Реферат: Расчет корректирующих цепей широкополосных усилительных каскадов на полевых транзисторах
Название: Расчет корректирующих цепей широкополосных усилительных каскадов на полевых транзисторах Раздел: Рефераты по радиоэлектронике Тип: реферат | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 полевых транзисторах (ПТ). 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 второго и четвертого порядков, для входной и выходной корректирующих цепей. Для усилительного каскада с межкаскадной корректирующей цепью четвертого порядка приведена методика расчета, позволяющая реализовать заданный наклон его амплитудно-частотной характеристики с заданной точностью. Для всех схемных решений построения усилительных каскадов на ПТ приведены примеры расчета. 1 ВВЕДЕНИЕ Расчет элементов высокочастотной коррекции является неотъемлемой частью процесса проектирования усилительных устройств. В известной литературе материал, посвященный этой проблеме, не всегда представлен в удобном для проектирования виде. В этой связи в статье собраны наиболее известные и эффективные схемные решения построения широкополосных усилительных устройств на ПТ, а соотношения для расчета коэффициента усиления, полосы пропускания и значений элементов корректирующих цепей даны без выводов. Ссылки на литературу позволяют найти, при необходимости, доказательства справедливости приведенных соотношений. Особо следует отметить, что в справочной литературе по отечественным ПТ [1, 2] не приводятся значения элементов эквивалентной схемы замещения ПТ. Поэтому при расчетах следует пользоваться параметрами зарубежных аналогов [2, 3] либо осуществлять проектирование на зарубежной элементной базе [3]. 2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ В соответствии с [4, 5, 6], предлагаемые ниже соотношения для расчета усилительных каскадов на ПТ основаны на использовании эквивалентной схемы замещения транзистора, приведенной на рисунке 2.1,а, и полученной на её основе однонаправленной модели, приведенной на рисунке 2.1,б.
Рисунок 2.1 Здесь СЗИ – емкость затвор-исход, СЗС – емкость затвор-сток, ССИ – емкость сток-исток, RВЫХ – сопротивление сток-исток, S – крутизна ПТ, СВХ =.CЗИ +СЗС (1+SRЭ ), RЭ =RВЫХ RН /(RВЫХ +RН ), RН – сопротивление нагрузки каскада на ПТ, CВЫХ =ССИ +СЗС . 3 РАСЧЕТ НЕКОРРЕКТИРОВАННОГО КАСКАДА С ОБЩИМ ИСТОКОМ 3.1 ОКОНЕЧНЫЙ КАСКАД Принципиальная схема некорректированного усилительного каскада приведена на рисунке 3.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 3.1,б.
Рисунок 3.1 В соответствии с [6], коэффициент усиления каскада в области верхних частот можно описать выражением: , (3.1) где ; (3.2) ; (3.3) ; (3.4) ; (3.5) ; - текущая круговая частота. При заданном уровне частотных искажений
верхняя частота fВ полосы пропускания каскада равна:
где Входное сопротивление каскада на ПТ, без учета цепей смещения, определяется входной емкостью: . (3.8) Пример 3.1. Рассчитать fB , RC , CВХ каскада, приведенного на рисунке 3.1, при использовании транзистора КП907Б (СЗИ =20 пФ; СЗС =5 пФ; ССИ =12 пФ; RВЫХ =150 Ом; S=200 мА/В [7]) и условий: RН =50 Ом; YB =0,9; K0 =4. Решение.
По известным K0
и S из (3.2) найдем: RЭ
=20 Ом. Зная RВЫХ
, RН
и RЭ
, из (3.3) определим: RС
= 43 Ом. По (3.4) и (3.5) рассчитаем: С0
=17 пФ; = 3.2 ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД Принципиальная схема каскада приведена на рисунке 3.2,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 3.2,б.
Рисунок 3.2 Коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается выражением (3.1), в котором значения RЭ и С0 рассчитываются по формулам: ; (3.9) , (3.10) где СВХ – входная емкость нагружающего каскада. Значения fB и СВХ каскада рассчитываются по соотношениям (3.7) и (3.8). Пример 3.2. Рассчитать fB , RC , CВХ каскада, приведенного на рисунке 3.2, при использовании транзистора КП907Б (данные транзистора в примере 3.1) и условий: YB =0.9; K0 =4; входная емкость нагружающего каскада - из примера 3.1. Решение.
По известным K0
и S из (3.2) найдем: RЭ
=20 Ом. Зная RЭ
и RВЫХ
, из (3.9) определим: RC
=23 Ом. По (3.10) и (3.4) рассчитаем С0
=62 пФ; = 3.3 РАСЧЕТ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рисунке 3.3,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 3.3,б.
