Выбор транзистора и расчёт сопротивлений в схеме прямого модулятора

При выборе транзистора будем руководствоваться следующими требованиями к его техническим характеристикам:

- Постоянный ток коллектора не менее 120 мА;

- Частота среза не менее 8.5 МГц;

Приведённым требованиям удовлетворяет кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б. Данный транзистор предназначен для применения в переключающих и импульсных устройствах, в цепях вычислительных машин, в генераторах электрических колебаний и имеет следующие электрические параметры:

- Статический коэффициент передачи h21э тока в схеме ОЭ при Uкб=10 В, Iэ=2 мА: h21эмин = 200, h21эмакс = 450;

- Напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 0.5 В;

- Напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэнас’ при Iк=10 мА, Iб=1 мА, не более: 0.035 В;

- Напряжение насыщения база – эмиттер Uбэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 1.2 В;

- Ёмкость коллекторного перехода Ск при Uкб=10 В, не более: 10 пФ;

- Обратный ток коллектора Uкобр при Uкб=10 В, не более: 1 мкА;

- Обратный ток эмиттера Uэобр при Uбэ=4 В, не более: 0.5 мкА;

Предельные эксплуатационные данные:

- Постоянное напряжение коллектор – база Uкбmax: 30 В;

- Постоянное напряжение коллектор – эмиттер Uкэmax при Rбэ<1 кОм: 30 В;

- Постоянное напряжение коллектор–эмиттер Uкэmax при Iэ£10мА: 25 В

- Постоянное напряжение база–эмиттер Uбэmax: 5 В;

- Постоянный ток коллектора Iкmax: 800 мА;

- Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Pmax: 0.5 Вт.

Далее зададим режим работы транзистора (рабочую точку). Для выбора режима используется семейство выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером, параметром которых является ток базы. При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: Uкэо £ 0.45×Uкmax. Пусть (с учётом приведённого условия) Uкэо=6 В. Поскольку для модуляции полупроводникового лазера необходим пороговый ток 40 мА, то Iко=40 мА, тогда ток покоя базы Iбо=0.135 мА. Поскольку максимальный ток накачки лазера 120 мА, то максимальный ток коллектора составит Iкм=120 мА, тогда Uкэм=1.7 В и Iбм=0.47 мА. По входным характеристикам транзистора определим напряжение базы покоя Uбо=0.71 В и Амплитудное значение Uбм=0.74 В.

Таким образом, режим работы транзистора определяется следующими параметрами:

- напряжение покоя коллектора: Uкэо=6 В;

- ток покоя коллектора: Iко=40 мА;

- ток покоя базы: Iбо=0.135 мА;

- напряжение покоя базы: Uбо=0.71 В;

- Амплитуда тока базы: Iбм=0.47 мА;

- Амплитуда напряжения на коллекторе: Uкэм=1.7 В;

- Амплитуда тока коллектора: Iкм=120 мА;

- Амплитуда напряжения на базе: Uбм=0.74 В.

Задав режим работы транзистора, переходим к расчету элементов схемы модулятора (рисунок 6.4). Здесь транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а полупроводниковый лазер находится в цепи коллектора.

Падение напряжения в эмиттерной цепи должно удовлетворять условию:

где Еп – напряжение питания модулятора.

Зададимся стандартным напряжением питания Еп=12 В, тогда:

Сопротивление Rэ рассчитывается по формуле:

Ток делителя Iд должен не менее, чем в шесть раз превосходить ток покоя базы Iбо:

Соотношение между напряжением на эмиттерном сопротивлении и сопротивлении фильтра можно распределить по-разному. Для обеспечения более глубокой стабилизациирежима лучше взять URэ ≥ Uф.

Пусть:

Тогда сопротивление фильтра определяется следующим образом:

Падение напряжения на сопротивлении делителя Rб’’ равно сумме падения напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера и напряжении смещения на базе транзистора:

Тогда сопротивление делителя Rб’’:

Аналогично найдём сопротивление Rб’:

Для схемы с эмиттерной стабилизацией напряжение питания распределяется между тремя резисторами выходной цепи (Rэ, Rк, Rф), лазерным излучателем и транзистором:

,где Uд = 2 В – падение напряжения на полупроводниковом лазере;

URф – падение напряжения на сопротивлении в цепи коллектора.

Осюда:

Тогда сопротивление в цепи коллектора равно:

6.4. Расчет согласующего усилителя

Здесь в качестве усилительного элемента предполагается использовать быстродействующий операционный усилитель, включенный по схеме преобразователя напряжение – ток (известной так же в качестве усилителя с комплексной крутизной передачи). Схема согласующего усилителя представлена на рисунке 6.1 (функциональная группа СУС). Резистор R5, отбирающий ток, предназначен для обеспечения обратной связи на положительный входной зажим.

Значение сопротивления R5, определяется исходя из следующего условия:

,где Rн – сопротивление нагрузки усилителя.

Сопротивлением нагрузки усилителя является входное сопротивление прямого модулятора и равно параллельному соединению сопротивлений делителя Rд (из двух параллельно соединённых сопротивлений в цепи базы

Rб’ и Rб’’) и входного сопротивления транзистора Rвхэ.

Сопротивление входа транзистора определяется следующим соотношением:

Сопротивление делителя:

Тогда сопротивление нагрузки усилителя равно:

Таким образом, сопротивление R5:

Амплитудное значение падения напряжения на сопротивлении R5:

Требуемый от схемы коэффициент усиления равен отношению амплитуды выходного напряжения (напряжение ΔUR5) к амплитуде входного напряжения. Поскольку на вход согласующего усилителя сигнал поступает с преобразователя кода, собранного на микросхемах серии ТТЛ с уровнями логического нуля и единицы соответственно 0.7 и 5 В, то амплитуда входного сигнала составит ΔUвх=5-0.7=4.3 В.

Тогда коэффициент усиления схемы сотавит:

Обычно номиналы резисторов R1, R3 и R4 выбираются одинаковыми, при этом каждый из них должен превышать сопротивление R5 не менее чем в 20 раз.

Примем в соответствии с этим условием следующие значения сопротивлений:

Сопротивление R2 задаёт коэффициент усиления схемы и определяется следующим образом:

В настоящее время создан ряд быстродействующих операционных усилителей (ОУ). Наилучшими качествами с точки зрения автора обладает операционный усилитель КР140УД11. Данный прибор выполнен по планарно-эпитаксиальной технологии с изолированным p-n переходом, имеет скорость нарастания выходного напряжения 50 В/мкс и частоту единичного усиления 15 МГц. Кроме того, за счёт оригинальной схемы ОУ отличается высокой стабильностью параметров во всём диапазоне питающих напряжений от ±5 до ±16 В.

Быстродействующие усилители менее устойчивы по сравнению с универсальными ОУ, поэтому для предотвращения генерации с схеме необходимо уменьшить паразитную ёмкость между выходом ОУ и его инвертирующим входом. Для уменьшения указанной ёмкости применяют внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решает операционный усилитель. В нашем случае будем использовать стандартную схему частотной коррекции, предназначенную для увеличения скорости нарастания выходного напряжения.