УДК 621.373.14 (075.8)

Г.А. Дегтярь

УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ
И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ

(пособие по курсовой работе)

Издание 3-е, переработанное

Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК
2008

УДК 621.373.14 (075.8)

Д 261

Рецензент канд. техн. наук доц. В.А. Яковенко

Работа подготовлена на кафедре РП и РПУ
для студентов факультета радиотехники,
электроники и физики, обучающихся по направлению
210300 Радиотехника и специальностям
210302 Радиотехника,

210402 Средства связи с подвижными объектами,

210405 Радиосвязь, радиовещание и телевидение

Дегтярь, Г.А.

Д 261 Устройства генерирования и формирования сигналов: учеб. пособие. – 3-е изд., перераб. / Г.А. Дегтярь. – Новосибирск: Изд-во НГТУ. – 2008. – 52 с.

ISBN 978-5-7782-0990-9

Настоящее пособие предназначено, в первую очередь, для студентов, выполняющих курсовую работу по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов» или по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов в системах связи с подвижными объектами», обучающихся на факультете радиотехники, электроники и физики Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) по направлению подготовки бакалавров 210300 Радиотехника и специальностям 210302 Радиотехника и 210402 Средства связи с подвижными объектами. Пособие может также использоваться студентами, обучающимися по специальности 210405 Радиосвязь, радиовещание и телевидение при выполнении курсового проекта по дисциплине «Радиопередающие устройства» и будет полезно при выполнении соответствующих выпускных квалификационных работ бакалавров и дипломных проектов студентами указанных выше направления и специальностей подготовки.

УДК 621.373.14 (075.8)

ISBN 978-5-7782-0990-9 © Дегтярь Г.А., 2008

© Новосибирский государственный
технический университет, 2008

оглавлеНИЕ

1. Требования к курсовой работе........................................................................ 4

2. Расчёт структурной схемы радиопередатчика........................................... 8

3. Выбор транзистора и методики расчёта транзисторного усилителя мощности.. 19

4. Основные соотношения между паспортными параметрами и параметрами эквивалентной схемы биполярного транзистора......................................................................................................................... 24

5. Расчёт параметров реактивных элементов П-контура и его КПД......... 27

6. Расчёт фильтрации колебательной системы генератора с использованием П-контура и звеньев фильтров нижних частот (ФНЧ)............................................................................................................... 38

7. К расчёту параметров элементов П-контура при подключении к нему последовательных контуров, настроенных на гармоники...................................................................................................................... 47

Литература................................................................................................................ 49

1. ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

Учебными планами подготовки бакалавров по направлению 210300 Радиотехника и инженеров по специальностям 210302 Радиотехника, 210402 Средства связи с подвижными объектами по дисциплине «Устройства генерирования и формирования сигналов»[1] предусмотрено выполнение курсовой работы. Курсовая работа выполняется одновременно с теоретическим изучением дисциплины, что требует ответственного отношения студента как к самостоятельной работе над выполнением задания, так и к посещению консультаций и других видов занятий с преподавателем.

Тематика заданий на курсовую работу относится к радиопередающим устройствам, как одной из основных областей практического использования устройств генерирования и формирования сигналов.

Используя учебное пособие[2]: Вовченко П.С., Дегтярь Г.А. Устройства генерирования и формирования сигналов (радиопередающие устройства): учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 76 с., студент выбирает вариант предлагаемого к проектированию радиопередатчика или возбудителя радиопередатчика. Возможен вариант с учётом предложения студента. Выбранный вариант регистрируется у преподавателя – руководителя курсовой работы.

В процессе выполнения курсовой работы студенту надлежит сделать следующее:

1) в соответствии с выбранным вариантом разработать структурную схему радиопередатчика или возбудителя;

2) в соответствии с разработанной структурной схемой выбрать один (любой, по желанию) каскад для расчёта его режима работы и элементов входной и выходной цепей согласования (согласование активного элемента – генераторного прибора с полезной нагрузкой и с источником возбуждения, если таковой должен быть). Произвести с использованием существующих методик расчёт режима выбранного каскада (определить действующие в схеме каскада токи и напряжения, мощности, сделать необходимые проверки) и расчёт элементов входной и выходной цепей согласования, а также элементов цепей питания по постоянному и переменному току. По справочникам выбрать типы подходящих резисторов, конденсаторов и произвести конструктивный расчёт (одной, любой по выбору) катушки индуктивности.

Курсовая работа оформляется в виде расчётно-пояснительной записки на листах формата А4 с титульным листом, на котором размещается примерно посередине листа в две строки текст: Курсовая работа по дисциплине Устройства генерирования и формирования сигналов. Ниже слева: Выполнил студент группы…. (Фамилия, И.,О.), факультет РЭФ; справа: Преподаватель (Фамилия, И.,О.). Внизу страницы проставляется год выполнения работы. Вверху титульного листа помещается текст: Новосибирский государственный технический университет, строкой ниже: Кафедра радиоприёмных и радиопередающих устройств.

Текст записки должен быть чётко написан от руки либо распечатан на принтере или другом печатающем устройстве.