Рисунок 3.3 Коэффициент передачи входной цепи в области верхних частот описывается выражением [6]: , где ; (3.11) ; (3.12) ; СВХ – входная емкость каскада на ПТ. Значение fB входной цепи рассчитывается по формуле (3.7). Пример 3.3. Рассчитать K0 и fB входной цепи, приведенной на рисунке 3.3, при условиях : RГ =50 Ом; RЗ =1 МОм; YB =0,9; CВХ – из примера 3.1. Решение.
По (3.11) найдем: K0
=1, по (3.12) определим: = 4 РАСЧЕТ КАСКАДА С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ИНДУКТИВНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ Принципиальная схема каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией приведена на рисунке 4.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 4.1,б.
Рисунок 4.1 Коэффициент усиления каскада в области верхних частот можно описать выражением [6]: , где K0 =SRЭ ; (4.1) ; ; ; ; ; . Значение , соответствующее оптимальной по Брауде амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) [6], рассчитывается по формуле: . (4.2) При заданном значении YB верхняя частота полосы пропускания каскада равна: . (4.3) Входная емкость каскада определяется соотношением (3.8). При работе каскада в качестве предоконечного все перечисленные выше соотношения справедливы. Однако RЭ , R0 и С0 принимаются равными: , (4.4) где СВХ – входная емкость оконечного каскада. Пример 4.1. Рассчитать fB , LC , RC , CВХ каскада, приведенного на рисунке 4.1, при использовании транзистора КП907Б (данные транзистора - в примере 3.1) и условий: YB =0,9; K0 =4; каскад работает в качестве предоконечного; входная емкость нагружающего каскада - из примера 3.1. Решение.
По известным K0
и S из (4.1) найдем: RЭ
=20 Ом. Далее по (4.4) получим: RC
=23 Ом; R0
= 150 Ом; C0
=62 пФ; = 5 РАСЧЕТ КАСКАДА С ИСТОКОВОЙ КОРРЕКЦИЕЙПринципиальная схема каскада с истоковой коррекцией приведена на рисунке 5.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 5.1,б.
Рисунок 5.1 Коэффициент усиления каскада в области верхних частот можно описать выражением [6]: , где K0 =SRЭ /F; (5.1) ; (5.2) ; ; ; . Значение С1опт , соответствующее оптимальной по Брауде АЧХ, рассчитывается по формуле: . (5.3) При заданном значении YB верхняя частота полосы пропускания каскада равна: . (5.4) Входная емкость каскада определяется соотношением: . (5.5) При работе каскада в качестве предоконечного все перечисленные выше соотношения справедливы. Однако RЭ и С0 принимаются равными: , (5.6) где СВХ – входная емкость оконечного каскада. Пример 5.1. Рассчитать fB , R1 , С1 , СВХ каскада, приведенного на рисунке 5.1, при использовании транзистора КП907Б (данные транзистора - в примере 3.1) и условий: YB =0,9; K0 =4; каскад работает в качестве предоконечного; входная емкость нагрузочного каскада - из примера 3.1. Решение
. По известным K0
, S, RЭ
из (5.1), (5.2) найдем: F=7,5 ; R1
=32,5 Ом. Далее получим: С0
=62 пФ; = 6 РАСЧЕТ ВХОДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИИз приведенных выше примеров расчета видно, что наибольшие искажения АЧХ обусловлены входной цепью. Для расширения полосы пропускания входных цепей усилителей на ПТ в [8] предложено использовать схему, приведенную на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 Коэффициент передачи входной цепи в области верхних частот можно описать выражением: , где ; (6.1) ; ; ; ; СВХ – входная емкость каскада на ПТ. Значение L3опт , соответствующее оптимальной по Брауде АЧХ, рассчитывается по формуле: . (6.2) При заданном значении YB и расчете LЗопт по (6.2) верхняя частота полосы пропускания входной цепи равна:
Пример 6.1. Рассчитать fB , RЗ , LЗ входной цепи, приведенной на рисунке 6.1, при условиях: YB =0,9; RГ =50 Ом; СВХ – из примера 3.1; допустимое уменьшение К0 за счет введения корректирующей цепи – 2 раза. Решение
. Из условия допустимого уменьшения К0
и соотношения (6.1) найдем: RЗ
=50 Ом. Подставляя известные СВХ
, RГ
и RЗ
в (6.2), получим: LЗопт
