Название: Устройства генерирования и формирования сигналов - учебное пособие (Г.А. Дегтярь)

Жанр: Технические

Просмотров: 1042


4. выбор транзистора и методики расчета транзисторного усилителя мощности

 

При разработке транзисторного усилителя мощности (УМ) первым делом необходимо подобрать подходящие транзисторы, а затем подходящие методики расчета. Последнее очень важно, т.к. в противном случае будет выполнен формальный расчет режима транзистора, и рассчитанные параметры будут существенно отличаться от практических результатов.

Выбор транзистора для выходного (оконечного) каскада УМ осуществляется на основании заданной мощности P~Н в полезной нагрузке и рабочей частоты f (или диапазона рабочих частот fМИН…fМАКС) УМ.

При разработке УМ на биполярном транзисторе рекомендуется, чтобы рабочая частота УМ, в случае диапазонного или полосового УМ его нижняя рабочая частота, составляла не менее 20…30\% от граничной рабочей частоты транзистора fГР, независимо от схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) или с общей базой (ОБ). При этом верхняя рабочая частота УМ при включении транзистора с ОЭ  обычно принимается не превышающей fГР и (2…3)fГР при включении транзистора с ОБ. Как известно,

,

где - коэффициент передачи транзистора по току в схеме с ОЭ при частоте (обозначается часто как ); - граничная частота, на которой модуль коэффициента передачи по току в схеме ОЭ уменьшается в  раз по сравнению со значением на частоте .

Для большинства мощных генераторных транзисторов значение коэффициента передачи по току в схеме ОЭ оказывается порядка 15…30. В таких пределах рекомендуется также принимать значение этого коэффициента, если в справочных данных на транзистор оно отсутствует. При указанных значениях коэффициента передачи по току в схеме ОЭ с учетом сказанного выше относительно соотношения между нижней рабочей частотой УМ и граничной частотой транзистора fГР получаем:

.                                (4.1)

Согласно последнему соотношению нижняя рабочая частота транзисторного УМ не должна быть меньше .

Выходная (паспортная) колебательная мощность транзистора для УМ должна удовлетворять условию

,                                                            (4.2)

где  - КПД цепи согласования, через которую полезная нагрузка УМ, имеющая в общем случае комплексный характер

,

подключается к транзистору. КПД цепи согласования учитывает потери колебательной мощности в ней.

Если разрабатываемый УМ является выходным каскадом радиопередатчика, то при выборе транзистора по мощности правую часть (4.2) следует увеличить в 1,05…1,1 раза, обеспечивая этим так называемый производственный запас по мощности транзистора. Не следует выбирать транзистор на мощность в 2 и более раз превышающую требуемую для УМ, так как в этом случае коэффициент усиления по мощности УМ и КПД коллекторной цепи окажутся довольно низкими. Если мощность транзистора существенно превышает требуемую для разрабатываемого УМ, следует понижать рабочее напряжение питания транзистора по сравнению с номинальным (паспортным) значением. Следует иметь в виду, что снижение рабочего напряжения питания коллектора транзистора понижает его граничную частоту.

Выбрав транзистор, подходящий по мощности и частоте, определяют возможное значение коэффициента усиления УМ, выполненного на этом транзисторе, на рабочей частоте

,                             (4.3)

где КР ТИП, fТИП, ЕК ТИП, РТИП – соответственно, коэффициент усиления по мощности в так называемом типовом режиме на соответствующей частоте при типовом напряжении питания коллектора при обеспечении транзистором соответствующей мощности (приводятся в паспортных данных на транзистор); f - рабочая частота; ЕК – принимаемое напряжение питания коллектора транзистора в рабочем режиме (как и ЕК ТИП, значение ЕК не может превышать номинального значения напряжения питания коллектора, указываемого в справочных данных на транзистор); Р - необходимая выходная мощность, которую должен обеспечить транзистор, определяемая правой частью (4.2). При этом полезно учитывать, что при любой схеме включения транзистора его максимальная выходная мощность на нижней рабочей частоте, соответствующей (4.1), может приблизительно в 2 раза превышать мощность на верхней частотной границе.