При оформлении числовых расчётов (вычислений) следует указать название рассчитываемого параметра, затем строкой ниже привести используемую расчётную формулу с соответствующими обозначениями входящих в неё величин и ниже дать пояснения, раскрывающие смысл величин, входящих в формулу[3]. После этого привести сам расчёт параметра с подстановкой значений входящих в расчётную формулу величин строго в той последовательности, как они указаны в расчётной формуле. Если определяемый параметр имеет единицу измерения, то в ответе указать, в каких единицах он выражен. Если пояснение величин, входящих в формулу, не требуется, то расчёт выполняется как продолжение расчётной формулы.

ПРИМЕР

1. Коэффициент использования коллекторного напряжения

где Р _вых – колебательная мощность на выходе транзистора; S _кр – крутизна линии критических режимов коллекторного тока транзистора; Е _к – напряжение коллекторного питания.

Подставляя исходные данные: Р _вых = 50·10^–3 Вт; S _кр = 0,05 А/В;
Е _к = 6,5 В, получаем

Если расчёты выполняются на компьютере с использованием специализированных вычислительных программ, то в любом случае расчёты, как и текст записки, должны быть оформлены в формате Word.

2. Амплитуда колебательного напряжения на коллекторе

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

4. Необходимое сопротивление нагрузки в коллекторной цепи транзистора

и т.д.

При оформлении текста все пункты работы, все принимаемые решения должны быть кратко пояснены. Должны быть сделаны ссылки на литературные источники.

Структура записки

1. Введение. Приводится краткий анализ задания (назначение радиопередатчика или возбудителя, технические характеристики и особенности реализации подобных устройств).

2. Разработка структурной схемы радиопередатчика (или возбудителя). Приводятся обоснование, выбор и расчёт структурной схемы. Расчёт структурной схемы обязательно включает выбор активных элементов (генераторных приборов) для каждого каскада и схемы включения активных элементов. Определяется каскад для дальнейшего расчёта. Приводится рассчитанная структурная схема.

3. Расчёт режима (режимов) работы выбранного каскада. По существующим методикам определяются токи и напряжения в цепях каскада, интересующие мощности и делаются необходимые проверки. В генераторах с амплитудной модуляцией (АМ) рассчитываются все характерные режимы.

4. Расчёт элементов входной и выходной цепей согласования и цепей питания по постоянному и переменному токам. Определяются номиналы элементов согласующих цепей (в частности, выходного и входного контуров), блокировочные и разделительные элементы по цепям питания и высокочастотного сигнала.

5. Выбор стандартных элементов для цепей п. 4. По справочникам[4] выбираются подходящие по номиналу, частоте и рабочим напряжениям или допустимым мощностям конденсаторы, резисторы.

6. Конструктивный расчёт катушки индуктивности. Приводится расчёт катушки с требуемой индуктивностью, предназначаемой для работы в рассчитываемом каскаде. Определяются размеры катушки, число витков, размеры сечения провода (в частности, диаметр) и т.п. Оценивается добротность катушки.

7. Полная принципиальная схема рассчитанного каскада. Приводится принципиальная схема рассчитанного каскада, соответствующая принятым решениям, с обозначением всех элементов. Приводится перечень элементов принципиальной схемы.

8. Заключение. Кратко обобщаются результаты расчётов и их соответствие заданию.

9. Литература. Приводится перечень использованных литературных источников, на которые сделаны ссылки по тексту работы. Перечень литературы оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ.

Настоящее пособие предназначено облегчить самостоятельную работу студента по выполнению курсовой работы. В нём рассмотрены расчёт структурной схемы радиопередатчика и выбор активных элементов – генераторных приборов: электронных ламп и транзисторов. При этом основное внимание уделено выбору биполярного транзистора и методики расчёта усилителя мощности на нём. Приведены основные соотношения между паспортными параметрами и параметрами эквивалентной схемы биполярного транзистора, которые используются в расчётных методиках. Рассмотрены возможные подходы к расчёту параметров реактивных элементов П-контура. Рассмотрен также расчёт фильтрации гармоник коллекторного тока транзистора с использованием П-контура и звеньев фильтров нижних частот (ФНЧ) в качестве нагрузки в коллекторной цепи. Приведены некоторые рекомендации по литературе для выполнения курсовой работы. Пособие может также использоваться студентами специальности 210405 Радиосвязь, радиовещание и телевидение при выполнении курсового проекта по дисциплине «Радиопередающие устройства».

Представленные в пособии рекомендации будут полезны при выполнении соответствующих выпускных квалификационных работ бакалавров и дипломных проектов студентами указанных выше направления и специальностей подготовки.

2. РАСЧЁТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
РАДИОПЕРЕДАТЧИКА

Исходными данными для расчёта структурной схемы радиопередатчика являются мощность в полезной нагрузке P_{~ н} и рабочая частота f (диапазон рабочих частот f _мин – f _макс).

Расчёт (разработка) структурной схемы радиопередатчика начинается с выходного каскада, так как именно к нему относятся заданная мощность P_{~ н} и рабочая частота f. Выходной каскад радиопередатчика, как правило, представляет собой усилитель мощности.

При разработке структурной схемы радиопередатчика необходимо выбрать для каждого каскада активный элемент (лампу или транзистор)[5] и схему его включения (общий катод, общая сетка, общий эмиттер, общая база).