=37,5 нГн. Далее определим: = 7 РАСЧЕТ ВЫХОДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ В рассматриваемых выше усилительных каскадах расширение полосы пропускания связано с потерей части выходной мощности в резисторах корректирующих цепей (КЦ) либо цепей обратной связи. От выходных каскадов усилителей требуется, как правило, получение максимально возможной выходной мощности в заданной полосе частот. Из теории усилителей известно [9], что для выполнения указанного требования необходимо реализовать ощущаемое сопротивление нагрузки для внутреннего генератора транзистора равным постоянной величине во всем рабочем диапазоне частот. Этого можно достигнуть, включив выходную емкость транзистора в фильтр нижних частот, используемый в качестве выходной КЦ. Схема включения выходной КЦ приведена на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1 При работе выходного каскада без выходной КЦ модуль коэффициента отражения ощущаемого сопротивления нагрузки внутреннего генератора транзистора равен [9]: . (7.1) Уменьшение выходной мощности относительно максимального значения, обусловленное наличием CВЫХ , составляет величину: , (7.2) где – максимальное значение выходной мощности на частоте при условии равенства нулю СВЫХ ; – максимальное значение выходной мощности на частоте при наличии СВЫХ . Использование фильтра нижних частот в качестве выходной КЦ при одновременном расчете элементов L1 , C1 по методике Фано [9] позволяет обеспечить минимально возможное, соответствующее заданным CВЫХ и fB , значение максимальной величины модуля коэффициента отражения в полосе частот от нуля до fB . В таблице 7.1 приведены нормированные значения элементов L1 , C1 , CВЫХ , рассчитанные по методике Фано, а также коэффициент , определяющий величину ощущаемого сопротивления нагрузки RОЩ , относительно которого вычисляется [9]. Таблица 7.1
Истинные значения элементов рассчитываются по формулам:
Расчет частотных искажений, вносимых выходной цепью оконечного каскада, приведен в разделе 3.1. При использовании выходной КЦ частотные искажения, вносимые выходной цепью, определяются соотношением: . (7.4) Коэффициент усиления каскада с выходной КЦ определяется выражением (3.2). Пример 7.1. Рассчитать выходную КЦ для усилительного каскада на транзисторе КП907Б (данные транзистора - в примере 3.1) при RН =50 Ом, fB =200 МГц. Определить RОЩ , уменьшение выходной мощности на частоте fB и уровень частотных искажений, вносимых выходной цепью при использовании КЦ и без нее. Решение.
Найдем нормированное значение СВЫХ
: = == 1,07. Ближайшее значение коэффициента 8 РАСЧЕТ ДИССИПАТИВНОЙ МЕЖКАСКАДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ ВТОРОГО ПОРЯДКА Принципиальная схема усилителя с межкаскадной КЦ второго порядка приведена на рисунке 8.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 8.1,б. [10].
Рисунок 8.1 Коэффициент усиления каскада на транзисторе T1 в области верхних частот можно описать выражением [11, 12]: , (8.1) где K0 =SRЭ ; (8.2) ; ; ; ; – сопротивление сток-исток транзистора T1
; ; ; ; ; – нормированные относительно и значения элементов , , , , ; =; В таблице 8.1 приведены нормированные значения элементов Таблица 8.1 получена с помощью методики проектирования согласующе-выравнивающих цепей транзисторных усилителей, предполагающей составление и решение системы компонентных уравнений [13], и методики синтеза прототипа передаточной характеристики, обеспечивающего максимальный коэффициент усиления каскада при заданной допустимой неравномерности АЧХ в заданной полосе частот [14]. Таблица 8.1
При известных значениях , , , , расчет межкаскадной КЦ состоит из следующих этапов. Вычисление . Нормирование значения по формуле: . Нахождение по таблице 8.1 ближайшего к вычисленному табличного значения . Определение по таблице 8.1 соответствующих значений При использовании рассматриваемой КЦ в качестве входной принимается равной нулю, принимается равным , а коэффициент передачи входной цепи на средних частотах рассчитывается по формуле (3.11). В случае необходимости построения нормированной частотной характеристики проектируемого усилительного каскада значения , , , Пример 8.1.
Рассчитать межкаскадную КЦ усилительного каскада, приведенного на рисунке 8.1, его и при использовании транзисторов КП907Б (данные транзистора - в примере 3.1) и условий: fB
=100 МГц; входная емкость нагружающего каскада - из примера 3.1; допустимая неравномерность АЧХ - Решение.
По известным , и найдем: = = 10 РАСЧЕТ ДИССИПАТИВНОЙ МЕЖКАСКАДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ ЧЕТВЕРТОГО ПОРЯДКА Принципиальная схема усилителя с межкаскадной корректирующей цепью четвертого порядка [15] приведена на рисунке 9.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 9.1,б.
