Методики расчета каскадов модуля

3. Методики расчета каскадов модуля

3.1. Методика расчета РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА МОЩНОГО СВЧ УСИЛИТЕЛЯ мощности

Рассматриваемая методика может быть использована для расчета режима мощного транзистора усилителя, работающего на частотах порядка сотен мегагерц, и позволяет получить параметры режима, достаточно близкие к экспериментальным. На значениях частоты 1… 3 ГГц погрешность расчета возрастает из-за использования упрощенной эквивалентной схемы транзистора и недостаточной точности при определении ее параметров. В диапазоне частот выше 3 ГГц эти недостатки проявляются еще более резко. На режим начинает оказывать сильное влияние даже сравнительно небольшой разброс значений индуктивностей выводов и емкостей корпуса, а также многочисленные паразитные связи в конструкции транзистора. Эти обстоятельства ограничивают верхний частотный предел применимости рассматриваемой методики.

В методике расчета используется эквивалентная схема, дополненная некоторыми элементами, существенными для диапазона СВЧ.

Параметры эквивалентной схемы транзистора зависят от протекающих токов и приложенных напряжений. Однако обычно считают, что в выбранном режиме транзистора параметры схемы будут постоянными в пределах каждой области работы: рабочей области (К — замкнут) и области отсечки (К — разомкнут). Параметры эквивалентной схемы приводятся в справочных данных, а наименования их даны в разделе “Обозначения” пособия [1]. Некоторые параметры, которые отсутствуют в справочниках, можно оценить по формулам:

Сд=Сэ+Сдиф; Ск=Ска+Скп; ; τк=rб Ска; ;

; ; .

При усреднении Sп ток iк рекомендуется принять равным половине высоты импульса коллекторного тока iк max или амплитуде его первой гармоники, которая в типичных режимах близка к 0,5iк max. Емкость Ск определяют при выбранном напряжении Uк0. На частотах сопротивление r слабо шунтирует емкости и им можно пренебречь. Неравенство определяет нижнюю частотную границу проводимого анализа. При расчете принимают, что в диапазоне СВЧ входной ток мощных транзисторов оказывается близким к гармоническому за счет подавления высших гармоник индуктивностью входного электрода. Форма коллекторного напряжения принимается гармонической. Поэтому далее будем полагать, что входной ток и коллекторное напряжение не содержат высших гармоник и эквивалентный генератор тока Sп (Uп-U') нагружен на диссипативное сопротивление. Расчет производим для граничного режима работы транзистора.

Эквивалентная схема усилителя ОЭ для токов и напряжений первой гармоники показана на рис. 3. В схеме ОЭ при диссипативной нагрузке будут отрицательные обратные связи через Lэ и .

Рис. 3. Эквивалентная схема усилителя ОЭ для токов и напряжений первой гармоники

Для обеспечения устойчивого режима применяют специальные меры, например, включение rдоп в цепь эмиттера или нейтрализацию Lб включением емкости в базовую цепь. Можно использовать выходное сопротивление моста делителя, если усилитель построен по балансной схеме. Сопротивление rвх1 с ростом мощности уменьшается (до долей ом), xвх1 вблизи верхней частотной границы имеет индуктивный характер из-за Lб и Lэ и значительно больше rвх1. Коэффициент усиления обратно пропорционален квадрату частоты. Поэтому, если известно из справочных данных, что транзистор на частоте f ' имеет коэффициент усиления , то на некоторой, более низкой рабочей частоте f, его коэффициент усиления можно оценить примерно как , т. е. если , то Kр будет в четыре раза больше . В схеме ОЭ при верхняя рабочая частота fв не превышает fгр.

Тип транзистора выбирают по заданной выходной мощности Pвых1 на рабочей частоте f, определяют схему включения транзистора, пользуясь справочными данными транзистора. Часто схема включения транзистора определяется его конструкцией, в которой с корпусом соединяется один из электродов (эмиттер, база). При выборе типа транзистора можно ориентироваться на данные экспериментального типового режима. Рекомендуется использовать СВЧ-транзисторы на мощность не менее , указанной в справочнике. Сильное недоиспользование транзистора приводит к снижению его усилительных свойств. Интервал частот fв… fн включает и для схемы ОЭ. Применение транзистора, имеющего fн выше рабочей, позволяет получить более высокое усиление, но при этом увеличивается вероятность самовозбуждения усилителя и понижается его надежность.

