|
Рефераты Главная Краткое содержаниепроизведений Архитектура Астрономия Банковское делои кредитование Безопасностьжизнедеятельности Биографии Биология Биржевое дело Бухгалтерия и аудит Военное дело География Геодезия Геология Гражданская оборона Животные Здоровье Земельное право Иностранные языкилингвистика Искусство Историческая личность История История отечественногогосударства и права История политичискихучений История техники Компьютерные сети Компьютеры ЭВМ Криминалистика икриминология Культурология Литература Литература языковедение Маркетинг товароведениереклама Математика Материаловедение Медицина Медицина здоровье отдых Менеджмент (теорияуправления и организации) Металлургия Москвоведение Музыка Наука и техника Нотариат Общениеэтика семья брак Педагогика Право Программированиебазы данных Программное обеспечение Промышленностьсельское хозяйство Психология Радиоэлектроникакомпьютеры и перифирийные устройства Реклама Религия Сексология Социология Теория государства и права Технология Физика Физкультура и спорт Философия Финансовое право Химия - рефераты Хозяйственное право Ценный бумаги Экологическое право Экология Экономика Экономикапредпринимательство Юридическая психология |
Методичка: Расчет корректирующих цепей широкополосных усилительных каскадов на биполярных транзисторахРАСЧЕТ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ ШИРОКОПОЛОСНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НАБИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ titov_aa@rk.tusur.ru Цель работы – получение законченных аналитических выражений для расчета коэффициента усиления, полосы пропускания и значений элементов корректирующих цепей наиболее известных и эффективных схемных решений построения усилительных каскадов на биполярных транзисторах (БТ). Основные результаты работы – вывод и представление в удобном для проектирования виде расчетных соотношений для усилительных каскадов с простой индуктивной и истоковой коррекциями, с четырехполюсными диссипативными межкаскадными корректирующими цепями четвертого порядков, для входной и выходной корректирующих цепей. Для всех схемных решений построения усилительных каскадов на БТ приведены примеры расчета. ВВЕДЕНИЕ В теории усилителей нет достаточно обоснованных доказательств преимущества использования того либо иного схемного решения при разработке конкретного усилительного устройства. В этой связи проектирование широкополосных усилителей во многом основано на интуиции и опыте разработчика. При этом, разные разработчики, чаще всего, по-разному решают поставленные перед ними задачи, достигая требуемых результатов. Данная работа предназначена для начинающих разработчиков широкополосных усилителей и содержит: наиболее известные и эффективные схемные решения построения широкополосных усилительных каскадов на БТ; соотношения для их расчета по заданным требованиям; примеры расчета. Поскольку, как правило, широкополосные усилители работают в стандартном 50 либо 75-омном тракте, соотношения для расчета даны исходя из условий, что оконечные каскады усилителей работают на чисто резистивную нагрузку, а входные каскады усилителей работают от чисто резистивного сопротивления генератора. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА В соответствии с [1, 2, 3], приведенные ниже соотношения для расчета усилительных каскадов основаны на использовании эквивалентной схемы замещения транзистора приведенной на рисунке 1.1, либо на использовании его однонаправленной модели [2, 3] приведенной на рисунке 1.2. Рисунок 1.1 - Эквивалентная схема Джиаколетто Рисунок 1.2 - Однонаправленная модель Значения элементов схемы Джиаколетто могут быть рассчитаны по паспортным данным транзистора по следующим формулам [1]: =3 - для планарных кремниевых транзисторов, =4 - для остальных транзисторов, ; - ток эмиттера в рабочей точке в миллиамперах. следует пересчитать по формуле [1] , . оказываются много меньше проводимости нагрузки усилительных каскадов, в расчетах они обычно не учитываются. Элементы схемы замещения приведенной на рисунке 1.2 могут быть рассчитаны по следующим эмпирическим формулам [4]: , - предельное значение постоянного тока коллектора. - коэффициент усиления транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования [2], равный: (1.1) - текущая частота. 