Очевидно, номинальная (паспортная) колебательная (выходная) мощность активного элемента должна быть в общем случае, не меньше необходимой мощности в полезной нагрузке P_{~ н}.[6] Так как полезная нагрузка подключается к активному элементу через согласующую цепь, в которой непременно присутствуют сопротивления собственных потерь, обусловливающие потери полезной мощности, то активный элемент для выходного каскада должен выбираться с учётом этих потерь. Потери мощности в цепи согласования учитываются КПД цепи согласования η_ЦС (либо КПД контура η_к, когда цепь согласования эквивалентна колебательному контуру). В выходном каскаде, как самом мощном, стараются реализовать η_ЦС как можно большей величины. Реально достижимые значения η_ЦС зависят от рабочей частоты, мощности каскада и обычно находятся в пределах 0,8…0,95[7]. Поэтому при разработке структурной схемы радиопередатчика для цепи согласования выходного каскада следует принимать значение η_ЦС в указанных выше пределах. Таким образом, с учётом потерь мощности в выходной цепи согласования активного элемента выходной каскад должен развивать колебательную мощность

.

Если полезная нагрузка присоединяется к цепи согласования с помощью фидера, то необходимо также учесть потери мощности в фидере через КПД фидера η_ф. В этом случае

,

где – колебательная мощность, требуемая от активного элемента выходного каскада (ВК) радиопередатчика.

Сразу обратим внимание, что в последующем расчёт режима активного элемента выходного каскада производится исходя из этой мощности, в том числе и с учётом проходной мощности от источника возбуждения.

Активный элемент (АЭ) для выходного каскада выбирается на мощность из условия

,

где k_ПЗ – коэффициент производственного запаса, который рекомендуется выбирать в пределах 1,05…1,1. Чем больше значение k_ПЗ, тем более мощный потребуется элемент, что в ряде случаев затруднит его выбор (не окажется элемента с необходимой мощностью); k – коэффициент, зависящий от вида модуляции: при частотной и фазовой модуляции k = 1; при амплитудной модуляции с коэффициентом модуляции m коэффициент k = (1+m)² при выборе биполярного транзистора и при выборе лампы для генератора с сеточной модуляцией и модуляцией на защитную (третью) сетку; k = (1+m) при выборе лампы для генератора с анодной модуляцией[8].

Не следует выбирать транзистор на мощность, в 2 и более раза превышающую требуемую для выходного каскада, так как в этом случае коэффициент усиления каскада по мощности и КПД коллекторной цепи существенно падают [1]. Если мощность транзистора превышает требуемую на 40 % и более, то целесообразно снижать напряжение питания коллектора по сравнению с номинальным (паспортным) значением.

Рабочая частота активного элемента (лампы или транзистора) не должна быть меньше требуемой рабочей частоты генератора. При этом не следует выбирать более высокочастотный генераторный прибор (лампу или транзистор), чем необходимо по рабочей частоте генератора, так как могут быть практически непреодолимые трудности в реализации схемы и конструкции генератора. Например, к лампе с цилиндрическими или дисковыми выводами электродов, предназначенной для работы на СВЧ, невозможно удобно присоединить сосредоточенные элементы цепей согласования и питания: конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели. В случае транзисторных генераторов при одной и той же нижней рабочей частоте вероятность самовозбуждения генератора возрастает при использовании более высокочастотного транзистора. Кроме того, у ряда транзисторов в корпусе вместе с полупроводниковой структурой изготавливаются ёмкостные элементы, которые будут входить в цепи согласования, подключаемые к транзистору извне, но которые не позволят сконструировать цепи согласования на относительно низкой частоте, когда сопротивления внутренних ёмкостей в корпусе транзистора оказываются большими.

В справочниках по генераторным транзисторам часто указывают интервал рабочих частот, рекомендуемых для данного типа транзисторов. Нижняя рабочая частота обычно рекомендуется не ниже 20…30 % от граничной рабочей частоты транзистора f_гр, а верхняя близка к f_гр при включении транзистора по схеме с общим эмиттером и достигает (2…3) f_гр при включении транзистора по схеме с общей базой. На нижней рабочей частоте указанного интервала для каждой схемы включения транзистора максимальная выходная мощность может приблизительно в 2 раза превышать мощность на верхней частотной границе [1].

Усилитель мощности на биполярном транзисторе при включении по схеме с общей базой чаще всего используется на частотах, начиная с 1 ГГц и выше [1].

После того как выбраны активный элемент и схема включения его в выходном каскаде, осуществляется выбор активного элемента и схема его включения для предвыходного каскада. Обратим внимание, что в выходном каскаде, а при необходимости и в предвыходном каскаде может быть использовано параллельное или двухтактное включение активных элементов либо использован мостовой принцип сложения мощностей. Параллельное, двухтактное включения активных элементов и мостовые схемы в основном используются, когда не удаётся подобрать одиночный активный элемент, способный обеспечить требуемую мощность генератора.

Чтобы выбрать активный элемент для предвыходного каскада, необходимо принять исходя из имеющегося опыта, обобщённого в литературе по проектированию радиопередающих устройств, ожидаемый коэффициент усиления по мощности выходного каскада К_Р. У мощных генераторов на биполярных транзисторах значение К_Р обычно не превышает 5…10 при условии практически полного использования выходной мощности транзистора[9]. В ламповых генераторах значение
К_Р зависит от типа лампы: триод, тетрод, пентод (большие значения К_Р
у пентодов и тетродов), вида модуляции и ряда других факторов, и в мощных каскадах не превышает несколько десятков[10].

