568_Arkhipov_s._N._Skhemotekhnika_telekommunikatsionnykh_ustrojstv_

П8. Расчет трансформаторного каскада

Схема трансформаторного каскада на биполярном транзисторе с эмиттерной стабилизацией режима (рис. П8.1) может быть использована как в предварительных, так и в выходных каскадах усиления.

Выходные каскады усиления рассчитываются на получение максимальной мощности неискаженного выходного сигнала. Для получения максимальной выходной мощности необходимо стремиться к максимальному использованию усилительного элемента по току и напряжению.

Чтобы в однотактном транзисторном каскаде усиления мощности получить амплитуду переменного напряжения на коллекторной нагрузке близкой постоянному напряжению между коллектором и эмиттером Uк0, а амплитуду переменного коллекторного тока близкой постоянному току коллектора iк0 и, следовательно, получать от транзистора максимально возможную мощность неискаженного сигнала, необходимо выбрать оптимальное сопротивление нагрузки переменному току

Соответствующая этому сопротивлению нагрузочная прямая показана на рис. П8.2.

В транзисторном каскаде нагрузкой для переменного коллекторного тока является входное сопротивление трансформатора, нагруженного на Rн.

Очевидно, изменяя коэффициент трансформации n, можно получить

Rвх.тр. = Rк~опт, т. е. преобразовать заданное значение нагрузки Rн в оптимальное. Для этого коэффициент трансформации должен быть выбран из условия:

где тр – коэффициент полезного действия трансформатора.

Следует иметь в виду, что при выполнении условия получения от транзистора максимальной мощности, коэффициент усиления по мощности в этом случае не будет максимальным.

Нелинейные искажения в трансформаторном каскаде могут быть обусловлены как усилительным элементом, так и трансформатором. Нелинейные искажения в трансформаторе возникают за счет нелинейной зависимости индукции в сердечнике от тока намагничивания.

81

Нелинейные искажения, обусловленные транзистором, возникают при больших токах из-за уменьшения динамического коэффициента усиления транзистора по току; при малых токах – из-за нелинейности входной динамической характеристики. Величина нелинейных искажении зависит от выходного (внутреннего) сопротивления источника сигнала Rист . Для схемы с ОЭ нелинейные искажения будут минимальны, когда сопротивление источника сравнимо по величине с входным сопротивлением транзистора.

При небольших допустимых искажениях можно считать амплитуду переменного коллекторного тока и напряжения равными: Umк ≈ 0,9 uк0; Imк ≈ 0,9 iк0. При этом для расчета максимальной выходной мощности, отдаваемой транзистором, можно воспользоваться выражением:

Мощность в нагрузке Pн из-за потерь в трансформаторе будет меньше мощности, отдаваемой транзистором:

Часть этой потребляемой мощности рассеивается на коллекторе:

В режиме «А» наибольшая мощность рассеивается на коллекторе при отсутствии сигнала, т. е. в режиме покоя:

Предварительные трансформаторные каскады должны обеспечивать получение максимального коэффициента усиления по мощности Kм. Условием получения максимального коэффициента усиления по мощности является согласование на выходе транзистора, т. е. равенство выходного сопротивления транзистора входному сопротивлению трансформатора:

Для того чтобы обеспечить согласование, а тем самым и максимальный коэффициент усиления по мощности, коэффициент трансформации должен удовлетворять соотношению:

82

Следует иметь в виду, что выходная мощность в этом случае не максимальна.

Условие получения максимальной выходной мощности (Rвх тр = Rк опт) и условие получения максимального коэффициента усиления по мощности (Rвх тр = Rвых э) не совпадают, и значения nопт отличается от nсогл.

iк , мА

iб8

iб7

iб6

iб0 = iб4

iб3

iк0

iб1

Рис П8.1. Выходные характеристики транзистора

Коэффициент усиления по мощности равен отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности, поступающей на вход транзистора

Из-за внутренней обратной связи входное сопротивление транзистора

Rвх.УЭ зависит от величины сопротивления нагрузки переменному коллектор-

83

ному току Rк~ и, следовательно, от n. Однако изменения входного сопротивления сравнительно невелики и при расчетах можно полагать Rвх.УЭ = const.

Частотные искажения в трансформаторной каскаде обуславливаются не только транзистором (на высоких частотах) и элементами Сэ, Ср (на низких частотах), как это было в резистивном каскаде, но и трансформатором.

Частотные искажения, возникающие за счет трансформатора в области низких частот, можно рассчитать по формуле:

На верхних частотах искажения могут возникать за счет индуктивности рассеивания. Они определяются по формуле

Значение Rк~ можно определить по формуле (П8.2).