2 РАСЧЕТ НЕКОРРЕКТИРОВАННОГО КАСКАДА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ 2.1 ОКОНЕЧНЫЙ КАСКАД - сопротивление в цепи коллектора. Рисунок 2.1 - Схема оконечного некорректированного каскада. При отсутствии реактивности нагрузки, полоса пропускания каскада определяется параметрами транзистора. В соответствии с [1] коэффициент усиления каскада в области верхних частот можно описать выражением: , ; (1.2) (1.3) ; (1.4) ; (1.5) . При заданном уровне частотных искажений , полосы пропускания каскада равна: . (1.6) Входное сопротивление каскада может быть аппроксимировано параллельной RC цепью [1]: ; (1.7) (1.8) =10. =126 Ом. 2.2 ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД - входное сопротивление и входная емкость нагружающего каскада. Рисунок 2.2 - Схема промежуточного некорректированного каскада. В соответствии с [1] коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением: , (1.9) (1.10) . (1.11) каскада рассчитываются по формулам (1.6), (1.7), (1.8). - из примера 1. =196 пФ. 3 РАСЧЕТ КАСКАДА С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ИНДУКТИВНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ 3.1 ОКОНЕЧНЫЙ КАСКАД Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 3.1. Рисунок 3.1 - Схема оконечного каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией. равном , (1.12) описывается выражением , ; (1.13) ; 1.14) ; (1.15) (1.16) определяются выражениями (1.4) и (1.5). каскада равна: . (1.17) каскада рассчитываются по формулам (1.7), (1.8). =50 Ом. =126 Ом. 3.2 ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 3.2. Рисунок 3.2 - Схема промежуточного каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией равном , (1.18) определяется выражением: ; (1.19) ; (1.20) ; (1.21) , (1.22) каскада рассчитываются по формулам (1.17), (1.7), (1.8). - из примера 3. =126 Ом. 4 РАСЧЕТ КАСКАДА С ЭМИТТЕРНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ 4.1 ОКОНЕЧНЫЙ КАСКАД Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 4.1. Рисунок 4.1. Схема оконечного каскада с эмиттерной коррекцией соответствующими оптимальной по Брауде АЧХ, описывается выражением , (1.23) ; ; (1.24) - глубина ООС; (1.25) ; (1.26) ; (1.27) (1.28) определяется выражением . (1.29) в (1.23) можно получить: , (1.30) . Входное сопротивление каскада с эмиттерной коррекцией может быть аппроксимировано параллельной RC-цепью [1]. ; (1.31) . (1.32) = 50 Ом. = 600 Ом. 4.2 ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 1.10. Рисунок 4.2. Схема промежуточного каскада с эмиттерной коррекцией определяется из соотношения: , (1.33) . . =300 Ом (предполагается, что нагрузкой данного каскада является входное сопротивление каскада рассчитанного в примере 5, а в коллекторе транзистора стоит резистор с номиналом 600 Ом. =3590 Ом. 5 КОРРЕКЦИЯ ИСКАЖЕНИЙ ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ 5.1 РАСЧЕТ ИСКАЖЕНИЙ ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ - внутреннее сопротивление источника сигнала. Рисунок 5.1. Схема входной цепи некорректированного каскада При условии аппроксимации входного сопротивления каскада параллельной RC-цепью, коэффициент передачи входной цепи в области верхних частот описывается выражением [1]: , (1.34) ; (1.35) ; ; входной цепи рассчитывается по формуле (1.6). =0,9. =11 МГц. 5.2 РАСЧЕТ ВХОДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ Из приведенных выше примеров расчета видно, что наибольшие искажения АЧХ обусловлены входной цепью. Для расширения полосы пропускания входных цепей в [5] предложено использовать схему, приведенную на рисунке 5.2. Рисунок 5.2. Схема коррекции входной цепи , соответствующей оптимальной по Брауде АЧХ, модуль коэффициента передачи входной цепи описывается выражением: , ; (1.42) ; ; ; ; (1.43) - входное сопротивление и входная емкость каскада. входной цепи равна: , (1.44) . =0,9. каскада оказывается равной 50 МГц. 5.3 РАСЧЕТ КАСКАДА С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Для исключения потерь в усилении, обусловленных использованием входной корректирующей цепи (см. раздел 5.2), в качестве входного каскада может быть использован каскад с параллельной ООС, схема которого приведена на рисунке 5.3. - входные сопротивление и емкость нагружающего каскада Рисунок 5.3 Схема каскада с параллельной ООС =0. В этом случае коэффициент усиления каскада в области верхних частот определяется выражением: , (1.45) ; (1.46) ; . каскада равна: , (1.47) . . . В этом случае коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением: , (1.48) ; ; ; ; Оптимальная по Брауде АЧХ достигается при условии: . (1.50) уравнения: ,(1.51) . равна: . (1.52) =44 пФ). =122 МГц. 6 СОГЛАСОВАННЫЕ КАСКАДЫ С ОБРАТНЫМИ СВЯЗЯМИ 6.1 РАСЧЕТ КАСКАДА С КОМБИНИРОВАННОЙ ООС Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 6.1 [6]. Рисунок 6.1 Схема каскада с комбинированной ООС Достоинством схемы является то, что при условиях: (1.53) (0,7. Поэтому практически отсутствует взаимное влияние каскадов друг на друга при их каскадировании [6]. При выполнении условий (1.53), коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением: , (1.54) ; (1.55) ; ; ; . определяется выражением: . (1.56) каскада равна: , (1.57) . , что следует учитывать при выборе рабочей точки транзистора. =3. =95 МГц. 6.2 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ С ПЕРЕКРЕСТНЫМИ ООС Схема усилительных каскадов по переменному току приведена на рисунке 6.2 [9]. Рисунок 6.2 Схема усилительных каскадов с перекрестными ООС По идеологии построения рассматриваемая схема похожа на усилитель, в котором использованы каскады с комбинированной ООС. Однако при заданном коэффициенте усиления схема обладает большей полосой пропускания, которая практически не сокращается при увеличении числа каскадов, что объясняется комплексным характером обратной связи на высоких частотах. Также как и каскад с комбинированной ООС схема оказывается согласованной по входу и выходу с КСВН не более 1,5 и 1,3 соответственно, при условиях [9, 10]: (1.60) При выполнении условий (1.60) и при пренебрежении величинами второго порядка малости, коэффициент усиления двухтранзисторного варианта усилителя изображенного на рисунке 6.2 описывается выражением: ; (1.61) ; (1.62) ; ; ; (1.63) ; ; - текущая частота; . двухтранзисторного варианта усилителя равна: , (1.64) . практически не меняется и может быть рассчитана по эмпирической зависимости , - верхняя частота полосы пропускания двухтранзисторного варианта усилителя, рассчитываемая по формуле (1.66). раз, и общий коэффициент усиления, в этом случае, равен: . Для повышения выходной мощности рассматриваемого усилителя можно воспользоваться его модифицированной схемой приведенной на рисунке 6.3 [11]. Рисунок 6.3 Схема усилителя с повышенной выходной мощностью. Для схемы приведенной на рисунке 6.3 справедливы все соотношения приведенные выше, однако она имеет вдвое большую величину выходной мощности благодаря параллельному включению выходных транзисторов [9 =10. =191 Ом. 