Схема ОБ характерна для транзисторов, работающих на f >1 ГГц. Транзисторы, имеющие два вывода эмиттера (для уменьшения Lэ), следует включать по схеме ОЭ. Для оценки параметров эквивалентной схемы можно использовать следующие данные:  нГн (для OЭ Lобщ=Lэ), Lк и входного вывода — в несколько раз больше. , , . Параметр h21э в расчетах не критичен, для приборов на основе кремния, , где Pвых1 и Uк0 соответствуют рабочему режиму (например, экспериментальные данные). Если требуемая мощность Pвых1 близка к той, которую может отдать транзистор, то Uк0 берется стандартным. При недоиспользовании транзистора по мощности целесообразно снижать Uк0, для повышения надежности. Например, если требуемая Pвых1 на 30-40% меньше (мощности в типовом режиме), то Uк0 можно уменьшить на 20-30% по сравнению со стандартным. Однако при снижении Uк0 вдвое по сравнению со стандартным частота fгр уменьшается на 5… 15%, а емкость Ск увеличивается на 20... 25%.

Напряжение смещения Uб0 часто выбирается нулевым. При этом угол отсечки будет близок к 80… 90°, при котором соотношение между Pвых1, ηэ, Kр близко к оптимальному. Кроме того, в этом случае отсутствует цепь смещения, что упрощает схему усилителя и не требует затрат мощности на осуществление смещения. В отношении Sгр надо иметь в виду, что перед расчетом ее следует уточнить, используя условие

(для схемы ОЭ — 0,7; для схемы ОБ — 0,8).

При этом Pвых1 и Uк0 берутся для выбранного транзистора. При невыполнении этого условия можно несколько увеличить Sгр (на 10… 15%).

Предлагаемая методика расчета исходит не из Pвых1, а из мощности Рг, развиваемой эквивалентным генератором тока iг. Мощность Рг в схеме ОЭ следует взять на 10-20% меньше, чем требуемая Pвых1, которая имеет приращение из-за прямого прохождения части входной мощности. На f>frp в схеме ОБ Рг берется на 25... 50% выше Pвых1, на f<frp эта доля меньше.

К начальным параметрам расчета относится температура корпуса транзистора. Ее можно задать как Тк=Тс+(10… 20) °С с учетом перегрева радиатора относительно окружающей среды.

Если после проведения расчета на значения , f ' в типовом режиме Kр отличается от справочного значения не более, чем на , то можно считать, что параметры эквивалентной схемы, принятые в расчете, оценены правильно. Если модуль пикового напряжения , то это означает, что значение емкости Сэ занижено. Для удобства расчета исходные данные целесообразно свести в таблицу в следующем порядке:

Pвых1, Bт;

Pг, Bт;

f, МГц;

fгр, МГц;

Uкэ доп, В;

Uкб доп, В;

Uбэ доп, В;

U', В;

Uв0, В;

Uк0, В;

Sгр, А/В;

Rпк, °С/Вт;

Тп, °С;

Тк, °С;

h21э;

Cк, пФ;

Cкп, пФ;

Cэ, пФ;

rб, Ом;

rэ, Ом;

rк, Ом;

Lб, нГн;

Lк, нГн;

Lэ, нГн;

Pк доп, Вт

Приводимый ниже порядок расчета граничного режима работы при Uв0=0 может быть использован для включения транзистора как по схеме ОЭ, так и по схеме ОБ. Там, где формулы расчета для схем ОЭ и ОБ отличаются, будет сделана пометка “ОЭ” или “ОБ”. Все расчеты проводятся в системе СИ.

1. Напряженность ξгр режима:

.

2. Амплитуда напряжения и тока первой гармоники эквивалентного генератора:

.

3. Пиковое напряжение на коллекторе:

Uк пик = Uк0+Uг1<Uкэ доп.

При невыполнении неравенства следует изменить режим или выбрать другой тип транзистора.

4. Параметры транзистора:

; ; .

5. Находим значения параметров А и В:

, , где .

С помощью графика A(γ1) на рис. 4 определяем коэффициент разложения γ1(θ). Ηатем по табл. 3.1. [1] для найденного γ1(θ) ξпределяем значения, θ, cos(θ) θ коэффициент формы g1(θ).

Похожие работы

Проектирование модуля АФАР

Скачать

13918

0

0

... АФАР дециметрового диапазона волн на полупроводниковых приборах, построенные на основе транзисторного усилителя мощности и последующего умножителя частоты, имеют генераторную часть. Обычно при проектировании генераторной части модуля АФАР с умножением частоты бывают заданы Pвых, fвых, fвх, а также значение Pвх. В результате проектирования определяется число умножительных и усилительных каскадов в ...

Основы радиосвязи

Скачать

65484

0

33

... если направления векторов  и  в пространстве могут быть определены в любой момент времени. Если же направления  и  изменяются во времени случайным образом, то волна называется неполяризованной. Для радиосвязи естественно использовать поляризованные волны, что даёт возможность эффективного приёма радиосигналов при известном законе изменения  и  в пространстве. Виды поляризации различаются законом ...