Приняв значение коэффициента усиления по мощности для выходного каскада К_{Р ВК}, определяют мощность, которую должен развивать предвыходной каскад (ПВК)

.

Исходя из найденной мощности и рабочей частоты предвыходного каскада, выбирают для него подходящий активный элемент, как это делалось для выходного каскада.

Номинальная (паспортная) колебательная (выходная) мощность активного элемента для предвыходного каскада должна удовлетворять условию

.

Учитывая приближённость принятого значения К_{Р ВК}, при выборе активного элемента для предвыходного каскада не вводят специально запас на потери мощности в цепи согласования (в контуре) предвыходного каскада и производственный запас.

Выбрав активный элемент и схему его включения, принимают ожидаемое значение коэффициента усиления по мощности для предвыходного каскада К_{Р ПВК}.

Соответственно мощность, развиваемая каскадом, стоящим перед предвыходным (назовём его предпредвыходным каскадом – ППВК),

.

Аналогичным путём определяется мощность каскада, предшествующего предпредвыходному каскаду, и т.д. Активный элемент для каждого каскада выбирается из условия, чтобы номинальная (паспортная) колебательная (выходная) мощность элемента была не меньше требуемой от каскада мощности.

Как только требуемая от каскада мощность оказывается ≤ 0,1 Вт, то принимается, что такая мощность будет обеспечена возбудителем, определяющим рабочую частоту передатчика, а иногда и основные параметры модуляции. В случае мощного радиопередатчика при разработке его структурной схемы от возбудителя можно потребовать мощность от 1 до 10 Вт. При выполнении курсовой работы этот вопрос следует обсудить с преподавателем – руководителем курсовой работы.

Часто в радиопередатчиках один каскад и более работают в режиме умножения частоты. В ламповых и транзисторных умножителях частоты ожидаемый коэффициент усиления (также носит название коэффициента передачи) по мощности примерно в n раз, где n – кратность умножения частоты, меньше, чем в усилителе мощности на таком же активном элементе. При использовании умножителей частоты на специальных приборах, в частности, варакторах, ДНЗ (диодах с накоплением заряда), возможное значение коэффициента передачи по мощности при интересующем значении n следует взять из соответствующих литературных источников по проектированию радиопередающих устройств (см., например, [1, 2, 3]).

Мощность умножителя частоты меньше, чем мощность усилителя мощности, поэтому умножители частоты, за редким исключением в диапазоне СВЧ, используются в качестве промежуточных каскадов передатчика, т.е. каскадов, устанавливаемых между выходным каскадом и возбудителем. Применение умножителей частоты позволяет повысить устойчивость работы многокаскадного передатчика, так как у умножителя частоты выходная и входная частоты различаются как минимум в два раза (n = 2)[11]. Поэтому, если по схеме требуется применение умножителей частоты, то следует чередовать усилительные каскады и умножители частоты в многокаскадных устройствах. Применение умножителей частоты позволяет понизить рабочую частоту возбудителя, в простейшем случае представляющего, например, автогенератор стабильных высокочастотных колебаний, или расширить рабочий диапазон частот передатчика при использовании имеющегося

Рис. 2.1

возбудителя. Например, пусть имеется возбудитель, обеспечивающий колебания в диапазоне частот 3…6 МГц. Применяя один каскад удвоения частоты, с помощью такого возбудителя можно обеспечить работу передатчика в диапазоне частот 3…12 МГц (в интервале частот 3…6 МГц вместо умножителя частоты используется усилитель, а для получения частот в интервале 6…12 МГц – удвоитель частоты).

На рис. 2.1 представлен обобщённый пример структурной схемы высокочастотного тракта многокаскадного передатчика. В общем случае в схему рис. 2.1 должны быть добавлены каскады формирования модулирующего сигнала (модуляционное устройство). Отдельные виды модуляции осуществляются непосредственно в возбудителе.

По подобной схеме строится практически любой радиопередатчик, в том числе и при использовании специальных приборов СВЧ (как правило, в выходном и, возможно, в предвыходном каскадах) и полевых транзисторов. Структурная схема радиопередатчика при использовании любых генераторных приборов разрабатывается аналогично рассмотренному подходу.

За более подробной информацией по разработке структурной схемы радиопередатчика следует обратиться к специальной литературе, например, [1, 2].

ПРИМЕР

Разработать структурную схему связного радиопередатчика, основные параметры которого:

Рабочая частота f = 300…320 МГц (сетка частот с шагом 1 МГц),

Модуляция амплитудная, m = 1,

Мощность в нагрузке в режиме молчания P_~м = 2,5 Вт,

Сопротивление нагрузки R_н = 50 Ом.

Так как мощность передатчика мала, то он полностью может быть реализован на полупроводниковых приборах. Мощные каскады передатчика (выходной и ряд предшествующих ему) реализуются на биполярных транзисторах[12]. В транзисторных генераторах применяется коллекторная амплитудная модуляция, осуществляемая в выходном каскаде. Для улучшения качественных показателей модуляции и облегчения режима работы транзистора выходного каскада обычно применяется комбинированная коллекторная модуляция, когда одновременно с выходным каскадом модулируется также на коллектор предвыходной каскад[13].