6.3 РАСЧЕТ КАСКАДА СО СЛОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЙ Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 6.4 [10]. Рисунок 6.4 Схема каскада со сложением напряжений При условии: (1.67) =0,7. Это следует учитывать при расчете рабочих точек рассматриваемого и предоконечного каскадов. При выполнении условия (1.67) коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением: , ; ; ; ; . по формулам [12]: ; (1.68) , (1.69) определяется из соотношения: . (1.70) =0,9. =478 МГц. 7 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ С ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНЫМИ КОРРЕКТИРУЮЩИМИ ЦЕПЯМИ 7.1 РАСЧЕТ ВЫХОДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ В рассматриваемых выше усилительных каскадах расширение полосы пропускания было связано с потерей части выходной мощности в резисторах корректирующих цепей, либо цепей ООС. Этого недостатка лишены усилители, построенные по принципу последовательного соединения корректирующих цепей (КЦ) и усилительных элементов [2]. Пример построения такой схемы усилителя по переменному току приведен на рисунке 7.1. Рисунок 7.1 Схема усилителя с корректирующими цепями При этом расчеты входных, выходных и межкаскадных КЦ ведутся с использованием эквивалентной схемы замещения транзистора приведенной на рисунке 1.2. Из теории усилителей известно [3], что для получения максимальной выходной мощности в заданной полосе частот необходимо реализовать ощущаемое сопротивление нагрузки, для внутреннего генератора транзистора, равное постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Это можно реализовать, включив выходную емкость транзистора (см. рисунок 1.2) в фильтр нижних частот, используемый в качестве выходной КЦ. Схема включения выходной КЦ приведена на рисунке 7.2. Рисунок 7.2 Схема выходной корректирующей цепи | ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора равен [3]: , (1.71) - текущая круговая частота. , составляет величину: , (1.72) ; . . Таблица 7.1 Нормированные значения выходной КЦ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,180 0,382 0,547 0,682 0,788 0,099 0,195 0,285 0,367 0,443 0,000 0,002 0,006 0,013 0,024 1,000 1,001 1,002 1,010 1,020 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,865 0,917 0,949 0,963 0,966 0,513 0,579 0,642 0,704 0,753 0,037 0,053 0,071 0,091 0,111 1,036 1,059 1,086 1,117 1,153 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 0,958 0,944 0.927 0,904 0,882 0,823 0,881 0,940 0,998 1,056 0,131 0,153 0,174 0,195 0,215 1,193 1,238 1,284 1,332 1,383 1,6 1,7 1,8 1,9 0,858 0,833 0,808 0,783 1,115 1,173 1,233 1,292 0,235 0,255 0,273 0,292 1,437 1,490 1,548 1,605 Истинные значения элементов рассчитываются по формулам (1.73) при использовании КЦ и без нее. , составляет 1,57 раза, а при ее использовании - 1,025 раза. 7.2 РАСЧЕТ КАСКАДА С РЕАКТИВНОЙ МЕЖКАСКАДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА Схема каскада по переменному току приведена на рисунке 7.3 [4, 14]. Рисунок 7.3 Каскад с межкаскадной корректирующей цепью третьего порядка Используя однонаправленную эквивалентную схему замещения транзистора, схему (рисунок 7.3) можно представить в виде приведенном на рисунке 7.4. Рисунок 7.4 Эквивалентная схема каскада Согласно [2, 14], коэффициент прямой передачи каскада на транзисторе Т2, при условии использования выходной КЦ, равен: , (1.80) ; ; . рассчитываются по формулам [4]: (1.81) ; ; ; ; ; ; ; , , . , соответствующие различной неравномерности АЧХ, приведены в таблице 3. Таблица 3 , рассчитываемый по формуле: . (1.82) принимается равным нулю. , истинные значения элементов находятся из соотношений: . (1.83) =260 МГц. =35,6 нГн. 8 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЕЙ С ЧАСТОТНО-РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫМИ ЦЕПЯМИ При разработке усилителей с рабочими частотами от нуля либо единиц килогерц до единиц гигагерц возникает проблема совмещения схемных решений построения низкочастотных и сверхвысокочастотных усилителей. Например, использование больших значений разделительных конденсаторов и дросселей питания для уменьшения нижней граничной частоты, связано с появлением некорректируемых паразитных резонансов в области сверхвысоких частот. Этого недостатка можно избежать, используя частотно-разделительные цепи (ЧРЦ). Наибольший интерес представляет схема усилителя с ЧРЦ, предназначенного для усиления как периодических, так и импульсных сигналов [15,16,17]. Схема усилителя с ЧРЦ приведена на рисунке 8.1. 1 - первый канальный усилитель 2 - второй канальный усилитель Рисунок 8.1 Схема усилителя с ЧРЦ , усилитель с ЧРЦ оказывается согласованным по входу и выходу. , то дополнительным необходимым условием построения усилителя с ЧРЦ является требование: . (1.84) В этом случае расчет усилителя с ЧРЦ сводится к следующему. выбираются из условий: . (1.85) из соотношения: , (1.86) - входное сопротивление второго канального усилителя. Значения элементов ЧРЦ рассчитываются по формулам: (1.87) =50 Ом. =2,5 мкГн. Список использованных источников Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Связь. 1977 г. Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. - М.: Сов. радио. 1980 г. Широкополосные радиопередающие устройства /Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А.; Под ред. О.В. Алексеева.- М.: Связь. 1978 г. Титов А.А., Бабак Л.И., Черкашин М.В. Расчет межкаскадной согласующей цепи транзисторного полосового усилителя мощности //Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 2000 Вып. 1. Ангелов И., Стоев И., Уршев А. Широкополосный малошумящий усилитель для диапазона 0,7-2 ГГц //ПТЭ. 1985. № 3. Никифоров В.В., Терентьев С.Ю. Синтез цепей коррекции широкополосных усилителей мощности с применением методов нелинейного программирования. - Сб. статей. Полупроводниковая электроника в технике связи. Выпуск 26. /Под ред. И.Ф. Николаевского. - М.: Радио и связь. 1986 г. Эгенштафер Ф. Электроника. 1971. т.44. № 16. Мелихов С.В., Колесов И.А. Влияние нагружающих обратных связей на уровень выходного сигнала усилительных каскадов. - Сб. статей. Широкополосные усилители. Выпуск 4. - Томск: Изд-во Том. ун-та. 1975 г. Титов А.А. Упрощенный расчет широкополосного усилителя. //Радиотехника. 1979. № 6. Абрамов Ф.Г., Волков Ю.А., Вонсовский Н.Н. и др. Согласованный широкополосный усилитель. //ПТЭ. 1984. № 2. Якушевич Г.Н., Мозгалев И.А. Широкополосный каскад со сложением выходных токов транзисторов. - Сб. статей. Радиоэлектронные устройства СВЧ./Под ред. А.А. Кузьмина. - Томск: Изд-во Том. ун-та. 1992 г. Бабак Л.И. Анализ широкополосного усилителя по схеме со сложением напряжений. - Сб. статей. Наносекундные и субнаносекундные усилители. /Под ред. И.А. Суслова. - Томск: Изд-во Том. ун-та. 1976. Дьячко А.Н., Бабак Л.И. Расчет сверхширокополосного усилительного каскада с заданными частотными и временными характеристиками. //Радиотехника. 1988. № 10. Бабак Л.И., Дергунов С.А. Расчет цепей коррекции сверхширокополосных транзисторных усилителей мощности СВЧ.- Сб. статей. Радиотехнические методы и средства измерений. - Томск: Изд-во Том.ун-та. 1985 г. Ильюшенко В.Н., Титов А.А. Многоканальные импульсные устройства с частотным разделением каналов. //Радиотехника, 1991. № 1. Пикосекундная импульсная техника. /В.Н. Ильюшенко, Б.И. Авдоченко, В.Ю. Баранов и др. /Под ред. В.Н. Ильюшенко.- М.: Энергоатомиздат. 1993 г. Авторское свидетельство № 1653128 СССР, МКИ НОЗF 1/42. Широкополосный усилитель /В.Н. Ильюшенко, А.А. Титов //Открытия, Изобретения, 1991, №20. |
|