ВЧ – и СВЧ – УСИЛИТЕЛИ

Усилители ВЧ и СВЧ, или генераторы с внешним возбуждением (ГВВ), на маломощных биполярных транзисторах работают с отсечкой или без отсечки тока в диапазоне частот от 30 МГц до 100…1000 МГц. На этих частотах для маломощных биполярных транзисторов можно не учитывать потери в материале коллектора и сопротивление эмиттера, а для частот до 100 МГц индуктивности выводов.

Рис. 6.1. Схема маломощного ВЧ – усилителя с ОЭ

 

Схема маломощного ВЧ – усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ приведена на рис. 6.1. Входная цепь согласования С1, С2, L3 в виде П – цепочки обеспечивает возбуждение усилителя гармоническим напряжением. Элементы Lбл1, Сбл1 и Lбл2, Сбл2 – фильтры в цепях смещения и коллекторного питания. Потенциометрический делитель R1, R2 предназначен для подачи положительного смещения на базу транзистора. Сопротивление Rэ (небольшой величины, единицы Ом) обеспечивает устойчивость усилителя, его подбором можно корректировать коэффициент усиления мощности. Емкость Ср – разделительная. П – контур С3, С4, L4 осуществляет согласование нагрузочного сопротивления транзистора с потребителем и подавление гармоник.

Приводимая ниже методика расчета применима к биполярным транзисторам с мощностью на выходе от 1мВт до 1 Вт. Коэффициент их полезного действия составляет (50…70)%.

Транзисторные ВЧ – усилители применяются в промежуточных каскадах передатчиков. Например, в качестве буферного каскада для развязки кварцевого генератора от более мощных каскадов передатчика.

Методика расчета маломощных транзисторных усилителей или генераторов с внешним возбуждением (ГВВ) основана на следующих допущениях:

1. Возбуждение транзистора осуществляется от генератора гармонического напряжения, при этом напряжение на входе транзистора гармоническое.

2. Интервал рабочих частот удовлетворяет условию , где f – частота входного колебания; - граничная частота в схеме с ОЭ.

3. Напряжение на коллекторе – гармоническое.

Маломощный усилитель частоты по схеме с ОЭ имеет отрицательную обратную связь через емкость коллекторного перехода , которая стабилизирует работу каскада и повышает его устойчивость. Коэффициент усиления по мощности частоты достаточно высок и составляет десятки раз.

Маломощные транзисторные усилители целесообразно выполнять по схеме с ОЭ. Для снижения коэффициента усиления мощности, если в этом есть необходимость, можно включать небольшое активное сопротивление (порядка нескольких Ом) в цепь эмиттера или цепь базы транзистора.

Ниже рассматривается расчет маломощного ВЧ – усилителя на биполярном транзисторе на заданную мощность при его включении по схеме с ОЭ [1].

 

РАСЧЕТ МАЛОМОЩНОГО ВЧ – УСИЛИТЕЛЯ НА ТРАНЗИСТОРЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ.

 

Исходные данные.

1. Выходная мощность .

2. Режим работы – критический.

3. Высокочастотный угол отсечки коллекторного тока .

4. Частота сигнала f.

5. Параметры транзистора (см. банк данных в программе расчета).

 

РАСЧЕТ ВЫХОДНОГО УСИЛИТЕЛЯ.

 

1. Коэффициенты гармоник и коэффициент формы тока вычисляем в соответствии с формулами (4.1) разд. 4. Для их вычисления можно также воспользоваться таблицами [1].

2. Режим работы выбираем критическим. Коэффициент использования транзистора по напряжению источника питания

где коэффициент первой гармоники тока транзистора; крутизна линии критического режима; напряжение источника питания.

3. Напряжение на нагрузке

4. Амплитуда первой гармоники тока коллектора

5. Сопротивление нагрузки усилителя

6. Амплитуда импульса тока коллектора

7. Постоянная составляющая коллекторного тока

8. Потребляемая мощность

9. Коэффициент полезного действия

10. Мощность, рассеиваемая в транзисторе в виде тепла:

где, допустимая мощность рассеяния, вычисляемая по допустимой температуре перехода транзистора , температуре корпуса транзистора и тепловому сопротивлению перехода / корпус транзистора :

;

где, температура окружающей среды.

 

ВЫЧИСЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА

 

1. Крутизна по переходу

где, температура перехода, ; амплитуда первой гармоники тока коллектора.

2. Сопротивление рекомбинации неосновных носителей в базе , статическая крутизна транзистора S, диффузионная емкость эмиттерного перехода и постоянная времени открытого эмиттерного перехода рассчитываются по формулам (2.2) – (2.5) разд. 2.

3. Частота, на которой крутизна транзистора уменьшается до 0,7 от S

.

4. Фазовый аргумент крутизны на частоте равен .

5. Комплексный коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ

6. Постоянная времени рекомбинации неосновных носителей в базе .

7. Фазовый аргумент комплексного коэффициента усиления тока в схеме с ОЭ

.

8. Комплексная крутизна транзистора

где, нормированная частота.

9. Комплексная крутизна транзистора для тока первой гармоники

где r w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> задержка полученного в результате аппроксимации максимума импульса тока транзистора относительно ВЧ – напряжения на входе; коэффициент при первой гармонической составляющей тока транзистора.

10. Комплексная крутизна транзистора для первой гармоники тока базы

.

11. Барьерная емкость закрытого коллекторного перехода

,

где активная и пассивная емкость коллекторного перехода.

12. Постоянная времени закрытого коллекторного перехода

,

где сопротивление тела базы.

 

ВЫЧИСЛЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО УГЛА ОТСЕЧКИ И

ФАЗОВОГО СДВИГА, ВНОСИМОГО ТРАНЗИСТОРОМ

 

Вычисление низкочастотного угла отсечки и фазового сдвига , вносимого транзистором, для первой гармоники тока коллектора производится по заданному высокочастотному углу отсечки и фазовому аргументу (см. постоянную времени , для открытого эмиттерного перехода (2.5). Вычисление проводим в результате решения системы уравнений

,

которые составлены исходя из выполнения двух условий.

1. Равенство нулю производной напряжения на переходе

где напряжение отсечки тока транзистора.

2. Равенство максимальных значений импульсов тока коллектора реального и полученного в результате аппроксимации отрезком косинусоиды.

Для нахождения корней и системы уравнений используем итерационный алгоритм, реализованный на ЭВМ:

где J – якобиан преобразования:

производные от функций F и G:

 

РАСЧЕТ ВХОДНОЙ ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ

 

Расчет проводится с использованием системы Y – параметров транзистора для выбранного режима работы, в соответствии с которыми комплексные амплитуды токов и напряжений на входе и выходе:

,

1. Комплексная амплитуда напряжения возбуждения

где комплексная амплитуда первой гармоники тока коллектора

2. Комплексная амплитуда напряжения на нагрузке

3. Комплексная амплитуда первой гармоники тока базы

4. Мощность возбуждения

5. Входное сопротивление (последовательный эквивалент) и входная проводимость (параллельный эквивалент) для первой гармоники тока

6. Комплексная амплитуда управляющего напряжения на входе (с учетом обратной связи через коллекторный переход)

7. Напряжение смещения

8. Коэффициент усиления мощности