Построение структурной схемы начинаем с выходного каскада. Мощность выходного каскада в максимальном режиме

Согласно рекомендациям [здесь студент должен указать источник, которым он пользовался; нельзя ссылаться на настоящее пособие, которое предназначено для направления самостоятельной работы студента над курсовой работой (проектом)] принимаем КПД контура в коллекторной цепи выходного каскада . Соответственно отдаваемая транзистором мощность на рабочей частоте 300…320 МГц должна быть не менее

где k_ПЗ – коэффициент производственного запаса. Принят равным 1,08 (студенту надлежит пояснить «парой слов» принятое значение).

Колебательную мощность 12 Вт на частотах 300…320 МГц могут отдать транзисторы: КТ 909А, КТ 909Б, КТ 909Г. Транзисторы КТ 909Б и КТ 909Г имеют существенно большую мощность, чем требуется. (Как было отмечено, не следует выбирать транзистор на мощность, в 2 и более раз превышающую требуемую для усилителя мощности, так как в этом случае коэффициент усиления по мощности каскада и КПД коллекторной цепи оказываются довольно низкими. Студенту следует найти подтверждение сказанному в специальной литературе.) Поэтому выбираем транзистор КТ 909А. Транзистор конструктивно предназначен для включения по схеме с общим эмиттером (ОЭ), да и на частотах ниже 1 ГГц обычно используется схема с ОЭ.

Согласно справочным данным[14] транзистор КТ 909А обеспечивает выходную мощность 17 Вт на частоте 500 МГц при напряжении питания коллектора Е_к = 28 В. Коэффициент усиления транзистора по мощности на частоте 500 МГц равен 2,4.

Будем исходить из того, что напряжение коллекторного питания транзистора в выходном каскаде в максимальном режиме будет равно паспортному 28 В. Тогда ожидаемый коэффициент усиления по мощности транзистора выходного каскада в диапазоне рабочих частот (см. раздел 3, ф-ла (3.3))

Примем ожидаемое значение коэффициента усиления выходного каскада примерно равным среднему значению ожидаемого значения коэффициента усиления по мощности транзистора. Соответственно согласно приведенному выше расчёту К_{Р ВК} = 8,5[15]. Мощность, требуемая от предвыходного каскада в этом случае,

Такую мощность на частотах 300…320 МГц обеспечивают транзисторы КТ 904А, КТ 913А, КТ 913Б, КТ 919А. Однако транзисторы КТ 913А, КТ 913Б и КТ 919А более мощные и более высокочастотные. Остановим свой выбор на транзисторе КТ 904А. Транзистор включается по схеме с ОЭ.

Согласно справочным данным транзистор КТ 904А обеспечивает выходную мощность 3 Вт на частоте 400 МГц при напряжении питания коллектора Е_к = 28 В. Коэффициент усиления по мощности транзистора КТ 904А на частоте 400 МГц около 3.

Ожидаемый коэффициент усиления по мощности транзистора в рабочем диапазоне частот радиопередатчика

Примем ожидаемое значение коэффициента усиления по мощности предвыходного каскада примерно равным среднему значению найденного выше значения коэффициента усиления по мощности транзистора КТ 904А в интересующем диапазоне рабочих частот, т.е. считаем
К_{Р ПВК} = 10,5. Необходимая мощность от каскада, стоящего перед предвыходным,

Такую мощность можно получить от удвоителя частоты, выполненного на мощном транзисторе.

Дальнейшую разработку и примерный ход расчёта структурной схемы можно проследить по работе [1, приложение 5, стр. 297].

Обратим внимание, что для обоих каскадов ожидаемое значение коэффициента усиления по мощности транзистора К_Р получилось существенно ниже максимального, при котором возможно самовозбуждение каскада (см. раздел 3).

В отдельных случаях после проведения электрических расчётов структурная схема радиопередатчика может быть скорректирована в части выбора числа и типа активных элементов для одного-двух промежуточных каскадов.

Очевидно, для одного и того же задания возможна разработка нескольких вариантов структурной схемы радиопередатчика, каждый из которых может иметь свои достоинства. Окончательный ответ может дать только практическая проверка.

3. ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА И МЕТОДИКИ РАСЧЁТА
ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

При разработке транзисторного усилителя мощности (УМ)[16] первым делом необходимо подобрать подходящие транзисторы, а затем подходящие методики расчёта. Последнее очень важно, так как в противном случае будет выполнен формальный расчёт 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 f _мин – f _макс) 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 f _гр, 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 f _гр и (2…3) f _гр при включении транзистора с ОБ[17]. Как известно,

_,

где – коэффициент передачи транзистора по току в схеме с ОЭ при частоте (обозначается также 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 учётом сказанного выше относительно соотношения между нижней рабочей частотой УМ и граничной частотой транзистора f _гр получаем:

. (3.1)

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

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

, (3.2)

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 (3.2) надо 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 раза 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, необходимо понижать рабочее напряжение питания транзистора по сравнению с номинальным (паспортным) значением. Надо 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

, (3.3)

где К _{Р тип}, f _тип, Е _{к тип}, Р _тип – 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; Е _к – принимаемое напряжение питания коллектора транзистора в рабочем режиме (как и Е _{к тип}, значение Е _к не может превышать номинального значения напряжения питания коллектора, указываемого в справочных данных на транзистор)[18]; Р – необходимая выходная мощность, которую должен обеспечить транзистор, определяемая правой частью (3.2). При этом полезно учитывать, что при любой схеме включения транзистора его максимальная выходная мощность на нижней рабочей частоте, соответствующей (3.1), может приблизительно в 2 раза превышать мощность на верхней частотной границе.