Рисунок 9.1 Несмотря на то, что КЦ содержит пять корректирующих элементов, конструктивно ее выполнение может оказаться проще выполнения КЦ второго порядка. Коэффициент усиления каскада на транзисторе T1 в области верхних частот можно описать выражением [14]: , (9.1) где ; (9.2) ; ; ; ;
; RВЫХ1 – сопротивление сток-исток транзистора T1 ; СВХ2 – входная емкость транзистора T2 ; , , , , – нормированные относительно и значения элементов L1 , R2 , C3 , C4 , L5 , соответствующие преобразованной схеме КЦ, в которой значение CВЫХ1 равно нулю, а значение СВХ2 равно бесконечности; СВЫХ1 – выходная емкость транзистора T1 ; ; – нормированная частота; – текущая круговая частота; – высшая круговая частота полосы пропускания разрабатываемого усилителя. В таблице 9.1 приведены нормированные значения элементов L1
, R2
, C3
, C4
, L5
, вычисленные для случая реализации усилительного каскада с различным наклоном АЧХ, лежащим в пределах Таблица 9.1 получена с помощью методики проектирования согласующе-выравнивающих цепей транзисторных усилителей, предполагающей составление и решение систем компонентных уравнений [13], и методики синтеза прототипа передаточной характеристики, обеспечивающего максимальный коэффициент усиления каскада при заданной допустимой неравномерности АЧХ в заданной полосе частот [14]. Таблица 9.1
Для расчета нормированных значений элементов L1 , R2 , C3 , C4 , L5 , обеспечивающих заданную форму АЧХ с учетом реальных нормированных значений СВЫХ1 и СВХ2 , следует воспользоваться формулами пересчета [14]:
где СВЫХ1Н
, СВХ2Н
– нормированные относительно RВЫХ1
и При известных значениях При использовании рассматриваемой КЦ в качестве входной СВЫХ1 принимается равной нулю, RВЫХ1 принимается равным RГ , а коэффициент передачи входной цепи на средних частотах рассчитывается по формуле: . (9.4) В случае необходимости построения нормированной частотной характеристики проектируемого усилительного каскада значения Пример 9.1.
Рассчитать межкаскадную КЦ усилителя, приведенного на рисунке 9.1, его K0
и СВХ
при использовании транзистора КП907Б (данные транзистора - в примере 3.1) и условий: fB
=100 МГц; входная емкость нагружающего каскада - из примера 3.1; допустимая неравномерность АЧХ - Решение
. Из таблицы 9.1 для неравномерности АЧХ +
0,5 дБ и наклона АЧХ, равного 0 дБ, имеем: ЛИТЕРАТУРА 1. Перельман Б.Л. Новые транзисторы: Справочник. – М.: Солон, 1996. 2. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. – М.: КУБК-а, 1997. 3. Полевые транзисторы: Справочник. – Faber. STM. Publications, 1997. 4. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. – М.: Радио и связь, 1987. 5. Никифоров В.В., Кулиш Т.Т., Шевнин И.В. К проектированию широкополосных усилителей мощности КВ- УКВ- диапазона на мощных МДП-транзисторах // В сб.: Полупроводниковые приборы в технике связи / Под ред. И.Ф. Николаевского. – М.: Радио и связь. -1993.- Вып. 23. 6. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. – М.: Связь, 1977. 7. Никифоров В.В., Максимчук А.А. Определение элементов эквивалентной схемы мощных МДП-транзисторов // В сб.: Полупроводниковая электроника в технике связи / Под ред. И.Ф. Николаевского. – М.: Радио и связь.- 1985.- Вып. 25. 8. Никифоров В.В., Терентьев С.Ю. Синтез цепей коррекции широкополосных усилителей мощности с применением методов нелинейного программирования // В сб.: Полупроводниковая электроника в технике связи / Под ред. И.Ф. Николаевского. – М.: Радио и связь. - 1986. - Вып. 26. 9. Широкополосные радиопередающие устройства / Алексеев О.В., Головков А.А., Полевой В.В., Соловьев А.А. / Под ред. О.В. Алексеева. – М.: Связь, 1978. 10. Титов А.А., Ильюшенко В.Н., Авдоченко Б.И., Обихвостов В.Д. Широкополосный усилитель мощности для работы на несогласованную нагрузку // ПТЭ. - 1996. - №2. - С.68-69. 11. Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. – М.: Сов. радио, 1980. 12. Бабак Л.И., Дьячко А.Н., Дергунов С.А. Расчет цепей коррекции мощных сверхширокополосных транзисторных СВЧ-усилителей // Полупроводниковая электроника в технике связи /Под ред. И.Ф. Николаевского. – М.: Радио и связь. - 1988. - Вып. 27. 13. Бабак Л.И., Шевцов А.Н., Юсупов Р.Р. Пакет программ автоматизированного расчета транзисторных широкополосных и импульсных УВЧ- и СВЧ-усилителей // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. - 1993. - №3. - С.60-63. 14. Титов А.А. Расчет диссипативной межкаскадной корректирующей цепи широкополосного усилителя мощности // Радиотехника. - 1989. - №2. - С.88-90. 15. Жаворонков В.И., Изгагин Л.Н., Шварц Н.З. Транзисторный усилитель СВЧ с полосой пропускания МГц // Приборы и техника эксперимента. – 1972. - №3. - С.134-135. |