Усилитель мощности

1. Определение числа каскадов

Так как на одном каскаде невозможно реализовать усиление 36,9дБ, то для того, чтобы обеспечить такой коэффициент усиления, используем сложение каскадов. Считаем, что каждый каскад в среднем даёт 13,3дБ, и так как необходимо получить36,9, то:

Таким образом, число каскадов равно трем.

2. Распределение искажений на ВЧ

По заданию, допустимые искажения АЧХ, вносимые данным устройством, равны 4дБ. Так как используем 3 каскада, то допустимые искажения АЧХ, вносимые одним каскадом, равны 1,33дБ.

3. Расчёт оконечного каскада

3.1. Расчет рабочей точки

1). Возьмём сопротивление коллектора равное сопротивлению нагрузки (R _к= R _н).

Согласно закону Ома:

U _вых= I _вых R _н (1)

Отсюда найдём ток на выходе каскада:

I _вых= U _вых / R _н=5/10=0,5 А. (2)

Выходная мощность: Вт

Рис.13 Схема оконечного некорректированного каскада.

Ток на коллекторе транзистора определяется из выражения:

А (3)

Вместо сопротивления коллектора поставим дроссель

В данном случае Е _п= U _кэ0=12 В, так как на коллекторе нет активного сопротивления.

I _к0× R _н=0,55×10=5,5 В.

Рассчитаем мощность:

P _потр=0,55×12=6,6 Вт

P _рас=0,55×12=6,6 Вт.

3.2. Выбор транзистора

Выбор транзистора осуществляется исходя из условий:

I _к.доп >1,2× I _к0

U _кэ.доп >1,2× U _кэ0

P _к.доп >1,2× P _к0

f _т»3¼10× f _в,

где индекс “доп” означает максимально допустимое значение,

I _к – ток коллектора,

U _кэ – напряжение между коллектором и эмиттером,

P _к – мощность, рассеиваемая на коллекторе,

f _в – верхняя частота.

Подставим численные значения:

I _к.доп >0,66 А

U _кэ.доп >14,4 В

P _к.доп >7,92 Вт

f _т»32,5¼33 МГц

Исходя из этих требований, выберем в качестве выходного транзистора транзистор КТ973А. Электрические параметры транзистора КТ973А:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (типовое значение):

b =113

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ при U_кэ =36В, I_к =600мА:

f _Т=200МГц

Ёмкость коллекторного перехода при U_кб =12В:

С_Uкэ =3,9пФ

Постоянная времени цепи ОС на ВЧ при U_к =20В, I_э =45мА, f =40МГц:

t_с =4,6пФ

Предельные эксплуатационные данные транзистора КТ973А:

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора

Р_к =4Вт

Рабочая точка:

I _к0=0,55 А

U _кэ0=12 В

E _п=12 В

3.3. Расчёт эквивалентных схем транзистора

В данном пункте рассчитывается эквивалентная схема транзистора, низкочастотная - схема Джиаколетто.

1). Схема Джиаколетто [2]

а). Сначала найдём С _{u кэ} , чтобы найти R _б.

Ф.

Теперь найдём R _б по формуле:

(4)

Подставим численные значения:

Ом.

Ом ^-1.

б). Сопротивление эмиттера

Ом. (5)

Здесь I _э – в мА.

в). Проводимость база-эмиттер

Ом ^-1. (6)

г). Ёмкость эмиттерного перехода

Ф. (7)

д). Крутизна

(8)

(9)

е). Проводимость

Ом. (10)

ж). Емкость коллектора

Ф.

Элементы схемы Джиаколетто:

g _б= Ом^-1

g _бэ= Ом^-1

g _i=3,3×10^-3 Ом^-1

C _э=4,5 нФ

С _к=3,9 пФ

Рис.14 Эквивалентная схема Джиаколетто

3.4. Расчет цепей питания и термостабилизации

1). Эмиттерная термостабилизация [4]

Найдём мощность, рассеиваемую на R _э:

Рабочая точка: I _к0=0,55 А

U _кэ0=12 В

Для эффективной термостабилизации падение напряжения на R_э должно быть порядка 3-5В. Возьмём U_э =5В. Тогда мощность, рассеиваемая на R_э определяемая выражением (2.16), равна:

P _Rэ= I _к0× U _э=0,55×5=2,75 Вт. (11)

Рис.15 Схема оконечного каскада с эмиттерной термостабилизацией

Найдём необходимое Е_п для данной схемы:

Е _п= U_{R э}+ U _кэ0+ U_{R к}=5+12+0=17 В. (12)

Рассчитаем R_э, R_б1, R_б2:

Ом, (13)

мА, (14)

ток базового делителя:

I_д= 10× I_б= 48 мА, (15)

Ом, (16)

Ом. (17)

Найдём L_к, исходя из условий, что на нижней частоте полосы пропускания её сопротивление много больше сопротивления нагрузки. В нашем случае:

мкГн. (18)

3.5. Расчёт выходной корректирующей цепи

Рис.16 Выходная корректирующая цепь

Нормировка элементов производится по формулам (19):

, (19)

где R_нор и w_нор – сопротивление и частота, относительно которых производится нормировка,

L, C, R – значения нормируемых элементов

L_н, C_н, R_н – нормированные значения.