Выражение (3.3) считается пригодным на частотах , т.е. начиная с нижней рабочей частоты УМ (3.1).

Верхняя частотная граница применения транзистора в УМ соответствует снижению малосигнального коэффициента усиления по мощности К _Р приблизительно до 2…3. При меньших значениях К _Р применение транзистора лишено смысла. Если принять, что верхняя рабочая частота при включении транзистора по схеме ОЭ равна f _гр, то можно считать, что на этой частоте значение К _Р в любом случае не будет превышать 2…3. На частоте в 3…4 раза меньше f _гр, что примерно соответствует нижней рабочей частоте транзистора в УМ (3.1), 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 К _{Р тип} и f _тип.

Если намеченный к применению транзистор на рабочей частоте разрабатываемого УМ предположительно обладает К _Р > 30, следует попробовать подобрать другой транзистор с меньшим значением граничной частоты, который при той же мощности будет дешевле и несколько надёжнее. Для понижения К _Р выбранного транзистора можно понизить рабочее напряжение питания коллектора относительно Е _{к тип} (3.3). Значения К _Р не выше 25…30 следует принимать по соображениям устойчивости УМ к самовозбуждению.

Согласно (3.3), чем выше рабочая частота, тем меньше значение К _Р, и наоборот, чем меньше рабочая частота, тем выше возможное значение К _Р. При разработке УМ следует определить возможные значения К _Р на краях рабочего диапазона частот. Значение К _Р на нижней рабочей частоте важно для оценки устойчивости УМ к самовозбуждению, тогда как значение К _Р на верхней рабочей частоте необходимо учитывать при выборе транзистора для предшествующего каскада – возбудителя разрабатываемого УМ. В случае узкополосного УМ можно оценивать возможное значение К _Р на средней рабочей частоте f _ср, определяемой как или , либо принять К _Р равным среднему значению в рабочем диапазоне (полосе) частот.

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

.

Исходя из этой мощности[19] 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. раздел 2).

Выбрав транзистор для соответствующего каскада УМ, необходимо взять из справочника (паспортных данных) все доступные данные на транзистор, которые потребуются для выбора подходящей методики расчёта каскада УМ и выполнения самих расчётов.[20]

Если индуктивности вводов базы L_б и ввода эмиттера L_э 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 расчёт 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 счёт входной цепи согласования, то в этом случае надо выбирать методику расчёта 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 расчёта цепи согласования на выходе транзистора. У выходного (оконечного) каскада эта цепь обеспечивает подключение полезной нагрузки к транзистору. Входное сопротивление транзистора используется при расчёте его входной цепи согласования.

4. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
МЕЖДУ ПАСПОРТНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
И ПАРАМЕТРАМИ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ
БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Крутизна по переходу

где I _к1 – амплитуда первой гармоники коллекторного тока в амперах, определяемая при расчёте рабочего режима транзистора; – рабочая температура перехода транзистора в градусах Цельсия ; – допустимая температура перехода.

Сопротивление рекомбинации

,

где – статический коэффициент передачи транзистора по току в схеме ОЭ на низкой частоте .

Статическая крутизна базового тока

.

Статическая крутизна коллекторного тока[21]

. (4.1)

При наличии в конструкции транзистора сопротивления эмиттерной термостабилизации :

; . (4.2)

Одним из паспортных параметров транзистора является ёмкость коллекторного перехода С _к (она же барьерная ёмкость коллекторного перехода, она же ёмкость закрытого коллекторного перехода).

«Активная составляющая» ёмкости коллекторного перехода

.

Иногда значение ёмкости приводится в паспортных данных транзистора.

«Пассивная составляющая» ёмкости коллекторного перехода

.

Постоянная времени цепи обратной связи

.

Граничная частота, на которой коэффициент передачи транзистора по току в схеме ОЭ равен единице,

,

где – граничная частота, на которой модуль коэффициента передачи по току в схеме ОЭ уменьшается в раз по сравнению со значением на низкой частоте [22].

Соответственно

.

Граничная частота

,

на которой модуль коэффициента передачи транзистора по току в схеме ОБ уменьшается в раз по сравнению со значением на низкой частоте .

Усреднённая ёмкость открытого эмиттерного перехода

.

Диффузионная ёмкость эмиттерного перехода

С _диф = С _д – С _э,

где С _э – барьерная ёмкость эмиттерного перехода (паспортный параметр).

Граничная частота

,

на которой модуль крутизны коллекторного тока S уменьшается в раз по сравнению со значением на низкой частоте :

,

где S ₀ соответствует значению S при :

и определяется по статическим ВАХ коллекторного тока либо согласно (4.1), либо согласно (4.2) при наличии стабилизирующего сопротивления в конструкции транзистора.

5. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ
РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ П-КОНТУРА
И ЕГО КПД

В качестве нагрузки в коллекторной цепи транзисторного усилителя мощности широко применяется электрическая цепь, показанная на рис. 5.1, состоящая из двух поперечных ветвей, образованных ёмкостными элементами C ₁, C ₂, и одной продольной ветви, образованной индуктивностью L. Соединение указанных ветвей напоминает букву П, что и обусловило название представленной цепи как П-контур. С одной стороны П-контура подключается активный элемент (АЭ) – транзистор, а с другой – подключается полезная нагрузка усилителя R _н. В общем случае реактивная составляющая комплексного сопротивления нагрузки учитывается в составе ёмкости C ₂, что в настоящей работе не обсуждается.

Нетрудно видеть, что три реактивных элемента C ₁, C ₂, L образуют хорошо известное соединение – треугольник, которое может быть преобразовано в другое известное соединение – трёхлучевую звезду. Если от соединения элементов треугольником перейти к трёхлучевой звезде, то П-образная цепь преобразуется в Т-образную. Очевидно, обе цепи будут проявлять одинаковые свойства. Возможны П-цепи, у которых в поперечных ветвях включены индуктивные элементы, а в продольной ветви – ёмкостные элементы. Возможны и другие комбинации [6].

Однако в коллекторной цепи транзистора наиболее часто используется цепь рис. 5.1. В такой цепи лучше фильтрация высших гармоник коллекторного тока транзистора в силу ёмкостной связи АЭ с контуром. Кроме того, ёмкость C ₁ целиком либо отчасти образуется выходной ёмкостью транзистора.

Цепь рис. 5.1 должна преобразовать активное сопротивление R _н в активное сопротивление R _ое, требуемое для обеспечения рассчитанного режима коллекторной цепи. Таким образом, цепь рис. 5.1 может рассматриваться как преобразующая сопротивление R _н в R _ое (или, наоборот, R _ое в R _н). Условие преобразования активных сопротивлений и лежит в основе расчёта реактивных параметров элементов цепи рис. 5.1, которую можно представить в виде рис. 5.2.

На практике используются два подхода к расчёту параметров реактивных элементов рассматриваемой цепи. При этом в обоих случаях параллельные соединения активных и ёмкостных сопротивлений преобразуются в эквивалентные последовательные соединения, как показано на рис. 5.3.

Рис. 5.1 Рис. 5.2

а б

Рис. 5.3

Преобразования осуществляются на основании соотношений, вытекающих из равенства результирующих комплексных сопротивлений цепей при их преобразованиях (рис. 5.4).

Для цепей рис. 5.4 справедливо соотношение:

,

где – рабочая частота.

Преобразуя левую часть соотношения, получаем:

из чего, сопоставляя с правой частью соотношения, имеем:

(5.1)

Согласно (5.1)

Применяя (5.1) к преобразованиям цепей рис. 5.3, находим:

· для цепи рис. 5.3, а:

(5.2а)

(5.2б)

· для цепи рис. 5.3, б:

(5.3а)

(5.3б)

При первом подходе к расчёту параметров реактивных элементов П-цепи, кроме сопротивлений R _ое и R _н, считается заданным одно из ёмкостных сопротивлений. Это сопротивление либо действительно задаётся, либо выбирается, что на практике соответствует, например, случаю, когда R _ое – требуемое сопротивление нагрузки в коллекторной цепи транзистора, а в качестве ёмкости C ₁ выступает выходная ёмкость транзистора; либо R _н – сопротивление полезной нагрузки (например, активная составляющая входного сопротивления транзистора следующего каскада), а ёмкость C ₂ – ёмкость нагрузки в параллельном эквиваленте (например, входная ёмкость транзистора следующего каскада).

Предположим, что задано реактивное сопротивление (соответственно задана ёмкость C ₁). Тогда согласно (5.2)

(5.4а)

(5.4б)

где может рассматриваться как добротность цепи параллельного соединения ёмкости C ₁ и сопротивления R _ое.

В рассматриваемой цепи при преобразованиях сопротивлений R _ое и R _н должно обеспечиваться равенство сопротивлений R ₁ и R ₂ в цепях рис. 5.3. Исходя из этого на основании (5.2а), (5.3а), учитывая (5.4а), можно записать:

Из последнего равенства находим:

Соответственно

(5.5)

откуда .

С учётом (5.5) на основании (5.3б) находим:

.

Согласно (5.4б)

.

Суммарное сопротивление должно компенсировать сопротивление индуктивности L. Соответственно с учётом приведенных выше соотношений сопротивление индуктивности рассматриваемой цепи должно быть:

,

откуда .

Условие реализуемости цепи при рассматриваемом подходе к определению параметров реактивных элементов, когда заданы активные сопротивления R_ое и R_н и ёмкостное сопротивление , вытекает из требования, чтобы подкоренное выражение в (5.5) оказывалось положительной величиной, что возможно при[23]

.

Согласно этому условию при R_ое < R_н цепь реализуется при любом значении Q₁. Если R_ое >> R_н, то для реализации цепи должно быть .

Если считать ёмкостные элементы не имеющими собственных потерь, то потери мощности в рассматриваемой цепи будут иметь место только в индуктивности L на сопротивлении потерь катушки , где Q_L – собственная добротность катушки индуктивности L.

