Проектирование индуктивной трёхточки на транзисторе с индуктированным n-каналом

Введение

Очень важное значение в радиоэлектронике имеют колебательные системы, генерирующие электромагнитные колебания. Такую систему, или устройство с самовозбуждением, называют динамической системой, преобразующей энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих колебаний, причём основные характеристики колебаний (амплитуда, частота, форма колебаний, гармонический состав и т.д.) определяется , в основном, параметрами самой системы. Процесс получения сигналов требуемой формы и частоты называют генерированием электрических колебаний. С точки зрения математических моделей колебательные системы разделяют на линейные и нелинейные, автономные и неавтономные. Особый класс представляют автоколебательные системы или автогенераторы.

В радиопередатчиках систем связи автогенераторы применяют часто в качестве каскадов, создающие электромагнитные колебания несущей частоты (рис.1). Основное требование – это высокая стабильность генерируемой частоты и КПД. В СВЧ-диапазоне автогенераторы зачастую используют в качестве выходных каскадов передатчиков. Требования к таким автогенераторам аналогичны требованиям к усилителям мощности – обеспечение мощных колебаний при высоком КПД , выходной мощности и стабильности частоты.

1. Выбор схемы для проектирования

Выберем за основу для проектирования LC-генератора Хартлея на МОП транзисторе с индуцированным каналом схему на рис.1

Введём нагрузочный резистор в цепь стока и уберём микрофон и антенну. Полученная схема приведена на рис.2.

Рис.2 Схема для проектирования генератора.

В выбранной схеме рис.2 сопротивление R1 является времязадающим для плавности наростания напряжения параллельного колебательного контура , который состоит из конденсаторов С1 С2, варикапа VD1 и индуктивной катушки L с тремя выводами (на схеме показаны две идуктивности). Варикап также обеспечивает развязку контура по постоянному току.

2. Подбор активного элемента – МОП транзистора для генератора

МОП транзистор должен быть высокочастотным

f_max >12 МГц

Максимальный ток стока транзистора определим, учитывая что транзистор в открытом состоянии имеет падение напряжения примерно 1В:

Ic = (E_n-1) / R_H т.е. Ic = 11 / 300 =37 мА (1)

Также максимальная мощность транзистора определяется из выражения:

P_max = Ic * E_n = 37 *12 =444 мВт (2)

Напряжение сток исток:

U_СИ >12B;

По этим параметрам подбираем высокочастотный МОП транзистор фирмы Philips типа BSD214. Его параметры:

f_max =15 МГц ;

Мощность Р =1,2Вт;

Пороговое напряжения U_3И=1B;

Допустимое напряжение сток-исток транзистора U_СИдоп =25В;

Допустимое напряжение сток-затвор транзистора U_СЗдоп =30В;

Допустимое напряжение затвор-исток транзистора U_ЗИдоп =30В;

Максимальный ток стока транзистора I_доп=50мА.

Данный тип транзистора работает только в режиме обогащения канала при малом пороговом напряжении и большом резонансном напряжении контура, поэтому можно считать режим его работы ключевым.

3. Расчёт спектра выходного сигнала генератора

Т.к. режим работы транзистора ключевой, малое пороговое напряжение и синусоидальное напряжение колебательного контура имеет амплитуду выше Еn>12B, то

скважность следования импульсов будет равна S=2 , форма выходного сигнала будут прямоугольные импульсы с периодом следования:

Т = 1 / f_P = 1/ 12000000 = 83нс (3)

Время следования импульса:

t_и=T / S = 83/2 = 41,5 нс (4)

Т.к. транзистор в открытом состоянии имеет падение напряжения примерно 1В, то выходное напряжение будет как на рис.3.

U, B

Рис.3 Напряжение на нагрузке в установившемся режиме генератора.

Максимальное напряжение в нагрузочном резисторе U_m = E_n = 12B, а минимальное равно примерно падению напряжения на открытом транзисторе U_min = 1,0B.

Определим ширину спектра сигнала и найдём значение постоянной составляющей по формуле:

 (5)

Амплитуда первой, основной, гармоники f=12МГц будет:

U_m1= (2U_m/sin (1 / S) = (2*12/3.14) * sin(1*3.14/2) = 7,64 В (6)

Амплитуда второй гармоники f=2*12=24 МГц и других чётных равны нулю.

Амплитуда третей гармоники f=3*12=36 МГц будет:

U_m3(2U_m/3sin (3* / S) = (2*12/(3*3.14)) * sin(3*3.14/2) =2,55 В (7)

Амплитуда пятой гармоники f=5*12=60 МГц будет:

U_m4= (2U_m/5sin (5* / S) = (2*12/(5*3.14)) * sin(5*3.14/2) =1,53 В (8)

Амплитуда седьмой гармоники f=7*12=84 МГц будет:

U_m7= (2U_m/7sin (7* / S) = (2*12/(7*3.14)) * sin(7*3.14/2) =1,09 В (9)

Амплитуда девятой гармоники f=9*12=108 МГц будет:

U_m7= (2U_m/7sin (7* / S) = (2*12/(9*3.14)) * sin(9*3.14/2) =0,85 В (10)

По результатам расчётов построим диаграмму, показывающую ширину спектра выходного сигнала на нагрузочном резисторе генератора (рис.4).

Рис.4.