Моделирование оконечного каскада радиопередатчика

10.2.2.1 Выполним предварительные расчеты и моделирование оконечного каскада (ОК) радиопередатчика на биполярном транзисторе по заданию №1 из лабораторной работы №4 [10]. Принципиальная схема каскада приведена на рис. 10.8.

Рис. 10.8 Схема оконечного каскада

Для транзистора Q2N3053 с параметрами: f _T = 100 МГц; r _НАС = 9 Ом; R _Б = 10 Ом; С _К = 15 пФ; С _Э = 55 пФ; h _21Э = 100; I _{К ДОП} = 0,7 А; P _{S ДОП}= 1 Вт необходимо рассчитать параметры режима ОК по заданным:

- выходной мощности Р ₁ = 0,5 Вт,

- рабочей частоте f = 10 МГц,

- максимальному напряжению на коллекторе е _{К МАКС} = 20 В,

- углу отсечки тока коллектора .

1)Расчет в граничном режиме токов, напряжений и мощностей коллекторной и базовой цепей:

- амплитуда напряжения на коллекторе

= 9,47 В,

- напряжение питания Е _К = е _{К МАКС}– U _K = 10,53 В;

- амплитуда первой гармоники тока коллектора мА;

- постоянная составляющая тока коллектора I _K0 = = 105,6/1,57 = 67 мА;

- мощность, подводимая к коллекторной цепи Р ₀ = Е _К I _К0 = 0,708 Вт;

- мощность, рассеиваемая на коллекторе P_S = P ₀ – P ₁ = 0,208 Вт;

- сопротивление нагрузки для транзистора R _{K ГР} = = 89,7 Ом;

- коэффициент 1,422;

- амплитуда первой гармоники тока базы = 30,1 мА;

- составляющие входного сопротивления транзистора

8,51 Ом,

2895 Ом,

1446 Ом,

22,83 Ом,

- значение входной емкости:

пФ.

- мощность возбуждения 0,0104 Вт,

- ЭДС источника возбуждения 2 В (принято R _Г = 50 Ом).

2) Для расчета П-контура представим его в виде двух, включенных навстречу друг другу, Г-образных четырехполюсников (рис. 10.9):

Рис. 10.9 П-контур в виде двух Г-образных четырехполюсников

- для заданного R _Н = 50 Ом выбираем R ₀ = 5 Ом (R ₀ < R _Н и R ₀ < R _К).

- рассчитываем значения [11]:

;

пФ;

нГ;

= 955 пФ.

3) Для расчета входной цепи рассмотрим ее упрощенную схему (рис. 10.10). Эквивалентное индуктивное сопротивление x _ПОСЛ и сопротивление емкости x_C ₂ образуют Г-образную цепочку, которая должна трансформировать сопротивление r _ВХ к уровню R _Г:

Рис. 10.10 Схема входной цепи

и .

X _ПОСЛ= 24,88 Ом, пФ

нГ.

10.2.2.2 Схема оконечного каскада с рассчитанными элементами, составленная в пакете «OrCAD», приведена на рис. 10.11. Емкость конденсатора С ₄ уменьшена на величину С _К = 15 пФ.

Рис. 10.11 Схема в «OrCad»

Форма напряжений на коллекторе и на сопротивлении нагрузки показанная на рис. 10.12, свидетельствует о том, что переходной процесс в схеме не закончен. Целесообразно увеличить время анализа, чтобы получить результаты соответствующие стационарному режиму (рис. 10.13).

Рис. 10.12 Процесс установления колебаний

Рис. 10.13 Увеличение времени анализа до 70 мкс

Переходной процесс соответствующий увеличенному времени анализа показан на рис. 10.14.

Рис. 10.14 Форма напряжения на нагрузке

Оказывается, каскад оказался неустойчив и «OrCAD» показал возникновение прерывистой генерации. Возможно на элементах L ₁, C _K, С ₄, L ₃, С ₅ получилась схема автогенератора типа «индуктивная трехточка». «Самовозбуждение» удалось устранить, уменьшив значение сопротивления резистора R ₄ до
2 кОм (рис. 10.15).

Рис. 10.15 Схема с уменьшенным сопротивлением R _ДОП = R ₄

После устранения самовозбуждения в качестве выборки был использован интервал времени после окончания переходного процесса от 40 до 50 мкс.

Рассмотрим полученные временные и энергетические характеристики каскада, полученные при моделировании. Из рис. 10.16 следует, что величина импульса коллекторного тока оказалась меньше расчетной 190 мА вместо ожидаемых 211 мА. Амплитуда тока базы близка к расчетной величине. Напряжение на нагрузке равно 7,17 В, что позволяет рассчитать выходную мощность каскада Р ₁ = = 0,514 Вт при расчетных 0,5 Вт. Элементы С ₄, L ₃, С ₅ при моделировании не имеют потерь, форма напряжения на сопротивлении нагрузки практически синусоидальна, поэтому расчет по формуле Р ₁ = наиболее близок к действительности.

Рис. 10.16 Временные диаграммы:
а – токи коллектора i _Kи базы i _Б,
б – напряжения на коллекторе e _Kи на нагрузке u _Н,
в – напряжение на базе e _Б

10.2.2.3 Чтобы выполнить исследование нагрузочных характеристик каскада рассчитаем элементы П-контура так, чтобы обеспечить значения сопротивления нагрузки для транзистора равные 0,25 R _{K ГР}, 0,5 R _{K ГР}, 1,5 R _{K ГР}, 2 R _{K ГР},
4 R _{K ГР}. Результаты расчетов представим в таблице 10.1.

Таблица 10.1

Значения элементов	Сопротивление коллекторной нагрузки, в долях от R _{K ГР}
0,25 R _{K ГР}	0,5 R _{K ГР}	R _{K ГР}	1,5 R _{K ГР}	2 R _{K ГР}	4 R _{K ГР}
С ₄, пФ
L ₃, мкГ
С ₅, пФ

Таблица 10.2

Значения характеристик	Сопротивление коллекторной нагрузки, в долях от R _{K ГР}
0,25 R _{K ГР}	0,5 R _{K ГР}	R _{K ГР}	1,5 R _{K ГР}	2 R _{K ГР}
I _K0, мА	86,3	86,25	83,17		44,8
I _K1, мА			109,42		66,7
U _Н, В	4,08	5,6	7,17	6,46	5,72
U _К1, В	2,76	5,3	9,59	10,6	10,8
U _К2, В	0,212	0,358	0,289	0,254	0,35
Р ₁, Вт	0,166	0,313	0,514	0,417	0,327
Р ₀, Вт	0,906	0,905	0,8715	0,6195	0,47
Р _S, Вт	0,74	0,593	0,3575	0,2025	0,1434