Так как при рассматриваемом подходе активные сопротивления R_ое и R_н пересчитываются в сопротивления одинаковой величины R₁ = R₂ = = R, каждое из которых включается последовательно с сопротивлением собственных потерь r_пот в индуктивности цепи L и соответственно через эти сопротивления протекает один и тот же ток, то коэффициент полезного действия (КПД) рассматриваемой цепи, определяемый как

,

не зависит от направления передачи мощности (энергии) и может быть найден по формуле, с учетом приведенных выше соотношений:

.

В соотношениях для КПД Р_н – мощность в полезной нагрузке R_н, которая определяется через так называемое вносимое сопротивление r_вн, равное в данном случае сопротивлению R₁ или R₂ при пересчёте цепей рис. 5.3; Р_пот – мощность, выделяемая на сопротивлении потерь катушки r_пот; (Р_н + Р_пот) – полная колебательная мощность, выделяемая на сопротивлении R_oe, равная мощности, поставляемой АЭ[24].

Если в рассматриваемой цепи имеет место т. е. Q₁ >> 1; то согласно (5.2)

а согласно (5.3)

При этом сопротивление индуктивности т. е.

и цепь по своим свойствам приближается к параллельному колебательному контуру третьего вида – контуру с неполным подключением со стороны ёмкостной ветви. Соответственно для рассматриваемой цепи будут применимы с достаточной точностью все соотношения для параллельного колебательного контура с неполным включением. Коэффициент включения контура со стороны АЭ

р = С ₂ / (С ₁ + С ₂).

При втором подходе к расчёту параметров реактивных элементов П-контура неизвестными являются значения всех трёх реактивных элементов: С₁, С₂, L. В этом случае принимают, что преобразованные сопротивления R₁ и R₂ параллельных ветвей рис. 5.3 равны некоторому опорному сопротивлению R₀.

Согласно (5.2), (5.3) R₁ < R_oe, R₂ < R_н. Соответственно опорное сопротивление R₀ выбирается из условия

На практике R₀ выбирают в 2…5 раз меньше меньшего из сопротивлений R_oe и R_н.

Из условия R₁ = R₀ согласно (5.2а)

,

откуда находим

,

соответственно

. (5.6)

Аналогично согласно (5.3а) из условия

находим

,

соответственно

. (5.7)

Как видно из (5.6), (5.7), выражения имеют смысл при условии

что отмечалось выше. Последнее соотношение является условием реализуемости цепи при рассматриваемом подходе к определению параметров реактивных элементов.

Реактивное сопротивление согласно (5.2б) с учётом (5.6) определяется соотношением

. (5.8)

Реактивное сопротивление согласно (5.3б) с учётом (5.7) определяется соотношением

. (5.9)

Сопротивление индуктивности должно компенсировать суммарное ёмкостное сопротивление . Соответственно для него справедливо соотношение

. (5.10)

Из соотношений (5.6), (5.7), (5.10) находим параметры реактивных элементов цепи:

.

Если R₀ << R_oe, то согласно (5.6), (5.8) ; если
R₀ << R_н, то согласно (5.7), (5.9) . Соответственно согласно (5.10)

.

Чем меньше значение опорного сопротивления R₀ по сравнению с известными сопротивлениями R_oe и R_н, тем ближе рассматриваемая цепь по своим свойствам будет к параллельному колебательному контуру, в данном случае с неполным подключением со стороны ёмкостной ветви.

КПД цепи может быть определён из уже известного соотношения

,

где при рассматриваемом подходе к определению параметров реактивных элементов цепи r_вн = R₀, а r_пот = X_L / Q_L.

Тогда

.

Из последнего соотношения видно, что чем меньше R₀, тем меньше достижимое значение КПД цепи, которое не зависит от направления передачи мощности (энергии).

Особый практический интерес представляет П-контур, параметры которого при втором подходе рассчитываются из условия

При таком выборе R₀ согласно (5.6) имеем:

,

а согласно (5.7)

.

Соответственно согласно (5.10)

.

Как видим, все три реактивных сопротивления по величине оказываются одинаковыми, т.е. . Соответственно . Характерное для колебательных контуров условие резонанса в данной цепи не имеет места.

Для рассматриваемой цепи из условия R₁ = R₂ =R₀ на основании соотношений (5.2а), (5.3а) получаем

.

Соответственно

или .

Рассматриваемая цепь известна как идеальный инвертор сопротивления с коэффициентом инверти­рования К_инв = Х ² = R_oeR_н.

Цепь представлена на рис. 5.5 и по структуре является звеном фильтра нижних частот (ФНЧ). Обратим внимание, что рассмат­ри­ваемая цепь соответствует симметричному четырёхполюснику и к ней применимы положения теории четырёхполюсников[25].

Очевидно, при любых значениях R_oe и R_н можно применить цепь рис. 5.5, принимая

Проблемой может быть только конструктивная реализация реактивных элементов C, L с сопротивлением X. Как излишне большая величина, так и малая величина сопротивления X может сделать невозможной реализацию рассматриваемой цепи. Так же и частотные свойства получаемой цепи могут оказаться неприемлемыми.

КПД цепи рис. 5.5 можно определить по формуле

.

К цепи рис. 5.5 можно прийти и при первом подходе к расчёту, если считать заданной величину сопротивления одной из ёмкостей, например, , а сопротивления