Выражение (4.3) считается пригодным на частотах , т.е., начиная с нижней рабочей частоты УМ (4.1).

Верхняя частотная граница применения транзистора в УМ соответствует снижению малосигнального коэффициента усиления по мощности КР приблизительно до 2…3. При меньших значениях КР применение транзистора лишено смысла. Если принять, что верхняя рабочая частота при включении транзистора по схеме ОЭ равна fГР, то можно считать, что на этой частоте значение КР в любом случае не будет превышать 2…3. На частоте в 3…4 раза меньше fГР, что примерно соответствует нижней рабочей частоте транзистора в УМ (4.1), коэффициент усиления по мощности возрастает примерно на порядок и составляет 20…30.

Сказанное выше позволяет оценить возможные параметры транзистора в части выходной колебательной мощности и интервала рабочих частот в УМ, исходя из известных значений КР ТИП и fТИП.

Если намеченный к применению транзистор на рабочей частоте разрабатываемого УМ предположительно обладает КР > 30, следует попробовать подобрать другой транзистор с меньшим значением граничной частоты, который при той же мощности будет дешевле и несколько надежнее. Значения КР не выше 25…30 следует принимать по соображениям устойчивости УМ к самовозбуждению.

Согласно (4.3), чем выше рабочая частота, тем меньше значение КР, и наоборот, чем меньше рабочая частота, тем выше возможное значение КР. При разработке УМ следует определить возможные значения КР на краях рабочего диапазона частот. Значение КР на нижней рабочей частоте важно для оценки устойчивости УМ к самовозбуждению, тогда как значение КР на верхней рабочей частоте необходимо учитывать при выборе транзистора для каскада – возбудителя разрабатываемого УМ. В случае узкополосного УМ можно оценивать возможное значение КР на средней рабочей частоте fСР, определяемой как  или .

Определив возможное значение КР выбранного для выходного (оконечного) каскада УМ транзистора на верхней (или средней) рабочей частоте, можно найти ожидаемое значение мощности возбуждения транзистора:

.

Исходя из этой мощности и рабочей частоты (диапазона рабочих частот) подбирается транзистор для каскада, являющегося источником сигнала возбуждения оконечного (выходного) каскада УМ. Выбор транзистора осуществляется, как и для выходного каскада.

Такой подход к выбору транзисторов для каскадов УМ лежит в основе разработки структурной схемы многокаскадного радиопередатчика (см. п. 2).

Выбрав транзистор для соответствующего каскада УМ, необходимо взять из справочника (паспортных данных) все доступные данные на транзистор, кроме уже использованных КР ТИП и fТИП, которые потребуются для выбора подходящей методики расчета каскада УМ и выполнения самих расчетов.

Если индуктивности вводов базы LБ и ввода эмиттера LЭ практически отсутствуют или пренебрежимо малы, в частности, если , где  - сопротивление тела базы; - круговая рабочая частота УМ (при работе в диапазоне или полосе частот ), и внешние индуктивности к указанным электродам транзистора не будут присоединяться, то сопротивлением индуктивностей вводов электродов транзистора можно пренебречь, и расчет режима транзистора можно проводить, исходя из условия возбуждения его от источника напряжения [1], [5]. Если  и, тем более, если , что может иметь место на высоких рабочих частотах, а также при добавлении внешних индуктивностей к электродам, например, к базе в схеме с ОЭ за счет входной цепи согласования, то в этом случае надо выбирать методику расчета режима транзистора, исходя из условия возбуждения его от источника тока [1], [2], [5]. По соответствующей методике рассчитываются напряжения и токи, мощности, сопротивление нагрузки, которую необходимо подключить к внешним электродам транзистора для обеспечения рассчитанного режима его работы. Найденное сопротивление внешней нагрузки используется для расчета цепи согласования на выходе транзистора. У выходного (оконечного) каскада эта цепь обеспечивает подключение полезной нагрузки  к транзистору. Входное сопротивление транзистора используется при расчете его входной цепи согласования.