго транзистора

U_б0,2 = U_к,3 + U_бэ,2 = (U_э,3 + U_кэ,3) + U_бэ,2,

U_б0,2 = (2,9 + 4,6) + 0,7 = 8,2 В.

Так как каскады II и III однотипны то постоянные напряжения транзисторов T4 и T5 соответствуют постоянным напряжениям транзисторов T2, T3 ИМС.

Зная все напряжения в схеме и токи каскадов сопротивление резисторов схемы

 

.

 

По номиналу принимаем R9 = R16 = 510 Ом

 

.

 

Для достаточной стабильности режима транзисторов Т2, Т4, Т5 ток, протекающий через делитель напряжения в цепи базы I_д берем равным 1мА.

Сопротивление делителя в цепи базы VT1 должны с одной стороны удовлетворять условию R_г = R2 || R4 || R1 = 1кОм, а с другой стороны, обеспечивать необходимое напряжение смещения (4,2 В).

Величина R2, исходя из смещения на T3 и тока коллектора, VT1 выбрана 1,8 кОм, следовательно

 

 

(R1||R4 = x)

x · 1,8 = x + 1,8;

0,8x = 1,8;

x = 2,25.

Решив систему уравнений, найдем необходимые величины резисторов R1 и R4

Выберем: R1 = 3,6 кОм и R4 = 6,2 кОм.

Сопротивления резисторов делителя напряжения в цепи базы Т2, Т6 рассчитываются по следующим формулам

 

.

 

Эти резисторы выберем равными 7,5 кОм,

.

 

Примем номиналы этих резисторов равными 3,9 кОм.

Для расчета базового делителя транзистора Т5 используется аналогичная методика. Ток делителя выберем равным 1 мА, что соответствует номиналам резисторов

 

 

Ближайшими к этим будут номиналы: 8,2 кОм и 3,6 кОм, соответствующие резисторам R11 и R12.

Местную ОС в цепи эмиттера Т3 создает цепочка R10; C5, а также R17; C7 в III – ем каскаде ФПУ.

Необходимое значение ОС: F = 1 + S · R_эос.

Коэффициент усиления усилителя без ОС (К) должен быть достаточным для обеспечения заданного значения К, при требуемой величине F

 

По номиналу R_ЭОС(R10) = 22 Ом, тогда требуется глубина местной обратной связи равной

F = 1 + 0,2 · 2,2 = 5,5.

Цепь Г – образных RC фильтров в цепи питания используется из условия выполнения двух требований:

– минимальные потери напряжения источника питания;

– обеспечение устранения самовозбуждения из-за паразитной обратной связи между каскадами на сопротивлении питающих проводов и внутренним сопротивлением источника питания.