Нормируем С_вых (относительно R_н и w_в) в соответствии с (19)

С_выхН = С_вых×R_н×w_в =5,1×10^-12×40×2p×7,1×10⁶=22,74*10^-6

В таблице 7.1 [4] находим нормированные значения L₁ и С₁, соответствующие найденному С_выхН. Ближайшее значение С_выхН= 0,285, ему соответствуют:

С_1Н= 0,3

L_1Н =0,547

n =1,002.

Денормирование элементов производится по следующим формулам:

(20)

По (20) разнормируем С_1Н и L_1Н:

мкГн,

пФ.

Найдём ощущаемое сопротивление транзистора:

R_ощ=R_н/n =10/1,002=9,98 Ом (21)

Найдём коэффициент усиления выходного каскада:

(22)

где R_вх.н – входное сопротивление оконечного транзистора, нормированное относительно выходного сопротивления предоконечного транзистора,

G_ном12 – коэффициент усиления транзистора, находится по формуле (2.41)

, (23)

f_мах – максимальная частота транзистора,

f_в – верхняя частота заданной полосы пропускания.

Подставим в формулу (2.40), и получим:

раз = 11дБ.

4. Выбор предоконечного транзистора

Электрические параметры транзистора КТ973А:

Коэффициент усиления по мощности при U_кэ =28В, Т_к £40°С, на частоте f =200 МГц при Р_вых =20Вт:

G_ном1,2 =2

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при U_кэ =5В, I_э =200мА (типовое значение):

b =40

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ при U_кэ =12В, I_к =55мА:

f _Т=200МГц

Ёмкость коллекторного перехода при U_кб =28В:

С_Uкэ =3,9пФ

Подставив в формулу (23) справочные значения коэффициента усиления и верхней частоты транзистора, найдём максимальную частоту:

,

где f_вТР – граничная частота транзистора.

Таким образом f_мах = 200×10⁶=282 МГц

Подставив в формулу (23) найденное значение максимальной частоты и верхнюю частоту заданной полосы, найдём усиление:

Найдём выходное сопротивление транзистора (R_вых):

U _кб=55 В, I _к=400 мА

Ом.

5. Расчёт предоконечного каскада

5.1. Расчёт рабочей точки

Рабочая точка для этого транзистора имеет такое же напряжение, но ток меньше, чем у предоконечного каскада в ‘коэффициент усиления оконечного каскада’ раз.

U_кэ0 =12 В,

мА.

Таким образом рабочая точка: I _к0=43 мА

U _кэ0=12 В

, Ом

.

5.2. Эмиттерная термостабилизация

Возьмём напряжение на эмиттере равным U _э=2 В.

В соответствии с формулой (11), мощность, рассеиваемая на R_э равна

P _Rэ=43× ×2=86 мВт.

По формулам (13)-(17) рассчитаем R_э, R_б1, R_б2:

Ом,

мкА,

ток базового делителя: I_д= 10× I_б= 110мкА,

Ом,

Ом.

Аналогично, как и для предыдущего каскада найдём L_к:

мкГн.

раз=17,3дБ

6. Выбор входного транзистора

Электрические параметры транзистора 2Т205:

Коэффициент усиления по мощности при U_кэ =250В, Т_к £40°С, на частоте f =20 МГц при Р_вых =20Вт:

G_ном1,2 =2

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при U_кэ =5В, I_э =5,5мА (типовое значение):

b =40

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ при U_кэ =12В, I_к =55мА:

f _Т=20МГц

Подставив в формулу (23) справочные значения коэффициента усиления и верхней частоты транзистора, найдём максимальную частоту:

,

где f_вТР – граничная частота транзистора.

Таким образом f_мах = 20×10⁶=28,2 МГц

Подставив в формулу (23) найденное значение максимальной частоты и верхнюю частоту заданной полосы, найдём усиление:

Найдём выходное сопротивление транзистора (R_вых):

U _кб=55 В, I _к=400 мА

Ом.

6* Расчёт входного каскада

6.1. Расчёт рабочей точки

Рабочая точка для этого транзистора имеет такое же напряжение, но ток меньше, чем у предоконечного каскада в ‘коэффициент усиления предоконечного каскада’ раз.

U_кэ0 =12 В,

мА.

Таким образом рабочая точка: I _к0=0,1 А

U _кэ0=12 В

, Ом

.

6.2. Эмиттерная термостабилизация

Возьмём напряжение на эмиттере равным U _э=2 В.

В соответствии с формулой (11), мощность, рассеиваемая на R_э равна

P _Rэ=1× ×2=2 мВт.

По формулам (13)-(17) рассчитаем R_э, R_б1, R_б2:

Ом,

мА,

ток базового делителя: I_д= 10× I_б= 0,028мА,

Ом,

Ом.

Аналогично, как и для предыдущего каскада найдём L_к:

мкГн.

раз=9,23дБ.

7. Расчёт блокировочных конденсаторов

Найдём искажения, вносимые разделительными и блокировочными конденсаторами [4]:

дБ=1,1 раз.

Искажения, вносимые каждым конденсатором:

По заданным искажениям найдём блокировочные конденсаторы (в нашем случае С_эi), исходя из формулы:

, (24)

где S – крутизна соответствующего транзистора,

R_эi – сопротивление эмиттера (схема термостабилизации) для соответствующего транзистора.

Подставляя численные значения в (2.45), получим:

мкФ,

нФ,

нФ.

Коэффициент усиления всего усилителя:

раз = 37,5дБ.

Рис. 17 Усилитель мощности, электрическая схема