84

П9. Графоаналитический расчет усилителя в режиме «В»

Значения мощностей Рн, P0, 2Рк и коэффициента полезного действия ŋвых.ц могут быть определены по известным формулам. Колебательная мощность Р~, отдаваемая выходными транзисторами в нагрузку:

Мощность, потребляемая выходными транзисторами от источника питания:

Для выполнения расчета нужно знать тип выходных транзисторов, Еп, Rн,

Umк. Тип выходных транзисторов, значения Еп и Rн приведены в исходных данных.

Значение Umк можно определить следующим образом. На семействе выходных характеристик транзистора данного типа следует построить нагрузочную прямую (рис. П.8.2):

где величина напряжения Uост определяется как напряжение на коллекторе, при котором выходные характеристики становятся нелинейными и круто изменяются вниз.

Следует отметить, что найденные значения Рн, P0, 2Рк и вых.ц соответствуют полной «раскачке» выходного каскада, т. е. случаю, когда на него подано максимальное напряжение, при котором транзисторы выходного каскада еще не перегружаются.

85

При расчете Рн, P0, 2Рк и вых.ц на основе экспериментальных данных мощность сигнала на нагрузке может быть определена как

Колебательная мощность на выходе транзисторов из-за наличия дополнительных сопротивлений несколько больше, чем мощность на нагрузке, примерно на 10 %:

Мощность, рассеиваемую на двух или одном транзисторе, и величинувых.ц можно определить по формулам П9.3–П9.5.

Семейство выходных статических характеристик транзисторов П214А, П214Б приведены на рис. П9.1.

iк , А

5,0

90

80

70

4,0

60

50

3,0

40

20

1,0

iб = 10мА

Рис. П9.1. Семейство выходных характеристик транзистора П214А–П214Б

86

П10. Особенности применения программы компьютерного моделирования

Electronics Workbench

Для операций с компонентами на общем поле Electronics Workbench выделены две области: поля компонентов и поля инструментов (рис. П10.1).

Рис. П10.1. Общее поле Electronics Workbench

Вправом верхнем углу расположена пиктограмма выключателя схемы, нажав на которую можно запустить или остановить процесс моделирования работы схемы. Немного ниже находится кнопка паузы, нажав на которую можно приостановить процесс моделирования.

Панель компонентов состоит из пиктограмм полей компонентов в виде их условных изображений. Щелчком мыши на одной из одиннадцати пиктограмм полей компонентов можно открыть соответствующее поле. Расположение элементов в полях ориентировано на частоту использования компонента. В качестве примера на рис. П10.2 открыто поле источников компонентов (Sources).

Вбиблиотеки элементов программы Electronics Workbench входят аналоговые и цифро-аналоговые компоненты.

Все компоненты можно условно разбить на следующие группы:

─базовые компоненты;

─источники;

─линейные компоненты;

─ключи;

─нелинейные компоненты;

─индикаторы;

─логические компоненты;

─узлы комбинационного типа;

─узлы последовательного типа;

─гибридные компоненты.

88

– резистор. Сопротивление резистора измеряется в Омах и задается производными величинами (от Ом до МОм).

– конденсатор. Его емкость измеряется в Фарадах и задается производными величинами (от пФ до Ф).

– катушка индуктивности. Индуктивность катушки (дросселя) измеряется в Генри и задается производными величинами (от мкГн до Гн).

Для изменения величины пассивных компонентов (или модели транзисторов и интегральных микросхем) необходимо выполнить одну из следующих операций:

1. Дважды щелкнуть левой кнопки мыши на изображении компонента схемы. При этом открывается окно параметров компонента, пример которого показан на рис. П10.3.

Рис. П10.3. Окно изменения параметров резистора

2. Щелкнуть правой кнопки мыши на изображении компонента и при появлении окна контекстного меню выбрать опцию Component Properties (свойства компонента). При этом также открывается окно параметров компонента

(см. рис. П10.3).

Для изменения величины компонента в линейке меню выбирается опция Value (величина). Далее, в соответствующих ячейках меняется значение и единица измерения компонента. При выборе опции Label можно указать обозначение элемента, которое будет явно указано на схеме.

– ключ, управляемый клавишей. Ключи могут быть замкнуты или разомкнуты при помощи управляющих клавиш на клавиатуре. В выключенном состоянии они представляют собой бесконечно большое сопротивление, во включенном состоянии их сопротивление равно нулю. Имя управляющей клавиши можно ввести с клавиатуры в диалоговом окне, появляющемся после двойного щелчка мышью на изображении ключа.

Используемые клавиши:  буквы от A до Z;

90